ZigBee在電力系統(tǒng)溫度測(cè)量中的應(yīng)用

1引言
隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)向著高電壓、大機(jī)組、大容量的迅速發(fā)展，對(duì)供電可靠性的要求也越來(lái)越高。發(fā)電廠、變電站的高壓開(kāi)關(guān)柜是重要的電氣設(shè)備。在設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，開(kāi)關(guān)柜中的母線接點(diǎn)、高壓電纜接頭等部位因老化或接觸電阻過(guò)大而發(fā)熱，使相鄰的絕緣部件性能劣化，甚至擊穿而造成事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電力系統(tǒng)發(fā)生事故原因中有相當(dāng)一部分與發(fā)熱問(wèn)題有關(guān)。因此，電氣設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)問(wèn)題己經(jīng)成為電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備安全運(yùn)行所急需解決的實(shí)際問(wèn)題，是提高電氣設(shè)備可靠性的迫切需要，對(duì)保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義，必須采取有效措施監(jiān)控母線溫度。當(dāng)溫升超過(guò)允許值時(shí)，必須發(fā)出報(bào)警信號(hào)及時(shí)提醒有關(guān)人員采取措施，避免事故的發(fā)生。
由于開(kāi)關(guān)柜中的母線處于高壓電位，每相對(duì)地和不同相之間都存在很高的電壓，且結(jié)構(gòu)狹小，無(wú)法進(jìn)行人工巡查測(cè)溫，所以直接檢測(cè)高壓母線溫度一直是電力系統(tǒng)檢測(cè)中的一個(gè)難題。現(xiàn)有的測(cè)溫系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方式有三類：普通電纜，光纖和無(wú)線傳輸。對(duì)于電力母線接點(diǎn)、高壓電纜接頭等，網(wǎng)點(diǎn)數(shù)多，電壓高，電磁干擾強(qiáng)。普通電纜顯然是不行的。光纖式溫度在線監(jiān)測(cè)裝置，一般是采用光纖傳導(dǎo)信號(hào)，不受高壓和環(huán)境的干擾。缺點(diǎn)是光纖具有易折、易斷、不耐高溫的特點(diǎn)，并且布線難度較大，比較昂貴?；谶@些可以使用無(wú)線傳輸，高壓電會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁場(chǎng)，對(duì)無(wú)線電波干擾很大，需要選擇適當(dāng)頻率的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，另外測(cè)溫設(shè)備要用電池供電，測(cè)溫設(shè)備必須低功耗，工作時(shí)間長(zhǎng)。體積小，易安裝。盡管國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研究了多種方案來(lái)監(jiān)測(cè)母線溫度，但均有一定的局限性和不足。Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的低成本、短時(shí)延、免執(zhí)照頻段、高安全、近距離、低復(fù)雜度，低功耗等優(yōu)點(diǎn)，滿足高壓母線測(cè)溫的條件，是解決的良好途徑。2 ZigBee技術(shù)
1999年，藍(lán)牙熱潮席卷全球，然而發(fā)展數(shù)年，一直受芯片價(jià)格高、廠商支持力度不夠、傳輸距離限制及抗干擾能力差等問(wèn)題的困擾。
IEEE無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（PAN）工作組的 IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是 ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)。 IEEE802.15.4滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織（ ISO）開(kāi)放系統(tǒng)互連（OSI）參考模式。它定義了單一的 MAC層和多樣的物理層（如圖 1所示）。802.15.4標(biāo)準(zhǔn)旨在為低能耗的簡(jiǎn)單設(shè)備提供有效覆蓋范圍在 10-75米的低速連接， IEEE802.15.4定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是 2.4GHz物理層和 868/915GHz物理層[2]。2.4GHz波段為全球統(tǒng)一的無(wú)需申請(qǐng)的 ISM頻段，有助于 ZigBee設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。 2.4GHz的物理層通過(guò)采用高階調(diào)制技術(shù)能夠提供 250kbps的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時(shí)延和更短的工作周期。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。

