基于WSN的母線(xiàn)槽溫升在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 晶，張金波，邵通廣

（1.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022；2.江蘇省輸配電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州213022）

基于WSN的母線(xiàn)槽溫升在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 晶1，2，張金波1，2，邵通廣1，2

（1.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022；2.江蘇省輸配電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州213022）

為了對(duì)母線(xiàn)槽連接處溫升實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)母線(xiàn)槽連接處的熱障礙，設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的母線(xiàn)槽溫升在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于熱敏電阻設(shè)計(jì)的溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)了母線(xiàn)槽連接處溫度直接測(cè)量，并利用ZigBee無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜節(jié)點(diǎn)溫度信息的傳輸。經(jīng)過(guò)測(cè)試，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，滿(mǎn)足母線(xiàn)槽溫升在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求，為實(shí)現(xiàn)母線(xiàn)槽溫升在線(xiàn)監(jiān)測(cè)提供了一種非常有效的手段。

母線(xiàn)槽；ZigBee技術(shù)；無(wú)線(xiàn)測(cè)溫；無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1 引 言

供電系統(tǒng)中的母線(xiàn)槽是電力傳輸?shù)囊粋€(gè)重要通道，母線(xiàn)槽在傳輸大電流時(shí)的溫升狀態(tài)是反映母線(xiàn)槽可靠性的一個(gè)重要指標(biāo)。正常運(yùn)行時(shí)，母線(xiàn)槽通過(guò)的電流從數(shù)百安培至數(shù)千安培不等。連接環(huán)節(jié)的材料老化、安裝不當(dāng)或接觸面積過(guò)小等原因，將會(huì)直接導(dǎo)致母線(xiàn)槽連接處接觸電阻的阻值增大，從而引起連接處的溫升。溫升一旦超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的允許值后，就會(huì)引發(fā)供電系統(tǒng)的重大事故［1］。通常，供電系統(tǒng)中母線(xiàn)槽的連接點(diǎn)一般有成百上千個(gè)，而且往往都是互相關(guān)聯(lián)的，只要一處發(fā)生故障，就有可能帶來(lái)重大的安全事故。因此，對(duì)母線(xiàn)槽溫升狀態(tài)的監(jiān)測(cè)是十分必要的。

傳統(tǒng)的母線(xiàn)槽溫升監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用有線(xiàn)方式進(jìn)行通訊，施工難度較大，少數(shù)的測(cè)量點(diǎn)容易實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)采集大量測(cè)量點(diǎn)時(shí)，就會(huì)遇到線(xiàn)路干擾、布線(xiàn)困難、安裝復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)成本高等問(wèn)題［2］?；跓o(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的母線(xiàn)槽溫升在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)母線(xiàn)槽溫升的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)不但運(yùn)行可靠，簡(jiǎn)單易實(shí)施，而且維護(hù)方便。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

母線(xiàn)槽溫升在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括溫度采集發(fā)射終端、協(xié)調(diào)中心和后臺(tái)監(jiān)控管理系統(tǒng)。溫度采集發(fā)射終端的通訊距離為幾百至上千米，每一個(gè)采集終端都具有自動(dòng)轉(zhuǎn)訊功能，因此，每一個(gè)采集終端的數(shù)據(jù)傳送都是通過(guò)相鄰的采集終端，即每一個(gè)采集終端都會(huì)自動(dòng)尋找通訊路徑至協(xié)調(diào)中心。協(xié)調(diào)中心與后臺(tái)監(jiān)控管理系統(tǒng)相連，將所采集的信息送入后臺(tái)監(jiān)控管理系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。管理人員在協(xié)調(diào)中心注冊(cè)后，只需通過(guò)簡(jiǎn)單的人機(jī)操作，即可對(duì)母線(xiàn)槽每一節(jié)點(diǎn)的溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)和曲線(xiàn)分析。同時(shí)系統(tǒng)還設(shè)置了超溫報(bào)警功能，一旦某一節(jié)點(diǎn)的溫度超過(guò)預(yù)設(shè)報(bào)警值，界面立即出現(xiàn)超溫報(bào)警信息，同步將報(bào)警信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)，從而提高了母線(xiàn)槽在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，最終有效地預(yù)防惡性事故發(fā)生。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 溫度采集發(fā)射終端設(shè)計(jì)

