基于ZigBee無線通信技術的電力母線溫度監測系統

余游

摘要：隨著電力工業的迅速發展，人們對供電系統的安全性、可靠性要求越來越高。系統中發電廠和變電站的高壓開關柜處于長期高電壓運行過程中，其母線接點、高壓電纜接頭等部位接觸電阻過大而發熱，使相鄰的絕緣部件性能劣化，從而造成絕緣體擊穿事故。因此，在線監測電氣設備運行溫度己成為電力系統安全運行環節中有待解決的重要問題。當電力母線溫度超過允許值時，監測系統須及時發出報警信號提醒工作人員采取措施避免發生事故，由此對人們的財產和生命安全有著重要意義。

關鍵詞：電力 通訊 無線檢測

中圖分類號：F407文獻標識碼： A

引言：高電壓運行過程中由于高壓電會產生強電磁場，對無線電波干擾很大，因此需要選擇適當頻率的無線網絡實施。此外，測溫設備用電池供電，須體積小、易安裝、功耗低、待機時間長。ZigBee無線網絡具備低成本、短時延、免執照頻段、高安全、近距離、低復雜度，低功耗等優點，滿足高壓母線測溫的條件，是解決的良好途徑。

一、系統設計

1. 系統框架

本文提出一種較理想的電力母線實時溫度在線監測方案：以 ZigBee技術為無線傳感器網絡，以太網或高速RS-485網絡為骨干網， CC2430低功耗單片機

為傳感器控制核心，采用一線式數字溫度傳感器DS18B20為溫度采集裝置的高壓母線溫度測量方案。

2. 該無線溫度測量系統由三部分組成：

1）.無線傳感器節點：負責采集監測點的溫度數據，通過ZigBee網絡發送；

2）ZigBee網絡管理器：負責收集無線傳感器節點發出的溫度數據，上傳到測溫主機。

3）.數據管理系統：負責對數據接收終端進行工作參數設定，接收從系統中各個 ZigBee網關終端上傳的測溫數據，并作保存，分析和管理等；

測溫數據可在系統實時數據庫中作長期存儲記錄，供隨時查詢顯示。無線溫度采集器可直接安裝在電力母線上，一個ZigBee網絡管理器能管理多個無線傳感器節點，網絡管理器通過高速骨干網絡傳輸到系統實時數據庫服務器，由監控終端實時顯示數據，溫度變化曲線圖，能打印相關報表，當母線溫度異常時，管理終端通過多種報警方式提醒相關人員采取措施。

4）.無線傳感器節點

無線溫度傳感器節點是該網絡的基本單元，它負責獲取溫度數據和數據的預處理，并將其傳輸到ZigBee網絡管理器。無線溫度傳感器節點由下列部分組成：內部集成符合IEEE802.15.4標準的2.4GHz射頻(RF)收發器的CC2430無線單片機；美國Dallas公司推出的DS18B20單線數字溫度傳感器等。DB18B20直接通過單線與CC2430單片機I/O口連接，不必另增加專門的總線控制器，從而減小無線溫度傳感器節點的體積，以節約硬件成本。其系統結構如圖1所示：

圖1無線溫度傳感器結構

3. ZigBee網絡管理器

在該系統中的ZigBee網絡管理器集成了網絡中網關和協調器的功能，具備至關重要的作用：一方面采用 ZigBee無線網絡方式與無線溫度傳感器節點連接，并且以固定的時間間隔對無線溫度傳感器節點進行測溫以及讀取它的工作參數，同時存入內存，這需要每個終端為所管理的無線溫度傳感器節點設置編號表，以免發生錯亂；另一方面采用或以太網與測溫主機連接，受控于測溫主機的命令而做出一系列的反映，具備接收并存儲傳感器數據、管理相對應的ZigBee子網、傳輸數據給測溫主機、報警功能、設定和修改終端工作參數、工作狀態指示和顯示時鐘等功能。網絡管理器結構如圖2所示：

圖2ZigBee網絡管理器結構

無線溫度傳感器節點的工作參數（發射頻率、發射功率、采樣間隔）可事先通過撥碼開關設置，該節點與ZigBee網絡管理器之間以發送無線數據包的方式通信，其數據格式為：

?開始標志STX(AAH)

