預裝式變電站高壓觸頭溫度WSN傳感器節(jié)點設計

楊鵬，范曉勇，杜佳瑋，胡泮

（揚州大學能源與動力工程學院，揚州225127）

引 言

預裝式變電站與傳統(tǒng)土建變電站相比具有成套性強、體積小、占地少、能伸入負荷中心、提高供電質(zhì)量、減少損耗、送電周期短、選址靈活、對環(huán)境適應性強、安裝方便、運行安全可靠及投資少、見效快等一系列優(yōu)點，因而應用日益廣泛。但是，現(xiàn)有的箱式變電站在安全可靠性方而還存在一些問題。主要是由于箱式變電站一般運行在戶外，戶內(nèi)電器設備容易受到外界環(huán)境的影響。預裝式變電站安全運行通常均側(cè)重于對電量參數(shù)（電壓、電流、電功率）實時監(jiān)測技術(shù)的研究，其非電量參數(shù)的在線測量，如觸點溫度，受到高電壓、強電磁場干擾、測點位置的限制，至今仍未很好地解決該問題。

張巧芬等設計了針對基于無線傳感器網(wǎng)絡的變電站設備溫度監(jiān)測系統(tǒng)，采用MSP430F149＋nRF905作為核心模塊，監(jiān)測高壓開關柜、母線接頭、電纜接頭等設備上的溫度，但是節(jié)點抗干擾能力和延長網(wǎng)絡生命周期有待進一步提高［1]。

王海倫等采用PSoC＋CC2430設計了電氣設備溫度監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，節(jié)點體積小、可靠性高，但由于通信距離短，限制了推廣應用［2]。

李麗芬等設計了長鏈樹狀無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)絕緣子泄漏電流在線監(jiān)測，但是由于系統(tǒng)工作在強電磁環(huán)境中，電磁兼容和網(wǎng)絡安全有待進一步提高［3]。

針對這些不足，本裝置采用無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)，將示溫片和二氧化碳傳感器分別設置于高壓柜的觸頭和觸頭附近獲取溫度信息構(gòu)成傳感器節(jié)點，通過路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點組成無線傳感器網(wǎng)絡，實現(xiàn)一款功能豐富、性能強大且成本低的變電站無線監(jiān)控系統(tǒng)。

1 傳感器節(jié)點的總體結(jié)構(gòu)

高壓柜觸頭溫度傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主要包括高壓柜解點高分子示溫片、二氧化碳傳感器、信號調(diào)理電路、JN5139無線控制器、時鐘電路和電源電路等。在高壓柜內(nèi)的觸點上粘貼高分子示溫片，對高分子示溫片的材料成分作適當調(diào)整，改變其熔點溫度，可以滿足不同的超溫監(jiān)測要求，從而擴大溫度的監(jiān)測范圍。

圖1 高壓柜觸頭溫度傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

當觸點溫度超溫時，示溫片受熱釋放CO2氣體，并能夠?qū)崿F(xiàn)超溫變色，使柜內(nèi)CO2氣體濃度在短時間內(nèi)急劇上升，通過MS4100二氧化碳傳感器檢測CO2濃度的變化，MS4100傳感器輸出信號經(jīng)過信號調(diào)理電路處理后，輸入JN5139芯片的A／D轉(zhuǎn)換器輸入端。無線微控制器采用英國Jennic公司的高性能、低功耗JN5139無線控制芯片?？蓪崿F(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡的自動組網(wǎng)和收發(fā)功能，同時在傳感器節(jié)點裝置中采用時鐘芯片對采樣進行計時，時鐘電路采用時鐘芯片DS1302。

2 傳感器節(jié)點硬件設計

傳感器節(jié)點部署在高壓柜內(nèi)各個監(jiān)測點上，由于電磁干擾嚴重，節(jié)點硬件盡可能考慮低功耗和抗干擾設計。硬件抗干擾主要是在傳感器信號調(diào)理電路中根據(jù)干擾情況，增加陷波電路，采用抗干擾能力強的JN5139無線控制器，減小節(jié)點體積，以電池供電等方式降低干擾。傳感器模塊主要由微處理器、無線通信單元、數(shù)據(jù)采集單元和電源單元4個部分組成。

2.1 微處理器模塊［4－5]

本設計采用JN5139無線控制器，JN5139是集成了uFl天線的高功率模塊，可以在較短的時間內(nèi)以較低的成本實現(xiàn)IEEE802.15.4協(xié)議或ZigBee兼容系統(tǒng)。JN5139提供了完整的RF和器件的解決方案及豐富的外圍器件。JN5139特性：集成uFl天線插槽；兼容2.4GHz、IEEE802.15.4和ZigBee協(xié)議；2.7～3.6V操作電壓；睡眠電流（包括睡眠定時器處于活動狀態(tài)）為2.8μA；接收靈敏度為－100 dBm。其MCU特性：16MHz 32位RISC CPU；96KB RAM，192 KB ROM；4個輸入端口，12位ADC，2個11位DAC，2個比較器，2個應用級定時器／計數(shù)器，2個串口（一個用于系統(tǒng)在線調(diào)試），一個SPI接口，支持5個片選。它能夠組建健壯的、安全的、低功耗的無線網(wǎng)絡應用。

