基于ZigBee的開關(guān)柜過熱檢測系統(tǒng)

高壓開關(guān)設(shè)備是電力系統(tǒng)重要的控制和保護(hù)設(shè)備,主要用于關(guān)合及開斷電力線,輸送及倒換電力負(fù)荷,以及從電力系統(tǒng)退出故障設(shè)備和線路,對(duì)電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行起著舉足輕重的作用。

高壓開關(guān)柜是高壓開關(guān)設(shè)備的最主要部件,承擔(dān)著開斷和關(guān)合電力線路等重要作用,在電力系統(tǒng)中獲得了日益廣泛的應(yīng)用。高壓開關(guān)柜是將高壓開關(guān)和控制、測量、調(diào)節(jié)、保護(hù)裝置以及外殼、輔件及支持件等部件按照輸配電功能需要組裝起來,除進(jìn)出線外,其余部件完全被金屬外殼封閉的開關(guān)設(shè)備,它承擔(dān)著開斷和關(guān)合電力線路、線路故障保護(hù)、監(jiān)測運(yùn)行電量數(shù)據(jù)等重要作用。國務(wù)院于2006年2月發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中,將超大規(guī)模輸配電和電網(wǎng)安全保障列為能源這一重點(diǎn)領(lǐng)域中的優(yōu)先發(fā)展對(duì)象。

電力設(shè)備安全可靠性是超大規(guī)模輸配電和電網(wǎng)安全保障的重要環(huán)節(jié),高壓開關(guān)柜作為一種廣泛運(yùn)用的電力設(shè)備,其安全可靠性也因而受到了更多的關(guān)注。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),國內(nèi)不少發(fā)電公司、電力公司均出現(xiàn)過不同程度的高壓開關(guān)柜故障,并造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失。這些故障有一部分來自開關(guān)柜本身的質(zhì)量問題,更重要的原因在于目前缺乏針對(duì)開關(guān)柜的有效監(jiān)測手段。大多數(shù)高壓開關(guān)設(shè)備采用封閉結(jié)構(gòu)、散熱條件較差,在設(shè)備的長期運(yùn)行過程中,開關(guān)柜內(nèi)的觸點(diǎn)、接頭及母線排連接處等部位因老化，接觸電阻過大或工差配合不良而發(fā)熱,并長期處于高電壓,大電流和滿負(fù)荷的條件下運(yùn)行,其結(jié)果導(dǎo)致熱量集結(jié)加劇,如果不對(duì)溫升采取有效的監(jiān)測措施,將會(huì)危及電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。特別是當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí),強(qiáng)大的電流使電氣設(shè)備內(nèi)部溫升加劇,電氣絕緣遭到嚴(yán)重破壞,并使電氣設(shè)備壽命縮短,甚至造成電氣設(shè)備被燒毀的嚴(yán)重事故。

電力行業(yè)常常發(fā)生電力電纜和設(shè)備因過熱而引起火災(zāi),導(dǎo)致大面積的電纜燒毀和設(shè)備損壞而被迫停機(jī),短時(shí)間內(nèi)無法恢復(fù)生產(chǎn),從而造成重大經(jīng)濟(jì)損失;引起電力設(shè)備過熱和火災(zāi)發(fā)生的直接原因是電纜中間接頭制作質(zhì)量不良、壓接頭不緊固!接觸電阻過大,長期運(yùn)行造成的電纜頭過熱!燒穿絕緣等。統(tǒng)計(jì)表明建設(shè)10年后的變電站,基建時(shí)制作的電纜頭90%以上均因質(zhì)量不良引發(fā)故障而更換。

一、國內(nèi)外高壓開關(guān)柜溫度檢測的研究現(xiàn)狀及分析

電網(wǎng)設(shè)備中的觸頭和接頭是電網(wǎng)安全的一個(gè)重要隱患。資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,故障點(diǎn)主要發(fā)生在如下位置:

(l)開關(guān)柜動(dòng)、靜觸頭

開關(guān)柜作為一種廣泛運(yùn)用的電力設(shè)備,在輸配電系統(tǒng)中承擔(dān)著開斷和關(guān)合電力線路、線路故障保護(hù)、監(jiān)測運(yùn)行電量數(shù)據(jù)的重要作用。開關(guān)柜因高壓斷路器動(dòng)、靜觸頭接觸不良,加上長期的大電流、觸頭老化等因素易致其接觸電阻增大,從而導(dǎo)致長時(shí)間發(fā)熱、觸頭溫升過高甚至最終發(fā)生高壓開關(guān)柜燒毀事故。

