陳凱彬 耿新 郭營(yíng)生 張寧 陳森

摘 要：高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行使線路老化，電阻增大，從而使高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)溫度升高，容易造成火災(zāi)發(fā)生，同時(shí)由于高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)設(shè)備布局較為密集，為了便于測(cè)量，本文提出了一種通過(guò)ZigBee和CAN總線進(jìn)行信號(hào)傳遞的溫度在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的溫度傳感器將采集到的溫度信號(hào)首先通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)ZigBee傳送到分站，經(jīng)過(guò)分站處理后的信號(hào)在通過(guò)CAN總線傳送到上位機(jī)中，上位機(jī)對(duì)接收的溫度信號(hào)進(jìn)行處理，如果接收到的溫度信號(hào)不在正常的設(shè)定值范圍，就會(huì)發(fā)生預(yù)警。試驗(yàn)顯示本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)信號(hào)采集靈敏，有較高的傳輸速度，能在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的同時(shí)保持系統(tǒng)穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：高壓開(kāi)關(guān)柜;ZigBee網(wǎng)絡(luò);監(jiān)測(cè)

高壓開(kāi)關(guān)柜用于在電力系統(tǒng)發(fā)電、輸配電、電能轉(zhuǎn)換中起開(kāi)關(guān)、控制以及保護(hù)作用。高壓開(kāi)關(guān)柜的組成主要包括斷路器和柜體兩個(gè)部分。高壓開(kāi)關(guān)柜按照柜體結(jié)構(gòu)通常可以分為間隔式開(kāi)關(guān)柜、敞開(kāi)式開(kāi)關(guān)柜以及金屬封閉箱式開(kāi)關(guān)柜等常用的幾種類型。高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)空間有限，但是電氣設(shè)備的種類和數(shù)量較多，內(nèi)部布局較為緊湊，因此在通常情況下很難進(jìn)行開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的人工實(shí)時(shí)測(cè)溫，對(duì)于開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的溫度不能實(shí)時(shí)掌握，同時(shí)由于人工手動(dòng)進(jìn)行開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的測(cè)溫，也帶來(lái)了一定的安全問(wèn)題。

目前高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部的溫度檢測(cè)主要有紅外成像技術(shù)、紅外信號(hào)接觸式測(cè)溫技術(shù)以及光纖測(cè)溫技術(shù)等幾種較為常用的高壓開(kāi)關(guān)柜溫度檢測(cè)方式。陳新崗等人提出了一種基于聲表面波和ZigBee的高壓開(kāi)關(guān)柜電纜室溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該方法利用熱傳導(dǎo)以及固體力學(xué)理論等相關(guān)知識(shí)獲得溫度分布情況，利用聲表面溫度傳感器采集溫度信息，用ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。劉罡設(shè)計(jì)了一種基于Modbus總線的高壓開(kāi)關(guān)柜多狀態(tài)量在線檢測(cè)系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)和傳感器的信息通信功能。這些技術(shù)都在一定程度上改善了目前的高壓開(kāi)關(guān)柜溫度檢測(cè)現(xiàn)狀，但是還不夠完善。由于高壓開(kāi)關(guān)內(nèi)設(shè)備較多，因此單一的溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)不能對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的所有設(shè)備的周邊溫度進(jìn)行測(cè)量，為了能夠?qū)崿F(xiàn)多部件周邊溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，同時(shí)為了降低開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的線路布局困難，本文提出了一種基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和CAN總線的溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是一種適用于短距離的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大和延時(shí)短，數(shù)據(jù)傳輸安全等顯著優(yōu)點(diǎn)。本文利用ZigBee技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)檢測(cè)到的溫度信號(hào)的傳遞，由于采用無(wú)線傳輸技術(shù)，因此相關(guān)的溫度傳感器能夠較大程度的根據(jù)溫度監(jiān)測(cè)需求來(lái)在不同位置實(shí)行安裝，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)溫度的多點(diǎn)測(cè)量。

1 溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的高壓開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要有傳感器，無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)儀和上位機(jī)組成。文中采用目前應(yīng)用廣泛的DS18B20傳感器來(lái)進(jìn)行高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的溫度采集，將采集到的溫度信號(hào)傳送到CC2480中，再通過(guò)CC2480將信號(hào)經(jīng)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綔囟缺O(jiān)測(cè)儀，溫度監(jiān)測(cè)儀將接收到的信號(hào)通過(guò)CAN總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，上位機(jī)對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行分析和處理，如果檢測(cè)到的溫度值高于設(shè)定的最大溫度值，那么預(yù)警裝置啟動(dòng)。相關(guān)工作人員在聽(tīng)到預(yù)警信號(hào)后對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查，從而及時(shí)的處理相關(guān)問(wèn)題，避免帶來(lái)生命財(cái)產(chǎn)損失。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器選型

溫度傳感器是主要實(shí)現(xiàn)將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用于輸出信號(hào)的傳感器，溫度傳感器的種類繁多，按照測(cè)量方式的不同可以將溫度傳感器分為接觸式和非接觸式兩種類型。本文在綜合考慮了高壓開(kāi)關(guān)柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使用成本，傳感器性能等多方面因素后選擇使用DS18B20傳感器來(lái)進(jìn)行開(kāi)關(guān)柜內(nèi)溫度的檢測(cè)。DB18B20傳感器具有體積較小，抗干擾能力較強(qiáng)，測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，采用獨(dú)特的單線接口模式，測(cè)量范圍能達(dá)到-55℃到+125℃，工作電源在3.0到5.5V/DC，適合在高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)進(jìn)行溫度檢測(cè)。

2.2 信號(hào)采集模塊

本文設(shè)計(jì)的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的溫度采集主要選擇DS18B20溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。其溫度采集模塊主要包含溫度傳感器，供電電路和控制電路等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和上位機(jī)、下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)。

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，它主要有三種網(wǎng)絡(luò)模型，包括樹(shù)型、網(wǎng)型和星型。其中網(wǎng)型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而星型結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單。ZigBee有三種設(shè)備類型，包括ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和ZigBee終端設(shè)備。ZigBee的協(xié)議棧有四層組成，包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層和MAC層。協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，是上位機(jī)和下位機(jī)之間進(jìn)行通信的橋梁，協(xié)調(diào)器包括電源模塊，仿真借口，CC2480模塊以及串口通信模塊等。

3.2 路由節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)上電后，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化操作，初始化之后就會(huì)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的搜索，在發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)后就會(huì)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，等到允許加入后就會(huì)完成入網(wǎng)工作，入網(wǎng)完成，對(duì)其他的節(jié)點(diǎn)的加入和數(shù)據(jù)傳輸申請(qǐng)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)主要用來(lái)向操作人員提供一個(gè)良好的可視化界面，目前主要的開(kāi)發(fā)軟件包括LabVIEW以及組態(tài)王等常用軟件，本文選擇使用功能強(qiáng)大，性能完備的組態(tài)王軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)界面設(shè)計(jì)。上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)主要包括監(jiān)控主畫(huà)面設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)報(bào)表以及預(yù)警記錄等。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee和CAN總線的高壓開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)能夠很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)相關(guān)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度監(jiān)測(cè)，若溫度出現(xiàn)異常，預(yù)警系統(tǒng)啟動(dòng)，工作人員在收到預(yù)警信息后可以快速到達(dá)地點(diǎn)，對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行檢查，消除異常情況。結(jié)果表明，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)精度高，有較強(qiáng)的抗干擾能力。

參考文獻(xiàn)：

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