摘 要： 高壓開關作為電力系統的重要設備，其穩定運行是保障電力網正常工作的必要條件。基于ZigBee無線傳感器網絡技術設計和實現了高壓開關觸頭溫度在線監測系統。設計并實現了無線測溫網絡、高壓自具電源、PC監測軟件。系統具有組網靈活、可靠性高、抗干擾能力強、低功耗、網絡容量大等優點。
關鍵詞： 高壓開關； 監測系統； ZigBee； 測溫網絡； 自具電源
電力系統安全穩定運行是電力系統控制的根本目標和進行電力市場交易的重要保障[1]。高壓開關柜是電力系統中一個非常重要的電氣設備，由于長期在高電壓、大電流和滿負荷的條件下運行，開關柜中的母線接點、高壓電纜接頭等部位容易因接觸電阻過大或老化而發熱，使相鄰的絕緣部件性能劣化，大大縮短高壓開關的使用壽命，甚至導致擊穿燒毀而造成事故，影響整個電力系統的正常工作。因此，其可靠性越來越多地受到人們的關注。由于高壓電氣設備一般都處于高電壓、大電流和強磁場的環境中，在實際監控中，必須要求監控對象與監測儀器之間進行電壓隔離，其測試信號的有效傳輸也是一直比較難以解決的問題。目前，母線溫度檢測主要有4種方案：采用色片[2]、熱紅外檢測技術[3]、光纖測溫技術[4]、無線溫度監測技術[5]。本文結合高壓開關柜的實際要求，充分利用和發揮ZigBee[6]低功耗、強抗干擾、容量大等優勢，采用基于ZigBee無線網絡的技術提出對高壓開關觸頭溫度進行在線監測的方案。無線在線監測裝置采用無線通信技術進行高壓隔離和信號傳輸，利用其固有的絕緣性和抗電磁場干擾性能，較好地解決了高壓開關柜內觸頭運行溫度不易監測的難題。
1 系統結構
1.1 系統功能
(1)終端測溫節點測量范圍不小于-40 ℃～+120 ℃，測量精度大于0.5 ℃。
(2)主機最多可監測32個測溫網絡，每個網絡可以容納多于32個開關柜，每個開關柜可以配置9個終端測溫節點。這樣整個系統總的測試點個數可達32×32×9=9 216個。
(3)每個開關柜配置一個柜內溫度監測裝置，裝在開關柜的門上，通過接收測溫節點的溫度數據實時顯示開關柜觸頭和母線溫度，并能夠通過該裝置對預警溫度和報警溫度進行設置。并能通過指示燈和蜂鳴器進行報警。
(4)由高壓自具電源給終端測溫節點供電，能在開關工作電流40～4 000 A范圍內可靠工作，能承受在500 ms內40 000 A電流的沖擊。
1.2 系統總體結構
如圖1所示，整個監測系統主要分3個部分：ZigBee無線測溫網絡、高壓自具電源和監測PC。
ZigBee無線測溫網絡主要包括：測溫終端(終端節點)、開關柜內監測裝置(包括路由器和顯示模塊)、溫度收集裝置(協調器)。測溫終端主要由ZigBee芯片和溫度傳感器構成。開關柜內監測裝置主要由ZigBee芯片實現無線通信，單片機實現顯示等其他任務。溫度收集裝置和開關柜內監測裝置采用相同的硬件，只是軟件上有些不同，它在網絡中承擔協調器的角色，并實現與PC機的通信。ZigBee無線測溫網絡采用網狀拓撲結構，這種結構具有更好的可靠性和容錯能力。
1.3 系統工作原理
高壓開關閉合工作時，高壓自具電源從母線取得能量，經一系列整流、濾波、穩壓處理，得到3.3 V電源，并為ZigBee測溫終端節點供電。測溫節點根據設定的測溫頻率進行測溫，這里設定為每1 s一次，并把數據傳給開關柜內監測裝置(路由器)，也可以是其他開關柜的柜內監測裝置。路由器再把溫度信息傳給溫度收集模塊(協調器)，同時也在開關柜內監測裝置上顯示本開關柜的9個節點的溫度信息。協調器再把收集到的溫度信息通過RS485發給監測PC機，用于顯示和存檔。
2 硬件設計
2.1 ZigBee測溫節點硬件設計
ZigBee測溫節點主要由CC2430和DS18B20以及一些輔助電路組成。DS18B20實現溫度測量，CC2430實現溫度讀取和無線通信。測溫節點在系統中承擔終端節點的角色。基于CC2430測溫節點原理圖如圖2所示。
2.2 開關柜內監測裝置硬件設計
對于開關柜內監測裝置，主控制芯片的選擇是最重要的。要求抗干擾能力強、通用性強、管腳足夠多、價格低廉。這里選用Cygnal公司的C8051F020微處理器；采用MAX485芯片進行電平轉換；選用128×64帶字庫的點陣LCD；采用DS1302作為實時時鐘；無線模塊和測溫節點相同，但在系統中它承擔路由器的角色。作為高壓開關柜內監測裝置，其本身是一個比較完整的系統，其原理框圖如圖3所示。
2.3 溫度收集裝置硬件設計
它采用和開關柜內監測裝置一樣的硬件平臺，但在系統中承擔協調器的角色。
