摘 要：高压开关作为电力系统的重要设备，其稳定运行是保障电力网正常工作的必要条件。基于ZigBee无线传感器网络技术设计和实现了高压开关触头温度在线监测系统。设计并实现了无线测温网络、高压自具电源、PC监测软件。系统具有组网灵活、可靠性高、抗干扰能力强、低功耗、网络容量大等优点。
关键词：高压开关； 监测系统； ZigBee； 测温网络； 自具电源
电力系统安全稳定运行是电力系统控制的根本目标和进行电力市场交易的重要保障[1]。高压开关柜是电力系统中一个非常重要的电气设备，由于长期在高电压、大电流和满负荷的条件下运行，开关柜中的母线接点、高压电缆接头等部位容易因接触电阻过大或老化而发热，使相邻的绝缘部件性能劣化，大大缩短高压开关的使用寿命，甚至导致击穿烧毁而造成事故，影响整个电力系统的正常工作。因此，其可靠性越来越多地受到人们的关注。由于高压电气设备一般都处于高电压、大电流和强磁场的环境中，在实际监控中，必须要求监控对象与监测仪器之间进行电压隔离，其测试信号的有效传输也是一直比较难以解决的问题。目前，母线温度检测主要有4种方案：采用色片[2]、热红外检测技术[3]、光纤测温技术[4]、无线温度监测技术[5]。本文结合高压开关柜的实际要求，充分利用和发挥ZigBee[6]低功耗、强抗干扰、容量大等优势，采用基于ZigBee无线网络的技术提出对高压开关触头温度进行在线监测的方案。无线在线监测装置采用无线通信技术进行高压隔离和信号传输，利用其固有的绝缘性和抗电磁场干扰性能，较好地解决了高压开关柜内触头运行温度不易监测的难题。
1 系统结构
1.1 系统功能
(1)终端测温节点测量范围不小于-40 ℃～+120 ℃，测量精度大于0.5 ℃。
(2)主机最多可监测32个测温网络，每个网络可以容纳多于32个开关柜，每个开关柜可以配置9个终端测温节点。这样整个系统总的测试点个数可达32×32×9=9 216个。
(3)每个开关柜配置一个柜内温度监测装置，装在开关柜的门上，通过接收测温节点的温度数据实时显示开关柜触头和母线温度，并能够通过该装置对预警温度和报警温度进行设置。并能通过指示灯和蜂鸣器进行报警。
(4)由高压自具电源给终端测温节点供电，能在开关工作电流40～4 000 A范围内可靠工作，能承受在500 ms内40 000 A电流的冲击。
1.2 系统总体结构
如图1所示，整个监测系统主要分3个部分：ZigBee无线测温网络、高压自具电源和监测PC。
ZigBee无线测温网络主要包括：测温终端(终端节点)、开关柜内监测装置(包括路由器和显示模块)、温度收集装置(协调器)。测温终端主要由ZigBee芯片和温度传感器构成。开关柜内监测装置主要由ZigBee芯片实现无线通信，单片机实现显示等其他任务。温度收集装置和开关柜内监测装置采用相同的硬件，只是软件上有些不同，它在网络中承担协调器的角色，并实现与PC机的通信。ZigBee无线测温网络采用网状拓扑结构，这种结构具有更好的可靠性和容错能力。
1.3 系统工作原理
高压开关闭合工作时，高压自具电源从母线取得能量，经一系列整流、滤波、稳压处理，得到3.3 V电源，并为ZigBee测温终端节点供电。测温节点根据设定的测温频率进行测温，这里设定为每1 s一次，并把数据传给开关柜内监测装置(路由器)，也可以是其他开关柜的柜内监测装置。路由器再把温度信息传给温度收集模块(协调器)，同时也在开关柜内监测装置上显示本开关柜的9个节点的温度信息。协调器再把收集到的温度信息通过RS485发给监测PC机，用于显示和存档。
2 硬件设计
2.1 ZigBee测温节点硬件设计
ZigBee测温节点主要由CC2430和DS18B20以及一些辅助电路组成。DS18B20实现温度测量，CC2430实现温度读取和无线通信。测温节点在系统中承担终端节点的角色。基于CC2430测温节点原理图如图2所示。
2.2 开关柜内监测装置硬件设计
对于开关柜内监测装置，主控制芯片的选择是最重要的。要求抗干扰能力强、通用性强、管脚足够多、价格低廉。这里选用Cygnal公司的C8051F020微处理器；采用MAX485芯片进行电平转换；选用128×64带字库的点阵LCD；采用DS1302作为实时时钟；无线模块和测温节点相同，但在系统中它承担路由器的角色。作为高压开关柜内监测装置，其本身是一个比较完整的系统，其原理框图如图3所示。
2.3 温度收集装置硬件设计
它采用和开关柜内监测装置一样的硬件平台，但在系统中承担协调器的角色。
3 软件设计
3.1 ZigBee测温节点软件设计
测温节点的软件设计主要包括3个部分：温度数据的采集、温度数据的发送和低功耗的实现。其中温度数据发送采用TI公司开发的Z-Stack1.4.1协议栈，具体的参数配置如表1所示，在节点类型上选择终端节点。在低功耗实现上采用低功耗P2模式。经过测量和计算得到在每1 s采集一次温度的情况下，测温节点的功耗为3.575 4 mAh/d。
3.2 开关柜内监测装置软件设计
