1、引言

高壓配電開關(guān)柜是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要設(shè)備之一。在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，高壓母線因超負(fù)荷運(yùn)行，會(huì)出現(xiàn)過熱現(xiàn)象；另外，開關(guān)柜中的觸頭接觸不好或因產(chǎn)品制造、運(yùn)輸以及安裝等原因也會(huì)引起接觸電阻過大，導(dǎo)致溫度升高，產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。觸頭和母線排連接處等部位因過熱引起絕緣老化甚至擊穿，從而引發(fā)短路的現(xiàn)象在大電流開關(guān)柜（如進(jìn)線柜）中尤為突出且影響極大。因此，對(duì)這些發(fā)熱部位進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)十分必要，以避免短路引起火災(zāi)、燒毀或突然停電等事故。

2、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

配電網(wǎng)自動(dòng)化是對(duì)配電網(wǎng)上的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)方實(shí)時(shí)監(jiān)視、協(xié)調(diào)及控制的一個(gè)集成系統(tǒng)，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)在配電網(wǎng)監(jiān)視與控制上的應(yīng)用。銀川市電力局在近幾年開始大力發(fā)展光纖通信網(wǎng)絡(luò)，并以發(fā)展符合現(xiàn)代通信發(fā)展方向的SDH光纖通信網(wǎng)絡(luò)為主，對(duì)于邊遠(yuǎn)站區(qū)則輔之以必要的載波通信方式。按照銀川市局電力通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的規(guī)劃，城區(qū)內(nèi)一般通信點(diǎn)將擁有6個(gè)以上的10M數(shù)字通道，樞紐通信站則更多。整個(gè)城市電力網(wǎng)通訊形成了光纖通信網(wǎng)絡(luò)。

本系統(tǒng)中將無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)融合在現(xiàn)有的國(guó)家電網(wǎng)里，通過現(xiàn)有的電網(wǎng)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程高壓配電柜內(nèi)電纜、觸頭等溫度，其總體架構(gòu)如圖1所示。



3、國(guó)家電網(wǎng)光纖收發(fā)器通信系統(tǒng)

國(guó)家電網(wǎng)通信系統(tǒng)的主站和子站之間的通信，通過使用光纖收發(fā)器直接利用光纖進(jìn)行通信，該通信方式具有較大優(yōu)點(diǎn)，主要是10M/100M的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)不必通過轉(zhuǎn)換（或壓縮），通信速率較高，另外通過這種方式連接各個(gè)子站就象在一個(gè)局域網(wǎng)上一樣，相互之間的訪問更快捷便利，該通信方式使用通信光纜中的一對(duì)光芯。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。



光纖收發(fā)器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。



4、無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)包括分布式的溫度傳感器節(jié)點(diǎn)、無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、國(guó)家電網(wǎng)通信網(wǎng)和監(jiān)測(cè)軟件。溫度傳感器節(jié)點(diǎn)布置在被監(jiān)測(cè)電纜或觸頭處，節(jié)點(diǎn)通過射頻天線將數(shù)據(jù)發(fā)送到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)BS909，BS909網(wǎng)關(guān)通過路由器和國(guó)家電網(wǎng)光纖網(wǎng)融合將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測(cè)中心主機(jī)，傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)如圖4所示。本系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)是將集成ZigBee模塊的溫度傳感器節(jié)點(diǎn)部署在高壓開關(guān)柜內(nèi)，構(gòu)成基于ZigBee技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在半徑約1000m范圍內(nèi)的高壓開關(guān)柜可組成一個(gè)單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)裝備一個(gè)網(wǎng)關(guān)。



4.1、無線通訊協(xié)議

802．15．4標(biāo)準(zhǔn)定義了PHY層和MAC子層，在國(guó)內(nèi)外，大多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品從上層應(yīng)用層開始編寫，直接調(diào)用協(xié)議提供的庫(kù)函數(shù)，與從底層MAC層編寫的協(xié)議相比，效率較低，受到了限制太多，使用不靈活等約束。比如，為了實(shí)現(xiàn)同步，消除授時(shí)時(shí)延誤差，最好在低層（MAC層）打上時(shí)間戳，用來消除發(fā)送節(jié)點(diǎn)的處理延遲和MAC層的訪問延遲。如果在上層應(yīng)用層調(diào)用庫(kù)函數(shù)，就沒有辦法在底層使用時(shí)間戳，從而造成同步精度大幅降低。