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3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)框架
本文提出一種比較理想的母線測(cè)溫方案：以 Zigbee為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)（或高速 RS-485）為骨干網(wǎng)， CC2430低功耗單片機(jī)為傳感器控制核心，采用一線式數(shù)字溫度傳感器 DS18B20為溫度采集裝置的高壓母線溫度測(cè)量方案，系統(tǒng)框架如圖 2。
 
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無(wú)線溫度測(cè)量系統(tǒng)由三部分組成，如圖 2系統(tǒng)框架圖所示：
(1) 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)：負(fù)責(zé)采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)通過(guò) ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。
(2) ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理器（區(qū)域數(shù)據(jù)傳輸中心）：負(fù)責(zé)收集無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出的溫度數(shù)據(jù)，并把所收集的數(shù)據(jù)上傳到測(cè)溫主機(jī)。
(3) 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)：負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)接收終端進(jìn)行工作參數(shù)設(shè)定，接收從系統(tǒng)中各個(gè) ZigBee網(wǎng)關(guān)終端上傳的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)保存，分析和管理等；測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)可在系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中作長(zhǎng)期存儲(chǔ)記錄，供隨時(shí)查詢顯示。

無(wú)線溫度采集器直接安裝在母線上，一個(gè) ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理器能管理多個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)管理器通過(guò)高速骨干網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较到y(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，由監(jiān)控終端實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，溫度變化曲線圖，能打印相關(guān)報(bào)表，當(dāng)母線溫度異常時(shí)，管理終端通過(guò)多種報(bào)警方式提醒相關(guān)人員采取措施。
3.2 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)
無(wú)線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)是該網(wǎng)絡(luò)的基本單元，它負(fù)責(zé)獲取溫度數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的預(yù)處理，并將之傳輸?shù)絑igBee網(wǎng)絡(luò)管理器。無(wú)線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)由下列部分組成：內(nèi)部集成符合 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的射頻(RF)收發(fā)器的CC2430無(wú)線單片機(jī) [3]；美國(guó)Dallas公司推出的DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器等。DB18B20直接通過(guò)單線與CC2430單片機(jī)I/O口連接，不必另外增加專門(mén)的總線控制器，減少硬件成本。減小了無(wú)線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)的體積。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3 CC2430無(wú)線溫度傳感器結(jié)構(gòu)。

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3.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理器
在該系統(tǒng)中的ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理器集成了 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)和協(xié)調(diào)器的功能，具備至關(guān)重要的作用，一方面采用 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方式與無(wú)線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)連接，并且以固定的時(shí)間間隔對(duì)無(wú)線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫以及讀取它的工作參數(shù)，同時(shí)存入內(nèi)存，這就需要每個(gè)終端為所管理的無(wú)線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置編號(hào)表，以免發(fā)生錯(cuò)亂；另一方面采用或以太網(wǎng)（或RS-485總線）與測(cè)溫主機(jī)連接，受控于測(cè)溫主機(jī)的命令而做出一系列的反映。具體功能有：接收并存儲(chǔ)傳感器數(shù)據(jù)；管理所管轄的 ZigBee子網(wǎng)；報(bào)警功能；傳輸數(shù)據(jù)給測(cè)溫主機(jī)；設(shè)定和修改終端工作參數(shù)；工作狀態(tài)指示；時(shí)鐘和看門(mén)狗功能。結(jié)構(gòu)如圖4所示：

