1、引言

高压配电开关柜是保证电力系统安全运行的重要设备之一。在长期运行过程中，高压母线因超负荷运行，会出现过热现象；另外，开关柜中的触头接触不好或因产品制造、运输以及安装等原因也会引起接触电阻过大，导致温度升高，产生过热现象。触头和母线排连接处等部位因过热引起绝缘老化甚至击穿，从而引发短路的现象在大电流开关柜（如进线柜）中尤为突出且影响极大。因此，对这些发热部位进行实时温度监测十分必要，以避免短路引起火灾、烧毁或突然停电等事故。

2、系统总体结构

配电网自动化是对配电网上的设备进行远方实时监视、协调及控制的一个集成系统，是现代计算机技术和通信技术在配电网监视与控制上的应用。银川市电力局在近几年开始大力发展光纤通信网络，并以发展符合现代通信发展方向的SDH光纤通信网络为主，对于边远站区则辅之以必要的载波通信方式。按照银川市局电力通讯网络建设的规划，城区内一般通信点将拥有6个以上的10M数字通道，枢纽通信站则更多。整个城市电力网通讯形成了光纤通信网络。

本系统中将无线温度传感器网络融合在现有的国家电网里，通过现有的电网通信系统实现了远程高压配电柜内电缆、触头等温度，其总体架构如图1所示。



3、国家电网光纤收发器通信系统

国家电网通信系统的主站和子站之间的通信，通过使用光纤收发器直接利用光纤进行通信，该通信方式具有较大优点，主要是10M/100M的网络数据不必通过转换（或压缩），通信速率较高，另外通过这种方式连接各个子站就象在一个局域网上一样，相互之间的访问更快捷便利，该通信方式使用通信光缆中的一对光芯。其结构如图2所示。



光纤收发器的结构如图3所示。



4、无线温度传感器网络

无线温度传感器网络包括分布式的温度传感器节点、无线网关节点、国家电网通信网和监测软件。温度传感器节点布置在被监测电缆或触头处，节点通过射频天线将数据发送到无线传感器网络网关BS909，BS909网关通过路由器和国家电网光纤网融合将数据传送到监测中心主机，传感器网络通信系统如图4所示。本系统主要结构是将集成ZigBee模块的温度传感器节点部署在高压开关柜内，构成基于ZigBee技术的传感器网络拓扑结构。在半径约1000m范围内的高压开关柜可组成一个单独网络，每个网络装备一个网关。



4.1、无线通讯协议

802．15．4标准定义了PHY层和MAC子层，在国内外，大多无线传感器网络产品从上层应用层开始编写，直接调用协议提供的库函数，与从底层MAC层编写的协议相比，效率较低，受到了限制太多，使用不灵活等约束。比如，为了实现同步，消除授时时延误差，最好在低层（MAC层）打上时间戳，用来消除发送节点的处理延迟和MAC层的访问延迟。如果在上层应用层调用库函数，就没有办法在底层使用时间戳，从而造成同步精度大幅降低。

本项目无线传感器网络协议遵从802.15.4标准，从MAC层开始编写完成。网络拓扑采用星型或树型。对于簇树型网络，整个网络分成多个簇，由部分节点组成簇树的主干和从干（簇头），其他大部分节点成为簇树的叶设备，叶设备的数据汇集到各自的簇头，由簇头多跳传输到中心网关。传感器节点通过场强检测和链路质量监听，加入到最合适的簇，生成固定的路由表和备份路由表。由于本项目专门适合于监测点固定的应用，我们的路由协议仅考虑了节点失效和新加入节点的情况，并没有考虑传感器节点频繁移动的拓扑变化，保证了网络协议的高效率。

4.2、无线温度传感器节点

本无线传感器节点采用无线SOC片上系统CC2430，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器，温度传感器采用DS18b20，其原理图如图5所示，节点外观如图6。





4.2.1、温度传感器DS18b20

DS18b20是Dallas公司的最新单线数字温度传感器[4]，它的体积更小、适用电压更宽、更经济，ds18b20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念，它的测量温度范围为－55～＋125℃，在－10～＋85℃范围内，精度为±0.5℃，现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等，与前一代产品不同，新的产品支持3～5.5v的电压范围，使系统设计更灵活、方便，而且新一代产品更便宜，体积更小，ds18b20可以程序设定9～12位的分辨率，精度为±0.5℃。可以选择更小的封装方式，更宽的电压适用范围，分辨率设定及用户设定的报警温度存储在e2prom中，掉电后依然保存，ds18b20的性能是新一代产品中最好的，性能价格比也非常出色，继“一线总线”的早期产品后，ds18b20开辟了温度传感器技术的新概念，ds18b20和ds18b22使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。

4.2.2、无线通讯模块

CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器（ADC）、几个定时器（Timer）、AES128协同处理器、看门狗定时器（Watchdog timer）、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（Power On Reset）、掉电检测电路（Brown out detection），以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用0.18μmCMOS工艺生产；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

5、在线监测管理软件

在线监测管理软件平台是一个先进的B/S架构的GIS系统。软件平台采用GIS技术、Web技术、计算机图形技术、网络技术等高科技技术手段，基于地理信息系统的监测管理软件的设计目标，以Internet网络为依托，建立一个分布式的信息服务平台，并在网络支持下，提供各种监测目标位置的标注、监测点位置的查询、监测数据的实时显示、查询、各种数据的多尺度浏览、专题统计制图等功能。

把地图和监测数据有机地结合起来，并将监测数据以直观、互动、实时、可操作的方式呈现到管理者和使用者面前。大量的监测数据能实时显示、存储、调用、查询，每一种监测点都有可以准确定位，自动超限报警，以利监察、维护。监测管理软件同时具备强大的统计报告功能，以数据列表、图等丰富的形式直接打印监测报告。整个软件操作简便，界面友好，功能强大，具有地图管理功能、监测数据浏览查询功能、地图标注功能、统计报告功能、用户权限管理功能等，软件界面如图7所示。