本項(xiàng)目無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議遵從802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，從MAC層開始編寫完成。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎眯切突驑湫汀?duì)于簇樹型網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分成多個(gè)簇，由部分節(jié)點(diǎn)組成簇樹的主干和從干（簇頭），其他大部分節(jié)點(diǎn)成為簇樹的葉設(shè)備，葉設(shè)備的數(shù)據(jù)匯集到各自的簇頭，由簇頭多跳傳輸?shù)街行木W(wǎng)關(guān)。傳感器節(jié)點(diǎn)通過場(chǎng)強(qiáng)檢測(cè)和鏈路質(zhì)量監(jiān)聽，加入到最合適的簇，生成固定的路由表和備份路由表。由于本項(xiàng)目專門適合于監(jiān)測(cè)點(diǎn)固定的應(yīng)用，我們的路由協(xié)議僅考慮了節(jié)點(diǎn)失效和新加入節(jié)點(diǎn)的情況，并沒有考慮傳感器節(jié)點(diǎn)頻繁移動(dòng)的拓?fù)渥兓ＷC了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的高效率。

4.2、無線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)

本無線傳感器節(jié)點(diǎn)采用無線SOC片上系統(tǒng)CC2430，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器，溫度傳感器采用DS18b20，其原理圖如圖5所示，節(jié)點(diǎn)外觀如圖6。





4.2.1、溫度傳感器DS18b20

DS18b20是Dallas公司的最新單線數(shù)字溫度傳感器[4]，它的體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)，ds18b20是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念，它的測(cè)量溫度范圍為－55～＋125℃，在－10～＋85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃，現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等，與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持3～5.5v的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便，而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小，ds18b20可以程序設(shè)定9～12位的分辨率，精度為±0.5℃。可以選擇更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍，分辨率設(shè)定及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在e2prom中，掉電后依然保存，ds18b20的性能是新一代產(chǎn)品中最好的，性能價(jià)格比也非常出色，繼“一線總線”的早期產(chǎn)品后，ds18b20開辟了溫度傳感器技術(shù)的新概念，ds18b20和ds18b22使電壓、特性及封裝有更多的選擇，讓我們可以構(gòu)建適合自己的經(jīng)濟(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)。

4.2.2、無線通訊模塊

CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個(gè)8位MCU（8051），具有128KB可編程閃存和8KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、幾個(gè)定時(shí)器（Timer）、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器（Watchdog timer）、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路（Power On Reset）、掉電檢測(cè)電路（Brown out detection），以及21個(gè)可編程I/O引腳。CC2430芯片采用0.18μmCMOS工藝生產(chǎn)；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。

5、在線監(jiān)測(cè)管理軟件

在線監(jiān)測(cè)管理軟件平臺(tái)是一個(gè)先進(jìn)的B/S架構(gòu)的GIS系統(tǒng)。軟件平臺(tái)采用GIS技術(shù)、Web技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高科技技術(shù)手段，基于地理信息系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)管理軟件的設(shè)計(jì)目標(biāo)，以Internet網(wǎng)絡(luò)為依托，建立一個(gè)分布式的信息服務(wù)平臺(tái)，并在網(wǎng)絡(luò)支持下，提供各種監(jiān)測(cè)目標(biāo)位置的標(biāo)注、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的查詢、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、查詢、各種數(shù)據(jù)的多尺度瀏覽、專題統(tǒng)計(jì)制圖等功能。

把地圖和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有機(jī)地結(jié)合起來，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以直觀、互動(dòng)、實(shí)時(shí)、可操作的方式呈現(xiàn)到管理者和使用者面前。大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、調(diào)用、查詢，每一種監(jiān)測(cè)點(diǎn)都有可以準(zhǔn)確定位，自動(dòng)超限報(bào)警，以利監(jiān)察、維護(hù)。監(jiān)測(cè)管理軟件同時(shí)具備強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)報(bào)告功能，以數(shù)據(jù)列表、圖等豐富的形式直接打印監(jiān)測(cè)報(bào)告。整個(gè)軟件操作簡(jiǎn)便，界面友好，功能強(qiáng)大，具有地圖管理功能、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)瀏覽查詢功能、地圖標(biāo)注功能、統(tǒng)計(jì)報(bào)告功能、用戶權(quán)限管理功能等，軟件界面如圖7所示。