ZigBee在电力系统温度测量中的应用

1引言
随着现代电力系统向着高电压、大机组、大容量的迅速发展，对供电可靠性的要求也越来越高。发电厂、变电站的高压开关柜是重要的电气设备。在设备长期运行过程中，开关柜中的母线接点、高压电缆接头等部位因老化或接触电阻过大而发热，使相邻的绝缘部件性能劣化，甚至击穿而造成事故。据统计，电力系统发生事故原因中有相当一部分与发热问题有关。因此，电气设备温度在线监测问题己经成为电力系统中电气设备安全运行所急需解决的实际问题，是提高电气设备可靠性的迫切需要，对保障电力系统安全稳定运行具有十分重要的意义，必须采取有效措施监控母线温度。当温升超过允许值时，必须发出报警信号及时提醒有关人员采取措施，避免事故的发生。
由于开关柜中的母线处于高压电位，每相对地和不同相之间都存在很高的电压，且结构狭小，无法进行人工巡查测温，所以直接检测高压母线温度一直是电力系统检测中的一个难题。现有的测温系统根据数据传输方式有三类：普通电缆，光纤和无线传输。对于电力母线接点、高压电缆接头等，网点数多，电压高，电磁干扰强。普通电缆显然是不行的。光纤式温度在线监测装置，一般是采用光纤传导信号，不受高压和环境的干扰。缺点是光纤具有易折、易断、不耐高温的特点，并且布线难度较大，比较昂贵。基于这些可以使用无线传输，高压电会产生很强的电磁场，对无线电波干扰很大，需要选择适当频率的无线网络，另外测温设备要用电池供电，测温设备必须低功耗，工作时间长。体积小，易安装。尽管国内外已经研究了多种方案来监测母线温度，但均有一定的局限性和不足。Zigbee无线网络的低成本、短时延、免执照频段、高安全、近距离、低复杂度，低功耗等优点，满足高压母线测温的条件，是解决的良好途径。2 ZigBee技术
1999年，蓝牙热潮席卷全球，然而发展数年，一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。
IEEE无线个人区域网（PAN）工作组的 IEEE802.15.4技术标准是 ZigBee技术的基础。 IEEE802.15.4满足国际标准组织（ ISO）开放系统互连（OSI）参考模式。它定义了单一的 MAC层和多样的物理层（如图 1所示）。802.15.4标准旨在为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在 10-75米的低速连接， IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是 2.4GHz物理层和 868/915GHz物理层[2]。2.4GHz波段为全球统一的无需申请的 ISM频段，有助于 ZigBee设备的推广和生产成本的降低。 2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供 250kbps的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

3 系统设计
3.1 系统框架
本文提出一种比较理想的母线测温方案：以 Zigbee为无线传感器网络，以太网（或高速 RS-485）为骨干网， CC2430低功耗单片机为传感器控制核心，采用一线式数字温度传感器 DS18B20为温度采集装置的高压母线温度测量方案，系统框架如图 2。

无线温度测量系统由三部分组成，如图 2系统框架图所示：
(1) 无线传感器节点：负责采集监测点的温度数据，并把数据通过 ZigBee网络发送。
(2) ZigBee网络管理器（区域数据传输中心）：负责收集无线传感器节点发出的温度数据，并把所收集的数据上传到测温主机。
(3) 数据管理系统：负责对数据接收终端进行工作参数设定，接收从系统中各个 ZigBee网关终端上传的测温数据，并对数据保存，分析和管理等；测温数据可在系统实时数据库中作长期存储记录，供随时查询显示。

无线温度采集器直接安装在母线上，一个 ZigBee网络管理器能管理多个无线传感器节点，网络管理器通过高速骨干网络传输到系统实时数据库服务器，由监控终端实时显示数据，温度变化曲线图，能打印相关报表，当母线温度异常时，管理终端通过多种报警方式提醒相关人员采取措施。
3.2 无线传感器节点
无线温度传感器节点是该网络的基本单元，它负责获取温度数据和数据的预处理，并将之传输到ZigBee网络管理器。无线温度传感器节点由下列部分组成：内部集成符合 IEEE802.15.4标准的2.4GHz的射频(RF)收发器的CC2430无线单片机 [3]；美国Dallas公司推出的DS18B20单线数字温度传感器等。DB18B20直接通过单线与CC2430单片机I/O口连接，不必另外增加专门的总线控制器，减少硬件成本。减小了无线温度传感器节点的体积。系统结构图如图3 CC2430无线温度传感器结构。

3.3 ZigBee网络管理器
在该系统中的ZigBee网络管理器集成了 ZigBee网络中的网关和协调器的功能，具备至关重要的作用，一方面采用 ZigBee无线网络方式与无线温度传感器节点连接，并且以固定的时间间隔对无线温度传感器节点进行测温以及读取它的工作参数，同时存入内存，这就需要每个终端为所管理的无线温度传感器节点设置编号表，以免发生错乱；另一方面采用或以太网（或RS-485总线）与测温主机连接，受控于测温主机的命令而做出一系列的反映。具体功能有：接收并存储传感器数据；管理所管辖的 ZigBee子网；报警功能；传输数据给测温主机；设定和修改终端工作参数；工作状态指示；时钟和看门狗功能。结构如图4所示：