(2)電纜接頭

隨著運(yùn)行時(shí)間的延長、壓接頭的松動(dòng)、絕緣老化、以及局部放電!高壓泄漏等,將引起發(fā)熱和溫度升高,溫升繼續(xù)誘使上述狀況進(jìn)一步惡化,惡化的結(jié)果必然促使進(jìn)一步溫升。如此惡性循環(huán),引發(fā)短路故障,甚至引發(fā)火災(zāi)事故。

電力系統(tǒng)中對(duì)電力設(shè)備的檢修正在由故障檢修、預(yù)防性檢修向狀態(tài)檢修過渡,作為輸配電系統(tǒng)中廣泛運(yùn)用的高壓開關(guān)柜,對(duì)其實(shí)施狀態(tài)檢修是非常必要的。目前對(duì)高壓開關(guān)柜的監(jiān)測大都基于人工巡檢,用手持式紅外測溫儀檢測開關(guān)柜內(nèi)的溫度數(shù)據(jù);由于開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,元件遮擋的影響使得紅外測溫儀無法獲得準(zhǔn)確溫度采集數(shù)據(jù),且巡檢時(shí)間間隔較長。目前國內(nèi)外有多家公司正在從事與高壓開關(guān)柜熱點(diǎn)溫度監(jiān)測的開發(fā),但此項(xiàng)監(jiān)測技術(shù)及系統(tǒng)還不很完善, 研發(fā)主要集中在數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)确矫?影響工程實(shí)用化的因素主要集中在承擔(dān)數(shù)據(jù)采集及傳輸任務(wù)的傳感終端的性能和傳感終端與監(jiān)測處理器之間的數(shù)據(jù)信方式。現(xiàn)在的開關(guān)柜測溫方式主要有接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類。

接觸式測溫是將傳感器置于與物體相同的熱平衡狀態(tài)中,使傳感器與物體保持同一溫度的測溫法。如水銀溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)和雙金屬溫度計(jì);熱電阻、熱敏電阻、電子式溫度傳感器和熱電偶等測溫方式,以及示溫蠟片、光纖測溫等。其中測溫臘片是最早被人們認(rèn)識(shí)的用于電氣接頭過熱示溫的產(chǎn)品, 示溫臘片法〔月是根據(jù)色片顏色隨溫度的不同而發(fā)生變化的原理將不同熔點(diǎn)的臘片(顏色不同)貼于高壓開關(guān)柜內(nèi)易過熱點(diǎn)部位,根據(jù)臘片的熔化情況判斷易過熱點(diǎn)的大致溫度情況,該方法測溫準(zhǔn)確度低,可靠性差。熱敏電阻測溫法在開關(guān)柜內(nèi)部惡劣的環(huán)境下表現(xiàn)出很大的誤差,布線復(fù)雜且熱敏電阻易損壞，維護(hù)量大。

光纖測溫的機(jī)理是依據(jù)后向喇曼散射溫度效應(yīng)。當(dāng)一個(gè)光脈沖從光纖的一端射入光纖時(shí),這個(gè)光脈沖會(huì)沿著光纖向前傳播,在傳播中的每一點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生反射,反射之中有一小部分的反射光(Stokes和Anti一StokeS散射光)的方向正好與入射光的方向相反(亦可稱為/背向0)。這種背向反射光的強(qiáng)度與光纖中的反射點(diǎn)的溫度有一定的相關(guān)關(guān)系。反射點(diǎn)的溫度(該點(diǎn)的光纖的環(huán)境溫度)越高,反射光的強(qiáng)度也越大。也就是說,背向反射光的強(qiáng)度可以反映出反射點(diǎn)的溫度。利用這個(gè)現(xiàn)象,若能測量出背向反射光的強(qiáng)度,就可以計(jì)算出反射點(diǎn)的溫度,這就是利用光纖測量溫度的基本原理。光纖式溫度在線監(jiān)測裝置,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),在柜內(nèi)布線難度較大。

