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1 引言 發(fā)電廠(chǎng)、變電站的高壓開(kāi)關(guān)柜內的母線(xiàn)接頭和室外刀閘開(kāi)關(guān)等重要設備，在長(cháng)期運行過(guò)程中，因老化或接觸電阻過(guò)大而發(fā)熱。由于這些發(fā)熱部位的溫濕度沒(méi)有得到及時(shí)有效的監測，往往導致火災和大面積停電等事故的發(fā)生。實(shí)現母線(xiàn)接頭和刀閘開(kāi)關(guān)等關(guān)鍵部位的溫濕度實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測，防止開(kāi)關(guān)過(guò)熱，可以顯著(zhù)地減少此類(lèi)事故的發(fā)生。在工程實(shí)踐中，高壓大電流設備內的接頭部位都具有裸露高壓，因此這些部位的溫濕度很難監測，通常的溫濕度測量方法因無(wú)法解決高壓絕緣問(wèn)題而不能使用。 目前，高壓大電流設備內的母線(xiàn)接頭部位溫濕度監測的方法主要有紅外測量、光纖測量和無(wú)線(xiàn)測量。光纖測量技術(shù)采用光導纖維傳輸溫濕度信號，光導纖維具有優(yōu)異的絕緣性能，能夠隔離開(kāi)關(guān)柜內的高壓，因此能夠準確測量高壓觸點(diǎn)的運行溫濕度，實(shí)現高壓開(kāi)關(guān)柜內觸點(diǎn)運行溫濕度的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測。然而，用于隔離高壓的光纖表面可能受到污染，導致光纖表面放電，以及安裝布線(xiàn)煩瑣，大大降低了光纖測量系統的可靠性和使用范圍。紅外測量為非接觸式測量方法，沒(méi)有高壓絕緣問(wèn)題。但它容易受環(huán)境及周?chē)姶艌?chǎng)的干擾，測量精度低，自動(dòng)化程度低，往往需要人工定期到高壓大電流現場(chǎng)測試，效率低，風(fēng)險大。另外，開(kāi)關(guān)柜內的空間非常狹小，時(shí)常無(wú)法安裝紅外測量探頭(因為探頭必須與被測物體保持一定的安全距離，并需要正對被測物體的表面)。 無(wú)線(xiàn)溫濕度監測系統采用無(wú)線(xiàn)電波進(jìn)行信號傳輸，帶有傳感器的測試模塊安裝在高壓設備表面，與接收設備之間無(wú)電氣聯(lián)系，從根本上解決了高壓絕緣問(wèn)題，測量精度高，并且安裝方便，不受開(kāi)關(guān)柜體結構的限制，是監測高壓開(kāi)關(guān)柜溫濕度的理想解決方案。本文提出的高壓開(kāi)關(guān)柜溫濕度監測系統就是基于 ZigBee這一新興的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。 2 高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)溫濕度監測系統的實(shí)現 ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低數據速率、低功耗、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，其數據傳輸速率在10～250 kb／s之間，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)之間的單跳距離為10～75 m，射頻發(fā)射功率低，再加上處理器支持多種休眠模式。一節普通容量的鋰電池能保證網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)正常工作1～3年，成本低，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)容量大，具有自組網(wǎng)，自動(dòng)路由和自愈功能，且工作在2.4 GHz的免執照頻段。它是實(shí)現高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)溫濕度監測系統的理想解決方案。 2.1 硬件設計 本文提出的高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)溫濕度監測系統的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的硬件設計基于TI公司推出的符合ZigBee技術(shù)標準的CC2430芯片。射頻部分的原理圖設計在典型電路的基礎上做了少量修改�？