基于Zigbee通訊網(wǎng)絡平臺的干式變壓器運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

□ 孔祥翔 楊勇

基于Zigbee通訊網(wǎng)絡平臺的干式變壓器運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

□ 孔祥翔 楊勇

在原有的廣西人民廣播電臺演播樓UPS管理系統(tǒng)平臺上，采用ZigBee技術，實時讀取變壓器的溫控儀的相關數(shù)據(jù)，通過modbus傳輸規(guī)約將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心，利用組態(tài)軟件完全自主開發(fā)干式變壓器運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的應用減輕了動力科值班人員的工作負擔，降低了管理成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，優(yōu)化了管理品質，延長了干式變壓器的使用壽命，有效地保障了安全播出。

Zigbee；干式變壓器；modbus通訊規(guī)約；狀態(tài)分析管理系統(tǒng)

廣西人民廣播電臺原有的1#油式變壓器使用年限較久，且有漏油現(xiàn)象，存在一定的供電安全隱患，為了保障安全播出以及供電的穩(wěn)定性，更換了一臺500KVA干式變壓器。干式變壓器的運行狀況與繞組的絕緣性能有較大關系，而繞組溫度是影響絕緣損壞程度的主要因素。當溫度達到一定限值時，會使繞組絕緣惡化，如不及時發(fā)現(xiàn)，會導致干變絕緣擊穿和爆炸，引起大面積停電，影響安全播出供電，造成不可估量的損失。目前廣西人民廣播電臺采用傳統(tǒng)的定期人工手持紅外溫度探測槍進行定期測量的方式對干變的溫度狀況進行監(jiān)測，不能實時監(jiān)測干變的繞組溫度變化情況，無法及時發(fā)現(xiàn)變壓器的故障，存在一定的供電安全隱患。根據(jù)實際情況，在原有的廣西電臺演播樓UPS管理系統(tǒng)軟件平臺上，自主開發(fā)設計出了一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡的變壓器繞組溫度的實時監(jiān)測和狀態(tài)分析管理系統(tǒng)。

一、ZigBee概要

Zigbee技術是一種新興的無線通信技術，具有傳輸距離短、復雜度低、功耗小、數(shù)據(jù)速率低和成本少的特點。其中Z-Stack協(xié)議棧是ZigBee技術的核心，ZigBee協(xié)議棧以IEEE802.15.4的物理層和MAC層為基礎，在IEEE802.15.4標準上又增加了網(wǎng)絡層、應用層和安全服務層。Z-Stack協(xié)議棧由各層模塊組成，下一層需要為上一層提供特定服務，其中數(shù)據(jù)的服務實體需要提供數(shù)據(jù)傳輸服務，而管理的實體需要提供所有管理服務。每個服務實體通過相應的服務實體接入點（SAP）為其上一層提供一個數(shù)據(jù)接口，每個服務接入點通過“服務原語”來完成服務功能，ZigBee協(xié)議棧結構如圖1所示。

二、ZigBee技術與其他無線通信協(xié)議的比較

當前工業(yè)監(jiān)控中短距離無線網(wǎng)絡傳輸領域中存在紅外技術、Wi-Fi、藍牙和ZigBee等技術。Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡技術可以通過建立網(wǎng)絡拓撲來增加通訊傳輸距離和擴大網(wǎng)絡的覆蓋范圍，并且其工作在免收費工作頻段（2.4GHz），這對于工業(yè)監(jiān)控的數(shù)據(jù)采集和控制信號傳輸來說都是非常適合的，表1是四種常用無線通信協(xié)議的比較。

三、Modbus協(xié)議簡介

Modbus通訊協(xié)議廣泛應用于工業(yè)自動化控制領域，協(xié)議結構簡明通用，大部分工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)都支持該協(xié)議。Modbus定義了OSI模型第7層上的應用層報文傳輸協(xié)議，實現(xiàn)了串行鏈路上的協(xié)議標準化，在一個主節(jié)點和多個從節(jié)點之間實現(xiàn)查詢和應答功能。Modbus協(xié)議規(guī)定了兩種串行傳輸模式：RTU模式和ASCII模式。本系統(tǒng)采用RTU模式，RTU報文中每個8位字節(jié)含有兩個4位十六進制字符，具有比較高的數(shù)據(jù)密度，在相同的波特率下比ASCII模式具有較高的信息交換率。具體上上位機下傳數(shù)據(jù)格式和下位機上傳數(shù)據(jù)格式如表2和表3所示。

