高压开关柜温度在线监测系统设计

２０１２年８月１日第３５卷第１５期

现代电子技术

Ｍｏｄｅｒｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｉｑ

ｕｅＡｕｇ

．２０１２Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．１５

高压开关柜温度在线监测系统设计

王奎英，余艳伟

（河南机电职业学院，河南郑州　４５１１９１

）摘　要：高压开关柜温度在线监测是保证其安全运行的重要措施。设计了一种高压开关柜温度检测系统，具有价格低、使用方便等特点。讨论该系统的总体设计原则和功能，分析了该系统的关键技术，包括测温单元设计、ＺｉｇＢｅｅ技术的特点与其网络拓扑结构的选择及监控中心设计。系统的模拟运行表明其达到了设计的要求，很好地完成了对高压开关柜温度的检测。

关键词：高压开关柜；温度监测；Ｚｉｇ

Ｂｅｅ；无线传感网络中图分类号：ＴＮ７１１－３４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－３７３Ｘ（２０１２）１５－００５２－

０３Ｏｎ－ｌｉｎｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　

ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒＷＡＮＧ　Ｋｕｉ－ｙｉｎｇ

，ＹＵ　Ｙａｎ－ｗｅｉ（Ｈｅｎａｎ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈｅｎｇ

ｚｈｏｕ　４５１１９１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ－ｌｉｎｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ　ｇｕａｒａｎｔｅｅｓ　ｔｈｅ　ｓａｆｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｖｉｃｅ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｌｏｗ　ｐｒｉｃｅ　ａｎｄ　ｅａｓｅ　ｏｆ　ｕｓｅ．Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅｏｖｅｒａｌｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｕｎｉｔ，ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ＺｉｇＢｅｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ＺｉｇＢｅｅ　ｎｅｔｏｗｒｋ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｃｅｎｔｅｒ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍｅｅｔｓ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｗｈｉｃｈ　ａｃｃｏｍ－ｐｌｉｓｈｅｓ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｗｉｔｃｈｇ

ｅａｒ．Ｋｅｙ

ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ＺｉｇＢｅｅ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ收稿日期：２０１２－０３－

１２０　引　言

目前发电厂、变电站高压开关柜温度检测系统是保证其安全运行的重要措施。传统方法主要采用高压电器示温腊片

［１］

、变温漆、红外测温法

［２］

等测温方法进行，

这类方法通常需要值班人员定期巡视，不能实时监测。本文结合高压开关柜的封闭结构和性能指标，提出了一种基于ＺｉｇＢｅｅ技术的检测方法，采用基于ＺｉｇＢｅｅ的无线网络技术对高压开关柜内母线排、触头温度进行监测，利用上位机实时监测上述节点的温度。该方法具有低功耗、低成本、抗干扰性强、网络容量大等优势。

整个系统以一台ＰＣ计算机和运行于其上的监控软件为核心，通过ＲＳ　２３２总线与ＺｉｇＢｅｅ网络节点构成监控网络。按照设计的要求，

系统应能实现以下功能：（１

）实时监测、显示温度数值；（２

）温度超温报警并确定报警位置；（３）运行工况记录的储存，提供查阅或回放历史记录。

１　系统总体结构

系统主要由Ｚｉｇ

Ｂｅｅ无线传感网络和上位监控中心组成。ＺｉｇＢｅｅ无线传感网络有各种节点，主要负责柜内发热部位温度数据的采集、转换并将数据传到上位监控中心。上位监控中心由软件实现对上传的温度数据进行处理分析，具有显示、保存、查询及报警功能。系统总体结构如图１所示

。

图１　系统总体结构框图

本方案采用健壮性较好的簇－树（ｃｌｕｓｔｅｒ－ｔｒｅｅ）网络拓扑结构。ＺｉｇＢｅｅ无线监控网络主要由ＺｉｇＢｅｅ网络协调器（ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ）、路由器（ｒｏｕｔｅｒ）、ＺｉｇＢｅｅ终端节点（ｅｎｄ　ｄｅｖｉｃｅ）组成；其中Ｚｉｇ

Ｂｅｅ协调器、路由器主要负责Ｚｉｇ

Ｂｅｅ无线网络的建立，形成传输通路，终端节点负

责温度数据的采集。ＺｉｇＢｅｅ协调器、路由器由全功能设备担当，ＺｉｇＢｅｅ终端节点由精简功能设备担当，由嵌入式处理器、传感器模块、信号转换模块、ＺｉｇＢｅｅ通信模块以及电源等模块组成。