开关柜内监测装置软件主要实现与测温节点交互信息，并把接收到的触头和母线温度信息显示在LCD上，接收键盘输入的设置信息，在触头和母线温度超过预警或报警值时采取声光报警。从ZigBee网络的角度，它被配置成路由器类型。其软件基本流程如图4所示。
把系统分解成若干个功能相对独立的子任务，并把CPU时间分成若干个小的时间片，每个任务必需在指定的时间片段内完成。这里把系统需完成的功能分解为3个子任务：响应键盘输入、刷新显示输出、串口发送。
3.3 温度收集装置软件设计
温度收集装置软件和开关柜内监测装置软件相似，最大的不同是其无线模块配置成协调器类型，这里就不再介绍了。
3.4 PC监测软件设计
PC监测软件主要功能是通过RS485与开关柜内监测装置进行通信，读取ZigBee测温节点的温度数据，获得ZigBee无线测温网络的拓扑结构， 用于网络状态通信状态的监测和设备故障的诊断，保存历史数据，显示开关触头温度信息，给开关柜内监测装置校时等功能。其软件结构如图5所示。
4 高压自具电源设计
高压自具电源通过电磁感应原理，把高压大电流侧能量的很小一部分传递给ZigBee无线测温节点。需要经过能量控制、整流、滤波、稳压等一系列措施，其原理图如图6所示。
由于高压侧的电流波动范围很大，工作范围在0～4 000 A，发生短路时的电流达到40 000 A，这给自具电源的设计带来了很大难度。因此需要考虑多方面的因素：设计合理的电流互感器(铁心材料、铁心尺寸、线圈匝数等)，设计合理的整流稳压模块(耐压和能量释放等)以及降低测温节点功耗(硬件和软件设计)。整流稳压模块的原理图如图7所示。
5 实验测试
系统设计完后还需要进行三类实验测试：高压侧小电流实验、高压侧额定电流实验和高压侧短路电流实验，从而验证系统在40～4 000 A的情况下能否可靠运行，并且能耐40 000 A短路电流冲击。根据实际安装尺寸的需要，并对比不同铁心材料(坡莫合金和非晶)、不同形状(圆形和方形)、不同磁路长度、不同线圈匝数，选择了规格为61/70/20的圆形非晶材料作为电流互感器的铁心，并采用60匝的线圈。
(1)高压侧小电流实验
给一次侧通入电流，直到测温节点能正常工作，记录最小一次侧电流。实验中发现在10.8 A时，测温节点就能正常工作。再增大一次侧电流，达到11.5 A时，测温节点稳压模块输出稳定在3.3 V左右，即其稳定工作电流也小于40 A，符合设计的要求。
(2)高压侧额定电流实验
给高压侧通入7 000 A电流，发现系统还能安全工作，从实际测量可以看出在一次侧通入大电流以后，整流稳压电路输出的电压基本稳定在3.3 V，波动在0~0.08 V范围内，可以知道在高压侧电流为4 000 A时系统能够稳定工作。
(3)高压侧短路电流实验
对于40 000 A的高压侧短路冲击电流实验，由于设备条件所致，无法进行一比一的实验。采用等效实验的方法对其进行研究。在高压侧通入正弦电流时：
式中，I为电流幅值，ω为角频率。可以看出在高压侧电流不变情况下，ε和线圈匝数平方成正比。经过实验验证，在高压侧通入7 000 A电流时，温度测量装置能稳定工作。实际中由于电力系统负载短路造成高压开关工作在大电流情况的时间很短，只有几十毫秒，实验中高压电源工作在接近50 kA的时间远远大于负载短路的时间。这就说明了高压自具电源在高压侧发生短路故障时能可靠工作。
高压开关作为电力系统的重要设备，其安全可靠运行是保证电力网健康工作的必要前提。本文采用基于ZigBee无线网络测温技术对高压开关触头温度进行在线监测，具有组网灵活、可靠性高、抗干扰能力强、低功耗、网络容量大(能够同时监测9 216个触头温度)等优点。在给无线测温节点供电上采用高压自具电源，能够在很宽的电流范围内可靠工作。系统实时监测高压开关柜的健康状况，为开关柜的提前维护提供了依据，有效保障了电力系统的可靠运行。
参考文献
[1] 费万民，吕征宇，耿福江，等.高压开关触点和母线温度在线检测与监视系统[J].电力系统自动化,2004,28(3):86-88.
[2] 钱祥忠. 高压开关柜内接头温度在线监测系统的设计[J].仪表技术与传感器， 2007(2):73-75.
[3] 刘建胜,酆达,张凡.一种用于变电站高压触点温度在线监测的新方法[J].电力系统自动化,2004,28(4):54-57.
[4] 时斌. 光纤传感器在高压设备在线测温系统中的应用[J].高电压技术, 2007,33(8):169-173.
[5] 张艳,田竞,叶逢春. 基于红外传感器的高压开关柜温度实时监测网络的研制[J].高压电器,2005,41(2):91-94.
[6] IEEE Computer Society.IEEE Std 802.15.4-2003.Wireless medium access control(MAC) and physical layer (PHY) specifications for low-rate wireless personal area networks (LR-WPANs). New York: The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 2003,10.