摘 要： 高壓開(kāi)關(guān)作為電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，其穩(wěn)定運(yùn)行是保障電力網(wǎng)正常工作的必要條件?；?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/ZigBee" title="ZigBee" target="_blank">ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了高壓開(kāi)關(guān)觸頭溫度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)、高壓自具電源、PC監(jiān)測(cè)軟件。系統(tǒng)具有組網(wǎng)靈活、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、低功耗、網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點(diǎn)。
　　關(guān)鍵詞： 高壓開(kāi)關(guān)； 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)； ZigBee； 測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)； 自具電源

 　　電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行是電力系統(tǒng)控制的根本目標(biāo)和進(jìn)行電力市場(chǎng)交易的重要保障^[1]。高壓開(kāi)關(guān)柜是電力系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的電氣設(shè)備，由于長(zhǎng)期在高電壓、大電流和滿(mǎn)負(fù)荷的條件下運(yùn)行，開(kāi)關(guān)柜中的母線(xiàn)接點(diǎn)、高壓電纜接頭等部位容易因接觸電阻過(guò)大或老化而發(fā)熱，使相鄰的絕緣部件性能劣化，大大縮短高壓開(kāi)關(guān)的使用壽命，甚至導(dǎo)致?lián)舸龤Ф斐墒鹿?，影響整個(gè)電力系統(tǒng)的正常工作。因此，其可靠性越來(lái)越多地受到人們的關(guān)注。由于高壓電氣設(shè)備一般都處于高電壓、大電流和強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境中，在實(shí)際監(jiān)控中，必須要求監(jiān)控對(duì)象與監(jiān)測(cè)儀器之間進(jìn)行電壓隔離，其測(cè)試信號(hào)的有效傳輸也是一直比較難以解決的問(wèn)題。目前，母線(xiàn)溫度檢測(cè)主要有4種方案：采用色片^[2]、熱紅外檢測(cè)技術(shù)^[3]、光纖測(cè)溫技術(shù)^[4]、無(wú)線(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)^[5]。本文結(jié)合高壓開(kāi)關(guān)柜的實(shí)際要求，充分利用和發(fā)揮ZigBee[6]低功耗、強(qiáng)抗干擾、容量大等優(yōu)勢(shì)，采用基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)提出對(duì)高壓開(kāi)關(guān)觸頭溫度進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的方案。無(wú)線(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)進(jìn)行高壓隔離和信號(hào)傳輸，利用其固有的絕緣性和抗電磁場(chǎng)干擾性能，較好地解決了高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)觸頭運(yùn)行溫度不易監(jiān)測(cè)的難題。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.1 系統(tǒng)功能
　　(1)終端測(cè)溫節(jié)點(diǎn)測(cè)量范圍不小于-40 ℃～+120 ℃，測(cè)量精度大于0.5 ℃。
　　(2)主機(jī)最多可監(jiān)測(cè)32個(gè)測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以容納多于32個(gè)開(kāi)關(guān)柜，每個(gè)開(kāi)關(guān)柜可以配置9個(gè)終端測(cè)溫節(jié)點(diǎn)。這樣整個(gè)系統(tǒng)總的測(cè)試點(diǎn)個(gè)數(shù)可達(dá)32×32×9=9 216個(gè)。
　　(3)每個(gè)開(kāi)關(guān)柜配置一個(gè)柜內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)裝置，裝在開(kāi)關(guān)柜的門(mén)上，通過(guò)接收測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示開(kāi)關(guān)柜觸頭和母線(xiàn)溫度，并能夠通過(guò)該裝置對(duì)預(yù)警溫度和報(bào)警溫度進(jìn)行設(shè)置。并能通過(guò)指示燈和蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。
　　(4)由高壓自具電源給終端測(cè)溫節(jié)點(diǎn)供電，能在開(kāi)關(guān)工作電流40～4 000 A范圍內(nèi)可靠工作，能承受在500 ms內(nèi)40 000 A電流的沖擊。
1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
　　如圖1所示，整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分3個(gè)部分：ZigBee無(wú)線(xiàn)測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)、高壓自具電源和監(jiān)測(cè)PC。