3 軟件設計
3.1 ZigBee測溫節點軟件設計
測溫節點的軟件設計主要包括3個部分：溫度數據的采集、溫度數據的發送和低功耗的實現。其中溫度數據發送采用TI公司開發的Z-Stack1.4.1協議棧，具體的參數配置如表1所示，在節點類型上選擇終端節點。在低功耗實現上采用低功耗P2模式。經過測量和計算得到在每1 s采集一次溫度的情況下，測溫節點的功耗為3.575 4 mAh/d。
3.2 開關柜內監測裝置軟件設計
開關柜內監測裝置軟件主要實現與測溫節點交互信息，并把接收到的觸頭和母線溫度信息顯示在LCD上，接收鍵盤輸入的設置信息，在觸頭和母線溫度超過預警或報警值時采取聲光報警。從ZigBee網絡的角度，它被配置成路由器類型。其軟件基本流程如圖4所示。
把系統分解成若干個功能相對獨立的子任務，并把CPU時間分成若干個小的時間片，每個任務必需在指定的時間片段內完成。這里把系統需完成的功能分解為3個子任務：響應鍵盤輸入、刷新顯示輸出、串口發送。
3.3 溫度收集裝置軟件設計
溫度收集裝置軟件和開關柜內監測裝置軟件相似，最大的不同是其無線模塊配置成協調器類型，這里就不再介紹了。
3.4 PC監測軟件設計
PC監測軟件主要功能是通過RS485與開關柜內監測裝置進行通信，讀取ZigBee測溫節點的溫度數據，獲得ZigBee無線測溫網絡的拓撲結構， 用于網絡狀態通信狀態的監測和設備故障的診斷，保存歷史數據，顯示開關觸頭溫度信息，給開關柜內監測裝置校時等功能。其軟件結構如圖5所示。
4 高壓自具電源設計
高壓自具電源通過電磁感應原理，把高壓大電流側能量的很小一部分傳遞給ZigBee無線測溫節點。需要經過能量控制、整流、濾波、穩壓等一系列措施，其原理圖如圖6所示。
由于高壓側的電流波動范圍很大，工作范圍在0～4 000 A，發生短路時的電流達到40 000 A，這給自具電源的設計帶來了很大難度。因此需要考慮多方面的因素：設計合理的電流互感器(鐵心材料、鐵心尺寸、線圈匝數等)，設計合理的整流穩壓模塊(耐壓和能量釋放等)以及降低測溫節點功耗(硬件和軟件設計)。整流穩壓模塊的原理圖如圖7所示。
5 實驗測試
系統設計完后還需要進行三類實驗測試：高壓側小電流實驗、高壓側額定電流實驗和高壓側短路電流實驗，從而驗證系統在40～4 000 A的情況下能否可靠運行，并且能耐40 000 A短路電流沖擊。根據實際安裝尺寸的需要，并對比不同鐵心材料(坡莫合金和非晶)、不同形狀(圓形和方形)、不同磁路長度、不同線圈匝數，選擇了規格為61/70/20的圓形非晶材料作為電流互感器的鐵心，并采用60匝的線圈。
(1)高壓側小電流實驗
給一次側通入電流，直到測溫節點能正常工作，記錄最小一次側電流。實驗中發現在10.8 A時，測溫節點就能正常工作。再增大一次側電流，達到11.5 A時，測溫節點穩壓模塊輸出穩定在3.3 V左右，即其穩定工作電流也小于40 A，符合設計的要求。
(2)高壓側額定電流實驗
給高壓側通入7 000 A電流，發現系統還能安全工作，從實際測量可以看出在一次側通入大電流以后，整流穩壓電路輸出的電壓基本穩定在3.3 V，波動在0~0.08 V范圍內，可以知道在高壓側電流為4 000 A時系統能夠穩定工作。
(3)高壓側短路電流實驗
對于40 000 A的高壓側短路沖擊電流實驗，由于設備條件所致，無法進行一比一的實驗。采用等效實驗的方法對其進行研究。在高壓側通入正弦電流時：
式中，I為電流幅值，ω為角頻率。可以看出在高壓側電流不變情況下，ε和線圈匝數平方成正比。經過實驗驗證，在高壓側通入7 000 A電流時，溫度測量裝置能穩定工作。實際中由于電力系統負載短路造成高壓開關工作在大電流情況的時間很短，只有幾十毫秒，實驗中高壓電源工作在接近50 kA的時間遠遠大于負載短路的時間。這就說明了高壓自具電源在高壓側發生短路故障時能可靠工作。
高壓開關作為電力系統的重要設備，其安全可靠運行是保證電力網健康工作的必要前提。本文采用基于ZigBee無線網絡測溫技術對高壓開關觸頭溫度進行在線監測，具有組網靈活、可靠性高、抗干擾能力強、低功耗、網絡容量大(能夠同時監測9 216個觸頭溫度)等優點。在給無線測溫節點供電上采用高壓自具電源，能夠在很寬的電流范圍內可靠工作。系統實時監測高壓開關柜的健康狀況，為開關柜的提前維護提供了依據，有效保障了電力系統的可靠運行。
參考文獻
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