非接觸式紅外測溫也叫輻射測溫,非接觸式測溫是通過熱輻射原理來測量溫度的,測溫元件不需與被測物體接觸,主要有紅外測溫法。還有一種紅外測溫是人工手持紅外測溫儀,對(duì)易熱點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)測溫,此法漏測!誤報(bào)現(xiàn)象嚴(yán)重,同時(shí)檢測人員長期工作在變電站的高電壓、強(qiáng)磁場的環(huán)境中,對(duì)健康不利。

在瑞典,該國國家電力公司最先將紅外熱像技術(shù)應(yīng)用于電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)熱診斷。目前,英國、美國等許多國家正在廣泛開展電力設(shè)備的紅外熱像檢測研究。

我國已將紅外熱像技術(shù)廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備的熱狀態(tài)檢測。在診斷技術(shù)基礎(chǔ)方面,中國科技大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、華北電力大學(xué)、西安熱工研究院等單位,對(duì)此進(jìn)行了較為系統(tǒng)深入的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究,并且應(yīng)用于供電公司的設(shè)備維護(hù)及對(duì)一些電氣設(shè)備的實(shí)際檢測。

紅外熱像技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備是紅外熱像儀,目前的高壓柜紅外測溫法大多使用商用紅外熱像儀,這種熱像儀是利用紅外傳感器產(chǎn)生的紅外熱像圖測量高壓柜內(nèi)熱點(diǎn)的溫度,但該設(shè)備存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積龐大,功耗較大且價(jià)格昂貴,不適合電力系統(tǒng)監(jiān)測中普遍使用,也不能進(jìn)行在線監(jiān)測。同時(shí)由于高壓開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,元件互相遮擋較多,通過紅外圖譜間接獲取溫度數(shù)據(jù)其準(zhǔn)確性不能滿足要求,對(duì)紅外圖譜的計(jì)算機(jī)識(shí)別技術(shù)水平還不能替代人工識(shí)別,自動(dòng)化程度不高,同時(shí)紅外熱像儀的成本較高,不利于推廣使用。

融合了現(xiàn)代信息技術(shù)三大支柱:傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新興的下一代傳感器網(wǎng)絡(luò),最早的代表性論述出現(xiàn)在1999年。近年來人們?cè)絹碓街匾暉o線資源的利用,一個(gè)重要研究方向就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless Sensor network,WSN)的應(yīng)用,推動(dòng)了低功耗多功能傳感器的快速發(fā)展,電力系統(tǒng)的工作環(huán)境復(fù)雜多變,存在一定的危險(xiǎn)性,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠擺脫這種困境,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息監(jiān)測,具有非常廣泛的應(yīng)用前景。在電力系統(tǒng)中無線測溫技術(shù)己經(jīng)成為了其中重要的研究方向。由于無線測溫技術(shù)與傳統(tǒng)的測溫法!紅外測溫和光纖測溫相比不用考慮布線的問題,盡量減少柜內(nèi)空間的占用,減少了設(shè)備復(fù)雜程度,安裝維護(hù)簡單,方便實(shí)用,在應(yīng)用方面有著很大的優(yōu)勢,具有廣闊的發(fā)展前景。

各種測溫方式的比較見表

表1幾種測溫方式比較表

綜合上述電力系統(tǒng)開關(guān)柜溫度測量方式的比較發(fā)現(xiàn),無線測溫利用其固有的絕緣性和抗電磁場干擾性能,儀表不破壞被測介質(zhì)的溫度場,敏感元件不必和被測介質(zhì)達(dá)到平衡,儀表滯后小,理論上儀表測溫上限不受限制,敏感元件不必與被測介質(zhì)達(dá)到同樣溫度值,因此測溫部件不被高溫破壞,輸出信號(hào)大,靈敏度高,準(zhǔn)確度高,從根本上解決了高壓開關(guān)柜內(nèi)觸點(diǎn)運(yùn)行溫度不易監(jiān)測的難題。