四、系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)的總體設計方案如圖2所示，通過Zigbee無線傳感器，網(wǎng)絡對干式變壓器的溫控儀各相繞組溫度等相關參數(shù)進行實時監(jiān)控，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動化處理、故障預警和運行狀態(tài)分析判斷，提高全臺供電的可靠性和穩(wěn)定性，監(jiān)控系統(tǒng)可分為以下三個部分：

（一）基于溫控儀從節(jié)點的無線數(shù)據(jù)采集部分，主要部分是從節(jié)點通過對干式變壓器的溫控儀的各種狀態(tài)信息量進行采集。

圖1 Zigbee協(xié)議棧結構圖

圖2 系統(tǒng)總體設計方案圖

圖3 監(jiān)控主界面

（二）基于Zigbee技術的組網(wǎng)和無線數(shù)據(jù)傳輸部分，這部分主要是實現(xiàn)將從節(jié)點能采集到的變壓器數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳送到主節(jié)點，再由主節(jié)點匯聚后最終通過串口發(fā)送至上位機以達到監(jiān)測的目的，并且可以通過路由器節(jié)點的布置來擴展通信距離，從而擴大無線傳感器網(wǎng)絡的覆蓋范圍。

（三）基于力控組態(tài)的上位機監(jiān)測界面部分，這部分功能主要是將通過串口接收網(wǎng)絡傳送過來的數(shù)據(jù)，以圖形的方式用上位機監(jiān)測界面直觀地顯示出來，并能通過短信和現(xiàn)場語音將故障狀況及時準確通知相關人員，并將報警信息存儲于數(shù)據(jù)庫中，以便值班人員采取相應的保障措施。

表1 無線網(wǎng)絡標準的比較

表2 上位機下傳數(shù)據(jù)格式

表3 下位機上傳數(shù)據(jù)格式

五、軟件平臺設計

本監(jiān)測系統(tǒng)的軟件平臺主要是基于力控組態(tài)軟件進行編寫的，只需進行簡單的編程，就可設計出通用性強和可靠性高的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。軟件平臺主要包括數(shù)據(jù)顯示子系統(tǒng)、預警子系統(tǒng)、狀態(tài)分析子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)保存子系統(tǒng)和報表統(tǒng)計子系統(tǒng)等功能組成。監(jiān)控主界面如圖3所示。

（一）數(shù)據(jù)顯示子系統(tǒng)

直觀顯示干式變壓器三相繞組的實時溫度、風機啟動時間、故障代碼和運行狀態(tài)等參數(shù)，同時以曲線形式描繪溫度的實時變化，可以使值班人員直觀地了解溫度的變化情況。

（二）預警子系統(tǒng)

根據(jù)國家對于干式變壓器運行的標準，結合現(xiàn)場實際所用變壓器，設置了干式變壓器的溫度預警。出現(xiàn)報警時，系統(tǒng)會跳出告警窗口，以語音播報方式提醒值班人員，并通過短信及時通知相關工作人員故障的具體情況。

（三）狀態(tài)分析子系統(tǒng)

通過modbus通訊協(xié)議將下位機設備上傳的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇M態(tài)軟件，在后臺將數(shù)據(jù)的儀器狀態(tài)字的十六進制數(shù)轉換成二進制數(shù)，根據(jù)ABB干式變壓器儀器狀態(tài)字的標準定義，將設備的當前狀態(tài)顯示在監(jiān)控界面。

（四）報表統(tǒng)計子系統(tǒng)

根據(jù)實際需要生成各類報表，包括時、日、月、季度和年度報表，并提供完善的報表查詢服務，可以在線查詢和打印系統(tǒng)記錄的所有數(shù)據(jù)值，并能以Excel的形式導出保存。

六、結語

變壓器繞組溫度超過絕緣耐受溫度使絕緣破壞，是導致變壓器不能正常工作的主要原因，因此繞組溫度監(jiān)控對于保證其安全運行有著重要的意義。通過自主開發(fā)干式變壓器運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，不但能夠實時監(jiān)控變壓器溫控儀的各相繞組溫度等相關數(shù)據(jù)，還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動化處理、故障預警和運行狀態(tài)分析判斷，提高全臺供電的可靠性和穩(wěn)定性。

1.孫軍,朱小平,方彥軍.基于 Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡在變電站中的應用[J].電氣應用,2008（09）.

2.倪敬飛.Zigbee-2006協(xié)議棧的實現(xiàn)及其應用[D].蘇州大學,2009.

3.梁湖輝,張峰,常沖,趙 濤.基 于Zigbee的變電站監(jiān)測報警系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010（12）.

（作者單位：廣西人民廣播電臺）