2.2 信號獲取和處理模塊

高壓柜觸頭溫度傳感器節(jié)點原理圖如圖2所示。將示溫片粘貼在高壓柜觸頭上，當觸點溫度超溫時，示溫片受熱釋放CO2氣體，使柜內(nèi)CO2氣體濃度在短時間內(nèi)急劇升高，通過測量CO2氣體濃度實現(xiàn)溫度檢測。二氧化碳傳感器采用MS4100，相應的調(diào)理電路由TLC271構(gòu)成的跟隨器、TLC271構(gòu)成的放大器、TLC271構(gòu)成的減法器及溫度補償電路等組成。

3 傳感器節(jié)點軟件設計［6－8]

傳感器節(jié)點軟件流程圖如圖3所示。高壓柜觸頭溫度傳感器節(jié)點軟件開發(fā)平臺都使用Jennic公司提供的一整套開發(fā)工具。首先，用戶程序在Jennic CodeBlocks集成開發(fā)環(huán)境中進行調(diào)試和編譯。CodeBlocks是一個源碼開放的C／C＋＋集成開發(fā)環(huán)境，Jennic對其進行了二次開發(fā)，嵌入了很多用于ZigBee網(wǎng)絡開發(fā)的API函數(shù)，用戶程序經(jīng)過編譯成二進制文件。其次，使用Jennic Flash Programmer軟件將編譯的二進制文件下載到JN5139的Flash中，用戶程序就可以在JN5139上運行了。

節(jié)點上電時，首先進行初始化操作，包括ZigBee堆棧的初始化及硬件外設的初始化；接著進行信道查詢，選擇合適的網(wǎng)絡等待加入；然后向該網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)節(jié)點發(fā)送加入請求；最后，在收到允許加入的確認之后加入網(wǎng)絡，接收協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并把讀取的節(jié)點被測量數(shù)據(jù)及時發(fā)送到協(xié)調(diào)器。

圖2 高壓柜觸頭溫度傳感器節(jié)點原理圖

圖3 傳感器節(jié)點程序流程圖

系統(tǒng)采用非阻塞的設計方法，減少了CPU等待時間，大大提高了CPU的利用率，節(jié)省了時間。非阻塞程序設計流程如圖4所示。定時中斷程序主要完成數(shù)據(jù)的采集，中斷到時首先查詢傳感器狀態(tài)，根據(jù)查詢結(jié)果，完成啟動采樣、信號轉(zhuǎn)換和讀取采樣結(jié)果等操作，并在一個操作完成之后把傳感器狀態(tài)轉(zhuǎn)換成下一個操作狀態(tài)，依此循環(huán)采集數(shù)據(jù)。

圖4 非阻塞程序流程

4 測試結(jié)果

將上述方案設計的溫度測量進行了實驗室驗證，在空置的高壓開關柜內(nèi)，將示溫片貼在受熱的金屬上，通過該節(jié)點測量溫度，同時采用紅外測溫儀作為標準值，對比傳感器節(jié)點的測量值，進行了驗證。在0～100℃之間選取8個測量點，同時讀取紅外測溫儀和節(jié)點溫度值，實驗結(jié)果如表1所列。

表1 實驗結(jié)果

表1的實驗結(jié)果表明：所設計的測量誤差較小，能夠比較精確地對高壓柜的觸頭溫度進行在線監(jiān)測，誤差僅為±0.5℃，符合工程實際需要。

結(jié) 語

本文針對當前預裝式變電站監(jiān)測中面臨的監(jiān)測點分散、布線困難和實時性差等問題，提出了利用無線傳感器網(wǎng)絡對預裝式變電站高壓觸頭溫度進行在線監(jiān)測的方法。著重討論了傳感器節(jié)點軟硬件設計，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本連續(xù)在線監(jiān)測，較傳統(tǒng)在線監(jiān)測系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢。實際運行表明該系統(tǒng)運行可靠穩(wěn)定。

［1] 張巧芬，劉彥呈，張勤進，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡的變電站設備溫度監(jiān)測系統(tǒng)設計［J] .低壓電氣，2011（19）：39－41.

［2] 王海倫，蔡志宏，范一鳴.電氣設備溫度監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計［J] .傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（7）：97－99.

［3] 李麗芬，朱永利，黃建才，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡的絕緣子泄漏電流在線監(jiān)測系統(tǒng)［J] .電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39（10）：74－76.

［4] 崔光照，袁贊，劉沙.一種基于JN5121的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計［J] .汕頭大學學報，2008，23（1）：43－45.

［5] 黃金波，梁鵬，王德偉.基于JN5121無線ZigBee模塊瓦斯巡檢系統(tǒng)設計［J] .煤礦機電，2008（3）：25－27.

［6] Arici T，Altunbasak Y.Adaptive Sensing for Environment Monitoring Using Wireless Sensor Networks［J] .IEEEWCNC，2004，5（1）：2350－2355.

［7] 劉志東，陳彥明.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計［J] .桂林電子科技大學學報，2008，28（5）：399－402.

［8] 吳鍵，袁慎芳.無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計和實現(xiàn)［J] .儀器儀表學報，2006，9（27）：1120－1124.