　　ZigBee無(wú)線(xiàn)測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)主要包括：測(cè)溫終端(終端節(jié)點(diǎn))、開(kāi)關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測(cè)裝置(包括路由器和顯示模塊)、溫度收集裝置(協(xié)調(diào)器)。測(cè)溫終端主要由ZigBee芯片和溫度傳感器構(gòu)成。開(kāi)關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測(cè)裝置主要由ZigBee芯片實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)顯示等其他任務(wù)。溫度收集裝置和開(kāi)關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測(cè)裝置采用相同的硬件，只是軟件上有些不同，它在網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)協(xié)調(diào)器的角色，并實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信。ZigBee無(wú)線(xiàn)測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有更好的可靠性和容錯(cuò)能力。
1.3 系統(tǒng)工作原理
　　高壓開(kāi)關(guān)閉合工作時(shí)，高壓自具電源從母線(xiàn)取得能量，經(jīng)一系列整流、濾波、穩(wěn)壓處理，得到3.3 V電源，并為ZigBee測(cè)溫終端節(jié)點(diǎn)供電。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)根據(jù)設(shè)定的測(cè)溫頻率進(jìn)行測(cè)溫，這里設(shè)定為每1 s一次，并把數(shù)據(jù)傳給開(kāi)關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測(cè)裝置(路由器)，也可以是其他開(kāi)關(guān)柜的柜內(nèi)監(jiān)測(cè)裝置。路由器再把溫度信息傳給溫度收集模塊(協(xié)調(diào)器)，同時(shí)也在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測(cè)裝置上顯示本開(kāi)關(guān)柜的9個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度信息。協(xié)調(diào)器再把收集到的溫度信息通過(guò)RS485發(fā)給監(jiān)測(cè)PC機(jī)，用于顯示和存檔。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 ZigBee測(cè)溫節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
　　ZigBee測(cè)溫節(jié)點(diǎn)主要由CC2430和DS18B20以及一些輔助電路組成。DS18B20實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，CC2430實(shí)現(xiàn)溫度讀取和無(wú)線(xiàn)通信。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中承擔(dān)終端節(jié)點(diǎn)的角色?；贑C2430測(cè)溫節(jié)點(diǎn)原理圖如圖2所示。

2.2 開(kāi)關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì)
　　對(duì)于開(kāi)關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測(cè)裝置，主控制芯片的選擇是最重要的。要求抗干擾能力強(qiáng)、通用性強(qiáng)、管腳足夠多、價(jià)格低廉。這里選用Cygnal公司的C8051F020微處理器；采用MAX485芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換；選用128×64帶字庫(kù)的點(diǎn)陣LCD；采用DS1302作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘；無(wú)線(xiàn)模塊和測(cè)溫節(jié)點(diǎn)相同，但在系統(tǒng)中它承擔(dān)路由器的角色。作為高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測(cè)裝置，其本身是一個(gè)比較完整的系統(tǒng)，其原理框圖如圖3所示。

2.3 溫度收集裝置硬件設(shè)計(jì)
　　它采用和開(kāi)關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測(cè)裝置一樣的硬件平臺(tái)，但在系統(tǒng)中承擔(dān)協(xié)調(diào)器的角色。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 ZigBee測(cè)溫節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
　　測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)部分：溫度數(shù)據(jù)的采集、溫度數(shù)據(jù)的發(fā)送和低功耗的實(shí)現(xiàn)。其中溫度數(shù)據(jù)發(fā)送采用TI公司開(kāi)發(fā)的Z-Stack1.4.1協(xié)議棧，具體的參數(shù)配置如表1所示，在節(jié)點(diǎn)類(lèi)型上選擇終端節(jié)點(diǎn)。在低功耗實(shí)現(xiàn)上采用低功耗P2模式。經(jīng)過(guò)測(cè)量和計(jì)算得到在每1 s采集一次溫度的情況下，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的功耗為3.575 4 mAh/d。

3.2 開(kāi)關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)
　　開(kāi)關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測(cè)裝置軟件主要實(shí)現(xiàn)與測(cè)溫節(jié)點(diǎn)交互信息，并把接收到的觸頭和母線(xiàn)溫度信息顯示在LCD上，接收鍵盤(pán)輸入的設(shè)置信息，在觸頭和母線(xiàn)溫度超過(guò)預(yù)警或報(bào)警值時(shí)采取聲光報(bào)警。從ZigBee網(wǎng)絡(luò)的角度，它被配置成路由器類(lèi)型。其軟件基本流程如圖4所示。

　　把系統(tǒng)分解成若干個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的子任務(wù)，并把CPU時(shí)間分成若干個(gè)小的時(shí)間片，每個(gè)任務(wù)必需在指定的時(shí)間片段內(nèi)完成。這里把系統(tǒng)需完成的功能分解為3個(gè)子任務(wù)：響應(yīng)鍵盤(pán)輸入、刷新顯示輸出、串口發(fā)送。
3.3 溫度收集裝置軟件設(shè)計(jì)
　　溫度收集裝置軟件和開(kāi)關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測(cè)裝置軟件相似，最大的不同是其無(wú)線(xiàn)模塊配置成協(xié)調(diào)器類(lèi)型，這里就不再介紹了。
3.4 PC監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)
　　PC監(jiān)測(cè)軟件主要功能是通過(guò)RS485與開(kāi)關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行通信，讀取ZigBee測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，獲得ZigBee無(wú)線(xiàn)測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 用于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)通信狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和設(shè)備故障的診斷，保存歷史數(shù)據(jù)，顯示開(kāi)關(guān)觸頭溫度信息，給開(kāi)關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測(cè)裝置校時(shí)等功能。其軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4 高壓自具電源設(shè)計(jì)
　　高壓自具電源通過(guò)電磁感應(yīng)原理，把高壓大電流側(cè)能量的很小一部分傳遞給ZigBee無(wú)線(xiàn)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)。需要經(jīng)過(guò)能量控制、整流、濾波、穩(wěn)壓等一系列措施，其原理圖如圖6所示。

