基于ZigBee的高压带电体温度监测系统研究

    王云飞

    摘要：针对高压带电体运转时经常出现温度过高等问题，文章提出了基于ZigBee的高压带电体温度在线监测系统，主要介绍了温度在线监测系统的基本原理。多次测试结果表明，温度在线监测系统丢包率和误包率小，稳定性和安全性好，测试结果准确度高，具有一定的推广价值。

    关键词：高压带电体；ZigBee技术；传感器；监测

    1引言

    电力系统高压电缆接头由于接触不良等原因，在满负荷负载电流通过时会造成温升过高、局部过热情况。据报道，国内外都发生过多起因为高压电缆接头接触不良而导致的短路、停电等事故，给公司带来了巨大损失和严重影响了人民的正常生活。

    针对高压电缆接头接触不良而导致的短路、停电等问题，本文提出了基于ZigBee的高压带电体温度在线监测系统，主要介绍了温度在线监测系统的基本原理，以保证电力系统可靠与安全运行。

    2ZigBee技术简介

    ZigBee是一种短距离无线传感网络通信技术，它可工作在2.46Hz（全球）频段上，具有最高250kbit/s的传输速率；也可工作在915MHz（美国）频段上，达到最高40kbit/s的传输速率；还可以工作在868Ntz（欧洲）频段上，具备最高20kbit/s的传输速率。它的基本传输距离在一般在75m的范围内，但可以无限扩展。作为一种无线通信技术，ZigBee具有低功耗、成本低、网络容量大、时延短以及安全可靠的特点。ZigBee采用无线局域网（WLAN）中802.11系列标准的载波监听多路访问/冲突防止（CSMA/CA）协议，有效地避免了无线电载波之间的冲突，保证了数据传输的可靠性。ZigBee设备可以无线自动组网，响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms。ZigBee模块使用两节五号电池可实现长达6个月到2年的工作时间。

    3系统的总体设计

    高压带电体温度在线监测系统主要由终端节点、3G无线传输模块和远程监测中心组成。终端采集节点连接有常用的温度传感器DS18B20，挂接在高压电缆上，温度传感器DS18B20直接安装在变电站高压电缆接点处，利用直接接触测温方式采集接头温度，获得的温度数据通过ZigBee终端节点传输到ZigBee路由器和ZigBee协调器，协调器通过串口与3G无线传输模块连接，远程传输到监测中心。

    远程监测中心对接收到的温度数据的进行分析处理，将处理后的数据根据需要存储到SQL数据库中，当温度超过预先设定的温度极限值时，发出报警信息，提醒值班人员紧急处理，以保证电力系统安全运行。

    4硬件设计

    终端采集节点由传感器采集模块、ZigBee无线通信模块以及电源模块组成。传感器采集模块采用1-Wire总线技术的DS18B20温度传感器。ZigBee无线传输模块采用CC2430芯片，Chipcon公司的CC2530是用于频率为2.4Ghz的IEEE802.15.4、zigbee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（System on Chip，简称SoC）解决方案。在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。它使用一个8位MCU（8051），具有128KB可编程内存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器（ADC）、几个定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I/O引脚。CC2530芯片采用0.18μmCMOS工艺生产，在接收和发射模式下，电流损耗分别低于25mA或27mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

    3G无线通信模块采用的是华为公司生产的MU509（UMTS/HSDPA 2100NHz GSM/GPRS/EDGE 850/900/1800/1900MHz）通讯模块，是双频WCDMAA工业级无线模块，支持3.6Mbps下行速率；提供高质量的语音、短信功能，FOTA功能，内置TCP/IP协议栈，以及华为扩展AT命令集。工作电压范围为3.3V到4.2V，MU509有8个wire UART。采用标准RS232串行接口，支持语音数据以及短消息（SMS）的接收、发送以及对短信的管理，支持TCP/IP，UDP/IP，PPP protocol通信协议。嵌入式ARM微处理器可以借助3G无线通信模块强大的数据传输功能实时地进行信息处理。

    5软件设计

    软件设计在德州TI公司研发的IAR Zstack-CC2530-2.5.1环境下进行编译，协议栈是协议和用户之间的一个接口，开发人员通过使用协议栈来使用这个协议的，进而实现无线数据收发。

    包括终端节点、路由器协调器、以及3G无线通信模块程序的设计，终端节点采集温度数据，路由器进行数据的转发和分组，协调器主要进行组网。3G无线通信模块在Red Hat Linux下，进行交叉编译，使用AT指令进行拨号上网。通过Linux环境下socket函数建立的TCP/IP传输控制协议通道，通道能够实现各模块之间通信，通过AT指令设置，完成3G无线通信模块的初始化，AT IPR=38400设置3G模块的波特率为38400b/s，AT CGD CON=1，“IP”，“CMNET”命令符进行3G网络链接，链接成功之后，则将温度数据发送到远程监测中心。

    6测试结果与分析

    通过对某220kV变电站高压电缆接头的温度进行实时在线监测，可以得到每隔5分钟采集一次的温度数据。观测其数据的变化，根据该220kV变电站实际的运行规律，设定温度最高报警阈值，如果监测的温度大于报警阈值，则发生警报。通过分析数据可以看出，数据上下波动较稳定，且小于报警阈值，没有出现任何异常泄露，220kV变电站运行良好。

    7结语

    基于ZigBee的高压带电体温度在线监测系统可以及时监测到高压带电体的温度等数据，在远程监测中心对数据进行处理和分析，如果监测到温度数据值超过了设定的最大温度值时，发出报警信息，以确保电力系统的安全运行和调度。多次在现场测试实验中，ZigBee终端节点、路由节点以及协调器节点展现了良好的数据、稳定传输能力，对所测得的温度数据可以准确无误的传输，可以满足变电站自动化通信系统的要求，实现了无线化，克服了变电站布线难、高温易损坏，成本高的缺点，具有很高的应用价值。