?傳感器編號 ID（4Byte）

?溫度數據：溫度數據Temp占2個字節，其最高位（D15）表示正負

?狀態字節：從采集器發往接收終端的狀態字節的含義（D7為故障標志，D6～D0為故障碼，D4～D3為采樣間隔，D2為發射功率，D1D0為電池電量）

?校驗碼 CRC8（1Byte）

?結束標志 ETX（55H）

二、關鍵技術設計

1. 系統網絡設計

發電廠和變電站的高壓開關柜中的電力母線眾多，網絡傳感器需大量分布，具備監控數據量大及實時性好的特點。ZigBee網絡采用片狀結構和網狀網絡結構，可組成 65000個節點的大網絡，能滿足網絡傳感器節點的需求。但ZigBee協調器（主節點）與 ZigBee路由、ZigBee網關之間的線路傳輸數據量大，速率最高僅為250kbps，無法滿足該系統的要求；并且ZigBee網絡采用CSMA／CA的媒質訪問控制機制、確認幀的應答方式和CRC-16 ITU的校驗機制，所有節點在一個網絡中的沖突域很大，影響傳輸效果。

為提高骨干網的傳輸效率，減小無線網絡傳輸信號碰撞，縮短延時時間，更利于提高數據傳輸效率，方便系統管理與維護，在設計該系統時對做了以下改進：

將整個無線傳感器網絡分成多個子網，引入蜂窩網絡結構，每個六邊型區域構建一個ZigBee網絡（如圖 3所示），相鄰區域使用不同的頻率，不相鄰區域使用相同的頻率。

圖3蜂窩網絡結構（小區制）

2.可靠性設計

系統中溫度傳感器節點與ZigBee網絡管理器間的數據通信在無線傳輸過程中，由于受傳輸距離、現場狀況等諸多因素的影響，傳感器節點與ZigBee網絡管理器之間通信常會發生無法預測的錯誤。因此，在設計ZigBee通信協議棧時需從以下幾點考慮數據傳輸的可靠性：

1)在物理層對發送數據進行CRC校驗以保證傳輸的正確性。

MAC層數據通信采用GTS模式，保證ZigBee無線網絡中數據通信的可靠性。

傳輸層提供可靠傳輸服務，要求接收方響應確認幀。

2)傳感器節點調用ZigBee協議棧應用層數據服務接口，便將溫度數據傳輸到 ZigBee網絡管理器。

ZigBee網絡管理器和監視中心主機之間的數據通信是基于以太網或RS-485網絡，采用 AX88796以太網控制器（或工業級 MAX485）芯片實現數據傳輸，各種機制和算法保證了數據可靠傳輸。無線溫度傳感器節點和ZigBee網絡管理器設置的有“看門狗”軟件，硬件電路作了抗干擾設計。系統數據庫采用穩定可靠的實時數據庫Infoplus，管理終端與服務器分開，保證系統穩定可靠運行。

3.節點低功耗設計

在電力母線溫度監測系統中，傳感器節點安裝后需長時間的持續工作，除了選擇高能量電池，更應重點考慮節點的節能問題。若要降低溫度采集器的能耗，須選擇低功耗芯片，以減少芯片的工作時間。采用內部集成符合IEEE802.15.4標準2.4GHz射頻 (RF)收發器的CC2430無線單片機和數字溫度傳感器DB18B20芯片，能滿足傳感器網絡對低功耗的要求；CPU以最快速度執行任務，然后進入休眠模式，通過中斷喚醒單片機和射頻收發器。在設計ZigBee通信協議棧時，各層均實施節能機制，降低節點能耗，降低信號發射功率。MAC層數據通信采用GTS模式，在保證時隙內發送數據，其它時隙進入休眠模式。芯片還采用CSMA-CA技術來避免數據發送時的競爭和沖突，減少了不必要的能量消耗。經上述節能措施，再選用高能量電池，可極大增加無線溫度傳感器的工作時間。

結束語 ：

無線溫度傳感器網絡以ZigBee網絡通信為核心，結合蜂窩網絡結構和高速局域網的優點,減少信號碰撞，增強系統骨干網傳輸能力；采用低成本、低功耗的CC2430無線單片機和數字溫度傳感器獲取數據，實現了高壓測溫一次設備和二次監測設備的電隔離、保證系統的安全可靠性；實現了高壓母線溫度監測數據的自動化測量，很好解決了高壓環境下，母線溫度實時監測的問題

參考文獻：

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