溫度采集發(fā)射終端如圖2所示，溫度采集模塊實(shí)時(shí)采集母線(xiàn)槽的A、B、C、N四相連接點(diǎn)的溫度，并將溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)將處理過(guò)的四路溫度信號(hào)通過(guò)ZigBee模塊轉(zhuǎn)換成無(wú)線(xiàn)信號(hào)發(fā)送至相鄰的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)具有液晶顯示和聲光報(bào)警功能。

圖2 測(cè)溫模塊框圖

3.1 溫度采集模塊

溫度采集模塊如圖3所示，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)是由熱敏電阻、電容和555定時(shí)器組成的一個(gè)多諧振蕩器。其中C10、C11、C12為無(wú)極電容，由滌綸材料制成，具有耐高溫的特點(diǎn)［3］。R18為NTC熱敏電阻，隨著溫度的上升，阻值不斷下降，且溫度和阻值的曲線(xiàn)關(guān)系呈非線(xiàn)性。由于R18的阻值隨著溫度變化在改變，所以多諧振蕩器輸出的方波周期也在不斷變化，通過(guò)單片機(jī)捕獲方波的周期，可以計(jì)算出R18的阻值，繼而可以推算出此時(shí)的溫度。

用NTC測(cè)溫是最廉價(jià)的解決方案之一，并且測(cè)試精度高、體積小、反應(yīng)速度快、能長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境下工作。NTC熱敏電阻的溫度和阻值雖然不是呈線(xiàn)性關(guān)系，但可以通過(guò)公式（1）計(jì)算出對(duì)應(yīng)阻值的溫度值：

式中，Rt為熱敏電阻在T1溫度下的阻值，R為熱敏電阻在T2常溫下的標(biāo)稱(chēng)阻值，EXP代表en，T1和T2均是開(kāi)爾文溫度，K＝273.15（絕對(duì)溫度）＋攝氏溫度，B值是熱敏電阻的材料常數(shù)，即熱敏電阻器的芯片（一種半導(dǎo)體陶瓷）在經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)后，形成具有一定電阻率的材料，每種配方和燒結(jié)溫度下只有一個(gè)B值，所以稱(chēng)之為材料常數(shù)，它可以通過(guò)電阻型號(hào)得知。

圖3 溫度采集模塊原理圖

溫度轉(zhuǎn)換代碼如下：

3.2 無(wú)線(xiàn)模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)模塊采用的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器為CC2430，這是一款目前無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最多的嵌入式通訊芯片，它集成了符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee通訊協(xié)議和一個(gè)工業(yè)級(jí)的高級(jí)8051控制器，是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通訊芯片。并且CC2430只需要很少的外部元件即可運(yùn)行［4］。

無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊電路如圖4所示，主要由電源、復(fù)位電路、串口連接電路和無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路組成。串口數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)MAX232將電平轉(zhuǎn)換為T(mén)TL電平，再通過(guò)CC2430無(wú)線(xiàn)發(fā)送至相鄰節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)中心［5］。

圖4 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊電路圖

4 后臺(tái)監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

后臺(tái)監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件采用Visual Studio 2010作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。其功能模塊及組織結(jié)構(gòu)如圖5所示。主要功能有：初始化設(shè)置，選擇測(cè)溫范圍和測(cè)溫節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)分別以文本及曲線(xiàn)的形式顯示出來(lái)；報(bào)警溫度及控制方法設(shè)置，實(shí)現(xiàn)母線(xiàn)槽溫升點(diǎn)溫度無(wú)線(xiàn)監(jiān)控的自動(dòng)或手動(dòng)控制；界面連接后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，調(diào)用數(shù)據(jù)報(bào)表，觀察數(shù)據(jù)的變化和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)報(bào)警記錄及歷史溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)和管理；系統(tǒng)同時(shí)還設(shè)置用戶(hù)管理權(quán)限，區(qū)分普通管理員和高級(jí)管理員，通過(guò)權(quán)限設(shè)置，添加和刪除用戶(hù)。