二、系統(tǒng)工作原理

本文采用傳統(tǒng)的接觸式溫度傳感器測溫與無線測溫相結(jié)合的方法。安裝在高壓開關(guān)柜內(nèi)的無線測溫傳感器測量溫度,測量所得溫度信號(hào)通過ZigBee無線通信模塊發(fā)射,由安裝于柜體上的測溫儀中的無線接收模塊接收信號(hào),再通過測溫儀處理信號(hào)得到溫度數(shù)據(jù),并可通過RS485工業(yè)總線上傳數(shù)據(jù)到監(jiān)測站,實(shí)現(xiàn)多柜的實(shí)時(shí)監(jiān)測與超限報(bào)警。

直接測量溫度的測量精度較高,無線測量部分和傳輸部分體積很小,測量點(diǎn)布局靈活,并能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫使得數(shù)據(jù)更可靠。采用無線傳輸方式也同時(shí)解決了高壓隔離的問題。通過無線接收將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)接收裝置,再通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控主站進(jìn)行處理、分析。

三、硬件設(shè)計(jì)

溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是該系統(tǒng)的工作平臺(tái),良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式和結(jié)構(gòu)有利于系統(tǒng)功能的整體提高和長期運(yùn)行。

硬件設(shè)計(jì)主要是ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì),即終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。終端節(jié)點(diǎn)也叫傳感器節(jié)點(diǎn),主要負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集,一般由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、射頻模塊和電源模塊四部分組成。這四個(gè)部分是整個(gè)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵,路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)的電路基本相似,只是在電路中減少了測溫模塊,在協(xié)調(diào)器電路中增加了RS 232接口芯片,實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器與監(jiān)控中心的通信。

1.測溫模塊設(shè)計(jì)

測溫單元采用Dallas公司開發(fā)的一線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20。DS18B20與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器相比,能夠直接讀出被測溫度,并且根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程可設(shè)置9～12位的分辨率,可以分別在93.75ms和750ms內(nèi)將溫度值轉(zhuǎn)化9位和12位的數(shù)字量, 測溫范圍在-55℃～+125℃內(nèi),精度為±0.5℃;工作電壓范圍為3V～5.5V。每片DS18B20內(nèi)部的ROM都光刻了惟一的64位編碼,在多點(diǎn)測溫系統(tǒng)中,可實(shí)現(xiàn)對(duì)各測溫點(diǎn)的定位和識(shí)別。DS18B20的體積非常小，結(jié)構(gòu)簡單,使用方便靈活,測試精度高,故非常適合在空間擁擠的高壓開關(guān)柜內(nèi)靈活布置。

2.電源設(shè)計(jì)

電源供應(yīng)部分是系統(tǒng)的核心部分之一,根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn),協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)位于開關(guān)柜外,采用市電供電將很方便,也可采用電池供電;終端節(jié)點(diǎn)工作環(huán)境惡劣,因此選擇終端節(jié)點(diǎn)的供電方式尤為重要。

3.終端節(jié)點(diǎn)供電

目前高壓開關(guān)柜電力測溫系統(tǒng)供電方式有:高壓電流感應(yīng)電源、太陽能供電、激光供電及電池供電：

①高壓電流感應(yīng)電源:利用的是電磁感應(yīng)原理,通過取能線圈從高壓母線或線路上感應(yīng)出交流電壓,然后經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓電路后為電子裝置提供電源。這種方法原理簡單,但在實(shí)際應(yīng)用中不易實(shí)現(xiàn)、且電源的穩(wěn)定性差,當(dāng)高壓線路中的電波動(dòng)較大時(shí),電源提供的能量會(huì)很不穩(wěn)定,甚至?xí)袛嚯姷奈ｋU(xiǎn)。

②太陽能供電:是利用光伏效應(yīng)將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。該方法易受氣

候條件、光照強(qiáng)度、外界環(huán)境溫度、季節(jié)變化等因素的影響,并且缺乏長期免維護(hù)能力,同時(shí)提供的能量有限,對(duì)于露天環(huán)境下的溫度監(jiān)測很適用,在高壓開關(guān)柜里這種供電方式是不可取的。

③激光供電:激光供電是采用激光或其他光源從低壓側(cè)通過光纖將光能傳送至高壓側(cè),再由光電轉(zhuǎn)換器件將光能轉(zhuǎn)換為電能,經(jīng)過降壓后輸出穩(wěn)定的直流電源。該方法的優(yōu)點(diǎn)是電源能量供給穩(wěn)定,電源紋波小,不易受到外界雜散光源和電路負(fù)載變化的影響;缺點(diǎn)是國內(nèi)的光電技術(shù)還不成熟,購買國外光電器件的造價(jià)又比較高。另外,一般激光器功率偏低,激光二極管易退化,壽命有限,此類電源也不適合在野外使用。