２　关键技术分析

２．１　测温单元设计

测温单元采用Ｄａｌｌａｓ公司开发的一线制数字温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０。ＤＳ１８Ｂ２０与传统的热敏电阻温度传感器相比，能够直接读出被测温度，并且根据实际要求通过简单的编程可设置９～１２ｂ的分辨率，可以分别在９３．７５ｍｓ和７５０ｍｓ内将温度值转化９ｂ和１２ｂ的数字量，测温范围在－５５～１２５℃内，精度为±０．５℃；工作电压范围为３～５．５Ｖ。每片ＤＳ１８Ｂ２０内部的ＲＯＭ都刻了惟一的６４位编码，在多点测温系统中，可实现对各测温点的定位和识别。ＤＳ１８Ｂ２０的体积非常小、结构简单，使用方便灵活，测试精度高，故非常适合在空间拥挤的高压开关柜内灵活布置［３］。

２．１．１　ＤＳ１８Ｂ２０的工作原理

ＤＳ１８Ｂ２０温度传感器是利用温敏振荡器的频率随温度变化的关系，通过对振荡周期的计数来实现温度的测量，测温原理框图如图２所示

。

图２　ＤＳ１８Ｂ２０的测温原理框图

图２中低温度系数晶振用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器１，高温度系数晶振所产生的信号作为计数器２的脉冲输入。计数器１和温度寄存器被预置在－５５℃所对应的一个基数值。计数器１对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器１的预置值减到０时，温度寄存器的值将加１，计数器１的预置将重新被装入，计数器１重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器２计数到０时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

２．１．２　测温传感器电路方案

ＤＳ１８Ｂ２０具有独特的一线制总线接口，用户可方便地组建传感器网络，电路有两种设计方案：单线多传

感器方案与单线单传感器方案。本文中采用的是单线单传感器方案。

电路示意图如图３所示。本系统方案利用６～８个ＤＳ１８Ｂ２０器件连接在ＭＣＵ的一组端口的６～８个Ｉ／Ｏ口上，每个端口连接有１个ＤＳ１８Ｂ２０器件，符合前面所述解决办法。对ＤＳ１８Ｂ２０器件进行实际操作时，只需统一地对这一组并行端口进行操作即可

。

图３　单线单传感器接口电路

从图３可见，一个端口对应１个ＤＳ１８Ｂ２０器件，这样每组端口的某一个位的读回数据状态也就是该端口所对应的器件的输出状态，所以系统里面不需要进行每个器件的序列号搜索、匹配的操作。在对ＤＳ１８Ｂ２０器件进行操作时，使用ｓｋｉｐ　ＲＯＭ命令来跳过ＲＯＭ序列号匹配的操作，所有的ＤＳ１８Ｂ２０器件的ＲＯＭ操作可以使用相同的端口输出时序。

单线单传感器方案能在较少时间内实现多点温度读出，节省了大量系统工作时间，实时性很强，进一步减少了系统的整体功耗。

２．２　ＺｉｇＢｅｅ技术

本设计选用Ｃｈｉｐｃｏｎ公司的ＣＣ２４３０ＳｏＣ芯片作为ＺｉｇＢｅｅ无线检测节点的硬件解决方案。ＺｉｇＢｅｅ，即ＩＥＥＥ　８０２．１５．４技术标准，是一种短距离、低功率、低资费、低传输率的无线局域网（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｐｅｒｓｏｎａｌ　ＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ，ＷＰＡＮ）技术，它是一种介于无线标记（ＲＦＩＤ）技术和蓝牙（Ｂｌｕｅ　Ｔｏｏｔｈ）技术之间的技术提案。适用于通信数据量不大，数据传输速率相对较低，分布范围较小，但对数据的安全可靠有一定要求，而且要求成本和功耗非常低的场所。ＺｉｇＢｅｅ技术具有特点［４］如下：

（１）低功耗：发射功率仅为１ｍＷ，在低耗电待机模式下，发射功率仅为１μＷ，这是ＺｉｇＢｅｅ的突出优势。

（２）低成本：通过大幅简化协议，ＺｉｇＢｅｅ技术协议简单且免专利费，大大降低了开发成本。

（３）低速率：ＺｉｇＢｅｅ工作在２０～２５０Ｋｂ／ｓ的较低速率，分别提供２５０Ｋｂ／ｓ（２．４ＧＨｚ）、４０Ｋｂ／ｓ

３

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第１５期王奎英，等：高压开关柜温度在线监测系统设计