基于ZigBee的高压开关柜无线温湿度检测系统

基于ZigBee的高压开关柜无线温湿度检测系统

摘要：本文针对高压开关柜温湿度监测的必要性和迫切性，提出了利用ZigBee

技术，并采用CC2430&Z-Stack芯片和温湿度传感器DS18B20可以完成对高压开关柜的温湿度监测，有效地防止事故的发生，可靠性高、安装方便、终端感测节点

功耗低，是高压开关柜温湿度监测的理想监测系统。

关键词：温湿度监测系统；ZigBee ；高压开关柜

1 引言

作为输配电领域的关键设备，高压开关柜承担着闭合和断开电力线路的重要

作用。在长期运行过程中，高压开关柜因多种原因造成接触不良，引起柜内温度

升高，严重时可能出现烧毁高压开关柜，甚至导致大面积停电事故的发生。为保

证高压开关柜的正常运行，有必要对高压开关柜温湿度进行在线监测，及时发现

系统故障隐患，从而提高电力系统运行的稳定性和可靠性。

目前，高压大电流设备内的母线接头部位温湿度监测的方法主要有示温蜡片，红外测温，光纤测温，半导体温度传感器测温等。示温蜡片测温法不能反映温度

变化值，并且还需定期的人工检查。红外测温法要受到传感器与被测点之间距离

和光路遮挡的影响，对某些特殊的被测点，由于光路被阻断，难以进行测量；另外，还受到环境光线的限制，因而影响测量的准确性，从而限制了在某些特殊场

合的应用。光纤测温法中光纤易折易断，耐温性能较差，在运行环境较为恶劣的

情况下容易积累灰尘，易于造成爬电现象，从而降低了高压开关设备的绝缘等级。另外，由于要采用光纤传输温度数据，使得在空间有限的高压开关柜内布线比较

困难。半导体温度传感器测温法是将数字温度传感器或集成温度传感器直接安放

在被测物体的表面上，从而可以监测被测物体的温度。半导体温度传感器测温方

法的优点在于：数字温度传感器和集成温度传感器可以方便地与单片微处理器相

结合，由单片微处理器对温度传感器的输出信号进行分析处理，再通过无线发射

电路发射出去，由外部接收电路接收处理。这种测温方式特别适合对高压开关柜

内部易发热部位的接触式无线温度监测。

综上所述，对高压开关柜的温度监测有很多种方法，但不同的方法各有优缺点。采用半导体温度传感器与无线通信技术相结合的温度监测方法，是目前高压

开关柜温湿度监测的主要研究方向。

2、高压开关柜无线温湿度监测系统的实现

2.1 监测参数的选择

高压开关柜监测的内容是在对历年事故分析的基础上建立起来的。根据上面

所论述的故障表现以及相关故障的机理分析，普遍认为高压开关柜在线监测主要

包括了以下几方面的内容。（1）环境参数在线监测：A、B、C 三相开关侧和电

缆侧的触头温度，柜内温度，柜内湿度等。（2）机械特性参数在线监测：断路

器振动信号，断路器操作次数，断路器行程，合、分闸的线圈电流等。（3）绝

缘状态参数在线监测：如漏电，局部放电，介损等指标。（4）电气性能参数在

线监测：A、B、C 三相的电流，电压，功率，断路器的开断电流等。

2.2 通信方式的选择

几种短距离无线通信技术情况如下图所示：

通过以上对各种无线通信技术方式的比较，可以看出，ZigBee无线传感器网络通信技术

能够满足高压开关柜在线监测系统对无线信号的传输要求。因此，选择ZigBee技术实现各监

测点与监测单元之间的无线组网通信。

2.3 硬件设计

本文提出的高压开关柜温湿度监测系统的网络节点的硬件设计基于TI公司推出的符合ZigBee技术标准的CC2530芯片。由于高压开关柜工作在高电压、大电流环境，为了解决系

统绝缘问题，避免故障的发生，网络节点采用印刷电路板天线或者陶瓷天线。ZigBee网络包

括协调器、路由器和终端节点。终端节点带有温湿度传感器DS18B20，是主要的感测节点，

放置在高压开关柜内。开关柜内空间狭小，无法安装多余电缆，同时系统采用休眠模式，利

用电池供电。协调器和路由器节点为其他网络节点提供传输数据，因此采用市电供电，这样

可以保证协调器和路由器节点能够一直处于工作状态。

2.4 软件设计

软件设计基于TI公司推出的ZigBee协议栈的最新版本Z-S tack 1.4.2。ZigBee网络设备根

据功能的不同可以分为协调器、路由器和终端节点。终端节点申请加入网络，成为协调器或

者路由器的子节点后，可以主动向网络中的任何节点发送数据报，也可以询问它的父节点是

否有发送给它的数据报并接收。路由器包含终端节点的所有功能，此外还可以作为父节点允

许其他节点加入网络，给网络中的其他节点路由转发数据报，对逻辑网络地址进行分配，维

护邻居设备表等。协调器除了包含路由器的所有功能外，还包括创建一个新网络的功能。

新建网络流程图

协调器通过NLME NETWORK FORMA TION. request原语来启动一个新网络的建立过程。然后网络层请求MAC层对协议所规定的信道或由物理层所默认的有效信道进行能量检测扫描，以检测可能的干扰。网络层收到成功的能量检测扫描结果后，以递增的方式对所测量的能量

值进行排序，并舍弃那些能量值超出许可范围的信道。如果网络层找到了合适的信道，则为

新建的网络选择一个PAN标识符，接着选择0x0000作为协调器的网络地址。当网络层选定

网络地址后，通过向MAC层发送MLMES TART. request原语完成ZigBee网络的创建过程。ZigBee网络支持星型网、簇状网和网状网3种网络结构，其中网状网的任意两个网络节点之

间都可以进行通信。

2.5 电源设计

考虑到高压开关柜的高压特点，设计电源时需要做到良好的绝缘性能和稳定性，目前常

用的电源主要有互感器取电法和蓄电池法。互感器取电方案利用穿心式电流互感器从高压侧

母线感应能量，互感器取电后经过能量控制、整流、滤波、稳压等一系列措施后，最终测温

装置提供稳定电源，但是这种方案成本高，且结构复杂，不适合在密闭且空间狭小的高压开

关柜中。ZigBee温度采集器具有能耗低的特点，一块蓄电池可以使用2-3年时间，且价格便宜，因此本系统选择采用蓄电池供电通过TPS79533转换为3.3V工作电压的供电方案。

3、结语

本文提出的基于ZigBee技术的无线温湿度监测系统中带有传感器的测温模块安装在高电

位设备的表面，与低电位接收设备之间无电气联系，从根本上解决了高压绝缘问题，实现对

开关柜内关键点位温湿度监测, 有效地防止了重大事故的发生，保证高压开关柜的稳定运行，提高电力系统的可靠性。系统实现成本低廉、安装方便、不受高压开关柜的结构限制、终端

节点功耗低、工作稳定、具有很强的工程实用性和市场推广价值。

目前，基于ZigBee的高压开关柜温湿度监测系统正处于火热的研究阶段，ZigBee技术在

很长的一段时间内将会是高压开关柜温湿度监测的主流技术手段，如果能克服技术上的缺陷，高精度，高质量的实现高压开关柜温湿度的在线监测，那么，此系统在未来将会在我国的电

力系统中得到广泛应用。

参考文献：

[1] 丁道振.基于ZigBee的高压开关柜触头温度在线监测系统研究，2013

[2] 吴荣光.张剑雄.基于ZigBee的高压开关柜无线温湿度检测系统.期刊论文.现代电子技术，2008