④電池供電:鋰電池具有高電壓、高能量密度、自放電小、保存時(shí)間長以及工作溫度范圍寬的特點(diǎn),但在使用中要加保護(hù)電路。最后采用大容量鋰電池經(jīng)高效率超低壓升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器穩(wěn)壓向系統(tǒng)供電,該方案選用TI公司的一款超低輸入電壓升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器TPS61200。鋰電池從大電流輸出到微弱電流輸出都適用,自始至終都能保持電壓穩(wěn)定。

4.ZigBee芯片選擇

本設(shè)計(jì)采用被業(yè)界公認(rèn)的成熟SOC單芯片解決方案。本著硬件設(shè)計(jì)低功耗、低復(fù)雜度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的原則,選用Chipcon公司的CC2430SOC芯片作為ZigBee無線檢測節(jié)點(diǎn)的硬件解決方案。

CC2430芯片以強(qiáng)大集成開發(fā)環(huán)境作為支持,它結(jié)合Chipcon ZigBee協(xié)議、工具包和參考設(shè)計(jì),展示了領(lǐng)先的ZigBee解決方案。其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、工控系統(tǒng)和無線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域,同時(shí)也適用于ZigBee之外2.4GHz頻率的其他設(shè)備。

四、軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選擇簇樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為無線組網(wǎng)的架構(gòu),RFD節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過路由向協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā),從而延長了發(fā)射距離,降低對(duì)RFD發(fā)射功率及對(duì)RFD電源容量的要求。程序部分包括無線通訊部分程序設(shè)計(jì)和上位PC機(jī)程序設(shè)計(jì)。無線通訊部分程序設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容,無線通訊協(xié)議采用基于 ZigBee/802.15.4的CC2430開放源碼協(xié)議棧,上位PC機(jī)程序?qū)拇诮邮諄淼臏囟葦?shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線顯示，分析，預(yù)測開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài),并可以將采集數(shù)據(jù)存盤以備歷史查詢。

1.網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器

在網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建!管理!數(shù)據(jù)的處理等,作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心,協(xié)調(diào)器起著至關(guān)重要的作用,協(xié)調(diào)器主程序流程圖如圖1所示。

協(xié)調(diào)器工作條件相比于RFD節(jié)點(diǎn)來說電源的供應(yīng)更充足,受干擾強(qiáng)度較低,因此對(duì)協(xié)調(diào)器編程時(shí)在耗能及抗干擾方面的設(shè)計(jì)就相對(duì)考慮得少些,更加強(qiáng)調(diào)其能夠及時(shí)的接收各節(jié)點(diǎn)上傳的溫度并顯示。

2.路由程序設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn):負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由選擇!中繼,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。流程如圖2所示。

3. RFD節(jié)點(diǎn)程序

RFD節(jié)點(diǎn):完成溫度數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。流程圖如圖3所示。

同網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器一樣,RFD節(jié)點(diǎn)的靠干擾措施也包括看門狗定時(shí)器的使用,但是這樣還是不夠的。如果RFD節(jié)點(diǎn)在外部干擾情況下從網(wǎng)絡(luò)上掉下來,我們不采取措施的話,該節(jié)點(diǎn)可能再也不會(huì)重新加入網(wǎng)絡(luò),除非給它重啟或重新上電,所以我們必須把這種干擾利用程序加以解決。

五、結(jié)語

該監(jiān)測裝置解決了電力系統(tǒng)急需的高壓環(huán)境下的溫度測量難題，取得了理想的檢測效果，測試表明，該系統(tǒng)溫度檢測范圍大，檢測精度高，抗干擾能力強(qiáng)，通過串口通信擴(kuò)展數(shù)據(jù)分析功能和聯(lián)網(wǎng)告警功能，結(jié)合電力系統(tǒng)提供的電流信息可以進(jìn)行電氣設(shè)備的故障診斷，功能完善。相信能得到廣泛的推廣和應(yīng)用。