紤]到系統工作在高壓大電流環(huán)境，為避免引起尖端高壓放電，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)采用印刷電路板天線(xiàn)或者陶瓷天線(xiàn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò )包括協(xié)調器、路由器和終端節點(diǎn)3種網(wǎng)絡(luò )設備。終端節點(diǎn)帶有溫濕度傳感器，是主要的感測節點(diǎn)，放置在高壓開(kāi)關(guān)柜內。開(kāi)關(guān)柜內往往不允許布置額外的電纜，同時(shí)終端節點(diǎn)支持休眠模式，因此采用電池供電。協(xié)調器和路由器節點(diǎn)因為需要給其他網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)提供路由傳遞數據報功能，因此采用市電供電，使協(xié)調器和路由器節點(diǎn)永遠處于工作狀態(tài)。 系統的溫濕度檢測采用瑞士SENSIRION公司推出的基于CMOSens技術(shù)的新型數字式溫濕度傳感器SHT71。它是一款將溫濕度傳感器、信號放大調整器、模／數轉換器和總線(xiàn)接口全部集成在一個(gè)芯片上的單片全校準數字輸出傳感器，可以提供-40～120范圍內分辨率為14 b的溫度測量以及0～100％范圍內分辨率為12 b的濕度測量。SHT71采用串行接口與微處理器相連，它的串行時(shí)鐘輸入線(xiàn)SCK和串行數據線(xiàn)DATA直接與微處理器CC2430的通用／輸出口線(xiàn)相連，電路原理圖如圖1所示。串行時(shí)鐘輸入線(xiàn)SCK與微處理器保持通信同步，串行數據線(xiàn)DATA收發(fā)通信協(xié)議命令和數據。其控制流程如下：微處理器用1組“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序表示數據傳輸的初始化，接著(zhù)發(fā)送1組測量命令后，釋放DATA數據線(xiàn)，等待SHT71下拉DATA數據線(xiàn)至低電平，表示測量結束，微處理器讀出測量值后，可根據式(1)、式(2)計算出相對濕度和溫度值： 式(1)是相對濕度的計算公式，是微處理器讀到的濕度值，參數的值如表1所示。 式(2)是溫度的計算公式，是微處理器讀到的溫度值，參數的值如表2所示。 2.2 軟件設計 軟件設計基于T1公司推出的ZigBee協(xié)議棧的最新版本Z-Stack 1.4.2。ZigBee網(wǎng)絡(luò )設備根據功能的不同可以分為協(xié)調器、路由器和終端節點(diǎn)。終端節點(diǎn)申請加入網(wǎng)絡(luò )，成為協(xié)調器或者路由器的子節點(diǎn)后，可以主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò )中的任何節點(diǎn)發(fā)送數據報，也可以詢(xún)問(wèn)它的父節點(diǎn)是否有發(fā)送給它的數據報并接收。路由器包含終端節點(diǎn)的所有功能，此外還可以作為父節點(diǎn)允許其他節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )，給網(wǎng)絡(luò )中的其他節點(diǎn)路由轉發(fā)數據報，對邏輯網(wǎng)絡(luò )地址進(jìn)行分配，維護鄰居設備表等。協(xié)調器除了包含路由器的所有功能外，還包括創(chuàng )建一個(gè)新網(wǎng)絡(luò )的功能。新建網(wǎng)絡(luò )的流程如圖2所示。 協(xié)調器通過(guò)NLME-NETWORK-FORMA-TION.request原語(yǔ)來(lái)啟動(dòng)一個(gè)新網(wǎng)絡(luò )的建立過(guò)程。然后網(wǎng)絡(luò )層請求MAC層對協(xié)議所規定的信道或由物理層所默認的有效信道進(jìn)行能量檢測掃描，以檢測可能的干擾。網(wǎng)絡(luò )層收到成功的能量檢測掃描結果后，以遞增的方式對所測量的能量值進(jìn)行排序，并舍棄那些能量值超出許可范圍的信道。如果網(wǎng)絡(luò )層找到了合適的信道，則為新建的網(wǎng)絡(luò )選擇一個(gè)PAN標識符，接著(zhù)選擇0x0000作為協(xié)調器的網(wǎng)絡(luò )地址。當網(wǎng)絡(luò )層選定網(wǎng)絡(luò )地址后，通過(guò)向MAC層發(fā)送MLME-START.request原語(yǔ)完成ZigBee網(wǎng)絡(luò )的創(chuàng )建過(guò)程。