　　由于高壓側(cè)的電流波動(dòng)范圍很大，工作范圍在0～4 000 A，發(fā)生短路時(shí)的電流達(dá)到40 000 A，這給自具電源的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大難度。因此需要考慮多方面的因素：設(shè)計(jì)合理的電流互感器(鐵心材料、鐵心尺寸、線(xiàn)圈匝數(shù)等)，設(shè)計(jì)合理的整流穩(wěn)壓模塊(耐壓和能量釋放等)以及降低測(cè)溫節(jié)點(diǎn)功耗(硬件和軟件設(shè)計(jì))。整流穩(wěn)壓模塊的原理圖如圖7所示。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試
　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)完后還需要進(jìn)行三類(lèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試：高壓側(cè)小電流實(shí)驗(yàn)、高壓側(cè)額定電流實(shí)驗(yàn)和高壓側(cè)短路電流實(shí)驗(yàn)，從而驗(yàn)證系統(tǒng)在40～4 000 A的情況下能否可靠運(yùn)行，并且能耐40 000 A短路電流沖擊。根據(jù)實(shí)際安裝尺寸的需要，并對(duì)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(zhǎng)度、不同線(xiàn)圈匝數(shù)，選擇了規(guī)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(xiàn)圈。
　　(1)高壓側(cè)小電流實(shí)驗(yàn)
　　給一次側(cè)通入電流，直到測(cè)溫節(jié)點(diǎn)能正常工作，記錄最小一次側(cè)電流。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在10.8 A時(shí)，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)就能正常工作。再增大一次側(cè)電流，達(dá)到11.5 A時(shí)，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)穩(wěn)壓模塊輸出穩(wěn)定在3.3 V左右，即其穩(wěn)定工作電流也小于40 A，符合設(shè)計(jì)的要求。
　　(2)高壓側(cè)額定電流實(shí)驗(yàn)
給高壓側(cè)通入7 000 A電流，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)還能安全工作，從實(shí)際測(cè)量可以看出在一次側(cè)通入大電流以后，整流穩(wěn)壓電路輸出的電壓基本穩(wěn)定在3.3 V，波動(dòng)在0~0.08 V范圍內(nèi)，可以知道在高壓側(cè)電流為4 000 A時(shí)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。
　　(3)高壓側(cè)短路電流實(shí)驗(yàn)
　　對(duì)于40 000 A的高壓側(cè)短路沖擊電流實(shí)驗(yàn)，由于設(shè)備條件所致，無(wú)法進(jìn)行一比一的實(shí)驗(yàn)。采用等效實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)其進(jìn)行研究。在高壓側(cè)通入正弦電流時(shí)：
　　

　　式中，I為電流幅值，ω為角頻率。可以看出在高壓側(cè)電流不變情況下，ε和線(xiàn)圈匝數(shù)平方成正比。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在高壓側(cè)通入7 000 A電流時(shí)，溫度測(cè)量裝置能穩(wěn)定工作。實(shí)際中由于電力系統(tǒng)負(fù)載短路造成高壓開(kāi)關(guān)工作在大電流情況的時(shí)間很短，只有幾十毫秒，實(shí)驗(yàn)中高壓電源工作在接近50 kA的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)載短路的時(shí)間。這就說(shuō)明了高壓自具電源在高壓側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)能可靠工作。
　　高壓開(kāi)關(guān)作為電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，其安全可靠運(yùn)行是保證電力網(wǎng)健康工作的必要前提。本文采用基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)溫技術(shù)對(duì)高壓開(kāi)關(guān)觸頭溫度進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，具有組網(wǎng)靈活、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、低功耗、網(wǎng)絡(luò)容量大(能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)9 216個(gè)觸頭溫度)等優(yōu)點(diǎn)。在給無(wú)線(xiàn)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)供電上采用高壓自具電源，能夠在很寬的電流范圍內(nèi)可靠工作。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓開(kāi)關(guān)柜的健康狀況，為開(kāi)關(guān)柜的提前維護(hù)提供了依據(jù)，有效保障了電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

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