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無(wú)線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)的工作參數(shù)（發(fā)射頻率、發(fā)射功率、采樣間隔）事先通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)，在安裝前設(shè)定好，使用過(guò)程中無(wú)法通過(guò)無(wú)線方式修改參數(shù)。無(wú)線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)與 ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理器間的通信，無(wú)線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的無(wú)線數(shù)據(jù)包格式：開(kāi)始標(biāo)志 STX(AAH)；傳感器編號(hào) ID（4Byte）；溫度數(shù)據(jù)：溫度數(shù)據(jù) Temp占 2個(gè)字節(jié)，其最高位（ D15）表示正負(fù)（0-正，1-負(fù)）；狀態(tài)字節(jié)：從采集器發(fā)往接收終端的狀態(tài)字節(jié)的含義（D7–故障標(biāo)志： D7=1表示有故障，這時(shí) D6~D0為故障碼（ >1）；D7=0表示無(wú)故障，這時(shí)： D4~D3–采樣間隔，00-1秒，01--30秒，10-2分鐘， 11-10分鐘； D2–發(fā)射功率， 0-低，1-高；D1D0–電池電量，00-無(wú)，01-低，10-中，11-高。校驗(yàn)碼 CRC8（1Byte）；結(jié)束標(biāo)志 ETX（55H）4 關(guān)鍵技術(shù)
4.1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
ZigBee網(wǎng)絡(luò)有三種網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu) [4]：星型、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理 254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成 65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。
發(fā)電廠、變電站的高壓開(kāi)關(guān)柜中的母線眾多。網(wǎng)絡(luò)傳感器需要大量分布，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)量大以及實(shí)時(shí)性要好等特點(diǎn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最多可組成 65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)，可以滿足網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)的需求，但在 ZigBee協(xié)調(diào)器（主節(jié)點(diǎn)）與 ZigBee路由， ZigBee網(wǎng)關(guān)之間的線路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，而速率最高僅為250kbps，滿足不了該系統(tǒng)要求。并且 ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用CSMA／CA的媒質(zhì)訪問(wèn)控制機(jī)制、確認(rèn)幀的應(yīng)答方式和 CRC-16 ITU的校驗(yàn)機(jī)制。所有節(jié)點(diǎn)在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，那么沖突域很大，影響傳輸效果。
為提高骨干網(wǎng)的傳輸效率，減小無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)碰撞，縮短延時(shí)時(shí)間，更有利于提高數(shù)據(jù)傳輸效率，方便系統(tǒng)管理與維護(hù)。在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)做了兩點(diǎn)改進(jìn)：
一、把整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分成多個(gè)子網(wǎng)，把蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)引入到 Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，如圖，每一個(gè)六邊型區(qū)域構(gòu)建一個(gè) ZigBee網(wǎng)絡(luò)，如圖 5蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（小區(qū)制），相鄰區(qū)域使用不同的頻率，不相鄰區(qū)域可以使用相同的頻率。根據(jù) IEEE 802.15.4-2003協(xié)議（共規(guī)定了 27個(gè)通信信道： 868MHz有 1個(gè)，速率為 20kbps；915MHz有 lO個(gè)，速率為40kbps； 2.45GHz有16個(gè)，速率為 250kbps。[1]），ZigBee網(wǎng)絡(luò)頻率采用 2.45GHz， 16個(gè)通信信道足夠，這樣滿足了系統(tǒng)的需求，也不浪費(fèi)無(wú)線頻率資源。并根據(jù)系統(tǒng)安裝的情況和用戶的配置，由 ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理器負(fù)責(zé)進(jìn)行管理。