ZigBee網(wǎng)絡(luò )支持星型網(wǎng)、簇狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)3種網(wǎng)絡(luò )結構，其中網(wǎng)狀網(wǎng)的任意兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)之間都可以進(jìn)行通信，發(fā)送數據報的流程如圖3所示。 2.3 低功耗設計 由于高壓開(kāi)關(guān)柜內是一種高電壓、大電流的環(huán)境，而且一旦開(kāi)始工作不能輕易停止，因此終端節點(diǎn)的低功耗特性，也就是一節普通鋰電池能夠維持終端節點(diǎn)正常工作的時(shí)間長(cháng)短是決定整個(gè)方案成敗的關(guān)鍵。TI公司的ZigBee解決方案從硬件和軟件上保證ZigBee終端節點(diǎn)具有良好的低功耗特性。 ZigBee芯片CC2430是真正意義上的系統單芯片，在單一硅片上集成了處理器內核、射頻收發(fā)器和各種外設，根據工作頻率的不同以及外設是否處于工作狀態(tài)，CC2430可以工作在PM0，PM1，PM2和PM3四種低功耗模式，流耗依次降低，工作在PM3模式下時(shí)，流耗最低可達0.6 A。Z-Stack協(xié)議棧也對低功耗做了很好的支持。ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的終端節點(diǎn)不具備路由功能，處于空閑狀態(tài)時(shí)，它的射頻部分可以關(guān)閉，微處理器可以工作在低功耗的休眠模式。網(wǎng)絡(luò )中的其他節點(diǎn)發(fā)給終端節點(diǎn)的數據報，可以先存儲在它的父節點(diǎn)，終端節點(diǎn)每次退出休眠模式后，主動(dòng)詢(xún)問(wèn)它的父節點(diǎn)，是否有它的數據報。Z-Stack協(xié)議棧支持LITE sleep和DEEP sleep兩種低功耗實(shí)現方式。其中，在LITE sleep模式下，終端節點(diǎn)能主動(dòng)退出低功耗模式，完成諸如傳感器數據的讀取并發(fā)送的任務(wù)；在DEEP sleep模式下，終端節點(diǎn)必須由外部中斷信號(如按鍵事件)喚醒。根據實(shí)際工程應用的需要，本文的高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)溫濕度監測系統中的終端節點(diǎn)采用 LITE sleep低功耗模式。 3 現場(chǎng)試用結果 本文設計的基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的溫濕度監測系統在變電所的電容式高壓開(kāi)關(guān)柜內進(jìn)行了現場(chǎng)試用，安裝情況如圖4所示。每個(gè)開(kāi)關(guān)柜內布置 8～10個(gè)ZigBee終端測試節點(diǎn)，用于測試開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)和母線(xiàn)連接部位的溫濕度，整個(gè)配電室內的所有測試節點(diǎn)通過(guò)路由節點(diǎn)組成一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )。終端測試節點(diǎn)大部分時(shí)間處在休眠狀態(tài)，每隔5 min醒來(lái)1次，讀取傳感器溫濕度值，并發(fā)往ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的協(xié)調器節點(diǎn)，協(xié)調器可以通過(guò)串口、以太網(wǎng)或GPRS等多種接口方式將測量數據發(fā)往后臺管理數據庫。系統在不更換終端節點(diǎn)電池的前提下，已經(jīng)連續正常工作10個(gè)月，預計可以正常工作3年以上。 4 結 語(yǔ) 本文針對高壓開(kāi)關(guān)柜開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)和母線(xiàn)連接等部位溫濕度監測的迫切性及工程現場(chǎng)的特點(diǎn)，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)溫濕度監測系統，實(shí)現對開(kāi)關(guān)柜內關(guān)鍵點(diǎn)位溫濕度監測，有效地防止了重大事故的發(fā)生。系統實(shí)現成本低廉、安裝方便、終端節點(diǎn)功耗低、工作穩定、具有很強的工程實(shí)用性和市場(chǎng)推廣價(jià)值。 |