圖5 軟件結(jié)構(gòu)圖

如圖6所示，通過(guò)對(duì)日期和子節(jié)點(diǎn)的選擇進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)，系統(tǒng)將儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中的溫度值調(diào)出，以動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)的形式將節(jié)點(diǎn)溫度呈現(xiàn)出來(lái)，方便用戶(hù)更直觀簡(jiǎn)明的了解溫度值的變化過(guò)程及發(fā)展趨勢(shì)，更好的保護(hù)母線(xiàn)槽的安全性和預(yù)防惡性事故的發(fā)生。同時(shí)可通過(guò)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)出節(jié)點(diǎn)某一天的整點(diǎn)溫度值，并以報(bào)表的形式顯示出來(lái)。由圖7可以看出，當(dāng)某一時(shí)刻的溫度值高于報(bào)警溫度值時(shí)，這一時(shí)刻的溫度顯示呈紅色，管理員由此可得知，此刻溫度超標(biāo)，簡(jiǎn)潔明了，便于查詢(xún)。

關(guān)鍵代碼如下：

圖6 實(shí)時(shí)溫度曲線(xiàn)查詢(xún)界面

圖7 數(shù)據(jù)報(bào)表分析界面

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證母線(xiàn)槽在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用效果，對(duì)某個(gè)母線(xiàn)槽節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)地安裝和在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。實(shí)際溫度值與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所測(cè)溫度值的比較如表1所示。

表1 母線(xiàn)槽的實(shí)際溫度與在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算可得，溫度的平均相對(duì)誤差為1.2%，可見(jiàn)，測(cè)量值與實(shí)際值相差較小，精度較高，能滿(mǎn)足大部分測(cè)量場(chǎng)合的要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)輸配電事業(yè)的快速發(fā)展，母線(xiàn)槽已成為各項(xiàng)工程在輸配電領(lǐng)域不可缺少的部分。同時(shí)，隨著低壓配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)日益發(fā)展，國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)自動(dòng)化對(duì)輸配電的要求不斷提高，對(duì)于母線(xiàn)槽產(chǎn)品的智能化要求日益顯著［6］?；跓o(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的母線(xiàn)槽溫升在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不但能對(duì)母線(xiàn)槽測(cè)溫裝置連接點(diǎn)的溫度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，而且能夠準(zhǔn)確、迅速判斷母線(xiàn)槽測(cè)溫裝置的熱故障及故障地點(diǎn)，同時(shí)還能將值班人員從傳統(tǒng)枯燥的監(jiān)控工作中解脫出來(lái)，提高了工作效率，因此具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

［1］任秀麗，于海斌.ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2007，28（12）：2133.

［2］盧崇，馬建倉(cāng)，王吉富，等.基于Atmega128L與CC2420的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2006（12）：130-133.

［3］肖廣兵，田杰，鐘景輝.基于ZigBee的高速公路氣象預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2010（12-2）：121-123.

［4］劉江沙，雷偉，尹酉.基于CC2430的串口無(wú)線(xiàn)模塊的設(shè)計(jì)［J］.國(guó)外電子元器件，2007（4）：256-258.

［5］劉宏，孫學(xué)軍，楊軍.基于WSN技術(shù)的水輪發(fā)電機(jī)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.水利發(fā)電，2012（6）：421-423.

［6］ZigBee Alliance.Network Specification（Draf Version1.0）［EB／OL］.2004，http：／／www.ZigBee.org.2009.

［7］凌志浩，周怡頒，鄭麗國(guó).ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)及其應(yīng)用研究［J］.華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，32（7）：801-805.

Design of Busway Temperature Online Monitoring System Based on WSN

WANG Jing1，2，ZHANG Jin-bo1，2，SHAO Tong-guang1，2
（1.College of IOT Engineering，HoHai University，Changzhou 213022，China；2.Jiangsu Key Laboratory of Power Transmission Equipment Technology，Changzhou 213022，China）

A busway temperature online monitoring system based on wireless sensor network technology is present in the paper.The temperature of the busway junction can bemonitored in real time，and the thermal fault of the connection of the busway can be found in time.In the system，the temperature sensor designed based on thermistors can measure the temperature of the busway connection directly，and then transfer the node temperature information by ZigBee wireless communication technology.After test，the system performance is stable and reliable，and italsomeets requirements of the busway temperature online monitoring system.The system provides a very effective means for the realization of busway temperature onlinemonitoring.

Busway；ZigBee Technology；Wireless Temperature；Wireless Network Technology

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.01.025

TP277

：A

：1002-2279（2014）01-0093-04

王晶（1989-），女，江蘇泰州人，碩士研究生，主研方向：檢測(cè)技術(shù)與智能系統(tǒng)。

2013-08-02