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二、子網(wǎng)與監(jiān)控管理子系統(tǒng)之間的骨干網(wǎng)，根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的條件采用以太網(wǎng)或高速 RS-485網(wǎng)絡(luò)傳輸。采用各種網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)處在實(shí)際應(yīng)用中得到了良好的效果。
4.2可靠性設(shè)計(jì)
在該系統(tǒng)中溫度傳感器節(jié)點(diǎn)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理器之間的數(shù)據(jù)通信是基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的。在無(wú)線傳輸過(guò)程中，由于受傳輸距離、現(xiàn)場(chǎng)狀況等許多可能出現(xiàn)的因素的影響，傳感器節(jié)點(diǎn)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理器之間通信常會(huì)發(fā)生無(wú)法預(yù)測(cè)的錯(cuò)誤。為了使系統(tǒng)能夠可靠地通信，在設(shè)計(jì)ZigBee通信協(xié)議棧時(shí)需考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?
1.在物理層對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)以保證傳輸?shù)恼_性。 2. MAC層數(shù)據(jù)通信采用GTS模式，保證ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)通信的可靠性。
3.傳輸層提供可靠傳輸服務(wù)，要求接收方響應(yīng)確認(rèn)幀。
4.傳感器節(jié)點(diǎn)調(diào)用ZigBee協(xié)議棧應(yīng)用層數(shù)據(jù)服務(wù)接口，便可將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee網(wǎng)絡(luò)管理器。 5. ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理器和監(jiān)視中心主機(jī)之間數(shù)據(jù)通信是基于以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)（或RS-485）的， ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理器采用 AX88796以太網(wǎng)控制器（或工業(yè)級(jí) MAX485）芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，它們的各種機(jī)制和算法保證了數(shù)據(jù)可靠傳輸。

無(wú)線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理器都有看門(mén)狗，硬件電路進(jìn)行了抗干擾設(shè)計(jì)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)采用穩(wěn)定可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)Infoplus，管理終端與服務(wù)器分開(kāi)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。
4.3節(jié)點(diǎn)低功耗設(shè)計(jì)
在電力母線測(cè)溫系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)安裝后，需要持續(xù)工作很長(zhǎng)時(shí)間，高能量電池的選擇是必要的，但節(jié)點(diǎn)的節(jié)能是一個(gè)更加重要的問(wèn)題。降低溫度采集器的能耗，主要通過(guò)選擇低功耗芯片，減少芯片工作時(shí)間：采用內(nèi)部集成符合 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的 2.4GHz的射頻 (RF)收發(fā)器的CC2430無(wú)線單片機(jī)和數(shù)字溫度傳感器 DB18B20芯片，可滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)低功耗的要求；CPU以最快的速度執(zhí)行任務(wù)，然后進(jìn)入休眠模式，通過(guò)中斷喚醒單片機(jī)和射頻收發(fā)器。設(shè)計(jì) ZigBee通信協(xié)議棧，各層均實(shí)現(xiàn)節(jié)能機(jī)制，降低節(jié)點(diǎn)的能耗，盡量降低信號(hào)的發(fā)射功率。信號(hào)發(fā)射功率的降低會(huì)導(dǎo)致發(fā)送節(jié)點(diǎn)的功耗下降。MAC層數(shù)據(jù)通信采用GTS模式，在保證時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，其它時(shí)隙可以進(jìn)入休眠模式。芯片還采用了CSMA-CA技術(shù)來(lái)避免數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突[5]，也減少了不必要的能量消耗。經(jīng)過(guò)測(cè)算，選用高能量的電池，該無(wú)線溫度傳感器可以工作十年左右。5 結(jié)束語(yǔ)
該無(wú)線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)以ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信為核心，結(jié)合蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和高速局域網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn),減少信號(hào)碰撞，增強(qiáng)系統(tǒng)骨干網(wǎng)的傳輸能力。采用低成本、低功耗無(wú)線單片機(jī) CC2430、數(shù)字溫度傳感器獲取數(shù)據(jù)，理想地實(shí)現(xiàn)了高壓測(cè)溫一次設(shè)備和二次監(jiān)測(cè)設(shè)備的電隔離、保證系統(tǒng)的安全可靠性。實(shí)現(xiàn)了高壓母線溫度數(shù)據(jù)的自動(dòng)化測(cè)量，很好的解決了高壓環(huán)境下，母線溫度檢測(cè)的問(wèn)題。系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、檢測(cè)精度高，速度快，且具有無(wú)線數(shù)據(jù)通信靈活方便等特點(diǎn)。隨著 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，將更加適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、監(jiān)測(cè)封閉空間和其它需要多點(diǎn)監(jiān)測(cè)的特殊場(chǎng)合。