ZigBee在电力系统温度测量中的应用

1引言
随着现代电力系统向着高电压、大机组、大容量的迅速发展，对供电可靠性的要求也越来越高。发电厂、变电站的高压开关柜是重要的电气设备。在设备长期运行过程中，开关柜中的母线接点、高压电缆接头等部位因老化或接触电阻过大而发热，使相邻的绝缘部件性能劣化，甚至击穿而造成事故。据统计，电力系统发生事故原因中有相当一部分与发热问题有关。因此，电气设备温度在线监测问题己经成为电力系统中电气设备安全运行所急需解决的实际问题，是提高电气设备可靠性的迫切需要，对保障电力系统安全稳定运行具有十分重要的意义，必须采取有效措施监控母线温度。当温升超过允许值时，必须发出报警信号及时提醒有关人员采取措施，避免事故的发生。
由于开关柜中的母线处于高压电位，每相对地和不同相之间都存在很高的电压，且结构狭小，无法进行人工巡查测温，所以直接检测高压母线温度一直是电力系统检测中的一个难题。现有的测温系统根据数据传输方式有三类：普通电缆，光纤和无线传输。对于电力母线接点、高压电缆接头等，网点数多，电压高，电磁干扰强。普通电缆显然是不行的。光纤式温度在线监测装置，一般是采用光纤传导信号，不受高压和环境的干扰。缺点是光纤具有易折、易断、不耐高温的特点，并且布线难度较大，比较昂贵。基于这些可以使用无线传输，高压电会产生很强的电磁场，对无线电波干扰很大，需要选择适当频率的无线网络，另外测温设备要用电池供电，测温设备必须低功耗，工作时间长。体积小，易安装。尽管国内外已经研究了多种方案来监测母线温度，但均有一定的局限性和不足。Zigbee无线网络的低成本、短时延、免执照频段、高安全、近距离、低复杂度，低功耗等优点，满足高压母线测温的条件，是解决的良好途径。2 ZigBee技术
1999年，蓝牙热潮席卷全球，然而发展数年，一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。
IEEE无线个人区域网（PAN）工作组的 IEEE802.15.4技术标准是 ZigBee技术的基础。 IEEE802.15.4满足国际标准组织（ ISO）开放系统互连（OSI）参考模式。它定义了单一的 MAC层和多样的物理层（如图 1所示）。802.15.4标准旨在为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在 10-75米的低速连接， IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是 2.4GHz物理层和 868/915GHz物理层[2]。2.4GHz波段为全球统一的无需申请的 ISM频段，有助于 ZigBee设备的推广和生产成本的降低。 2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供 250kbps的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

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3 系统设计
3.1 系统框架
本文提出一种比较理想的母线测温方案：以 Zigbee为无线传感器网络，以太网（或高速 RS-485）为骨干网， CC2430低功耗单片机为传感器控制核心，采用一线式数字温度传感器 DS18B20为温度采集装置的高压母线温度测量方案，系统框架如图 2。
 
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无线温度测量系统由三部分组成，如图 2系统框架图所示：
(1) 无线传感器节点：负责采集监测点的温度数据，并把数据通过 ZigBee网络发送。
(2) ZigBee网络管理器（区域数据传输中心）：负责收集无线传感器节点发出的温度数据，并把所收集的数据上传到测温主机。
(3) 数据管理系统：负责对数据接收终端进行工作参数设定，接收从系统中各个 ZigBee网关终端上传的测温数据，并对数据保存，分析和管理等；测温数据可在系统实时数据库中作长期存储记录，供随时查询显示。

无线温度采集器直接安装在母线上，一个 ZigBee网络管理器能管理多个无线传感器节点，网络管理器通过高速骨干网络传输到系统实时数据库服务器，由监控终端实时显示数据，温度变化曲线图，能打印相关报表，当母线温度异常时，管理终端通过多种报警方式提醒相关人员采取措施。
3.2 无线传感器节点
无线温度传感器节点是该网络的基本单元，它负责获取温度数据和数据的预处理，并将之传输到ZigBee网络管理器。无线温度传感器节点由下列部分组成：内部集成符合 IEEE802.15.4标准的2.4GHz的射频(RF)收发器的CC2430无线单片机 [3]；美国Dallas公司推出的DS18B20单线数字温度传感器等。DB18B20直接通过单线与CC2430单片机I/O口连接，不必另外增加专门的总线控制器，减少硬件成本。减小了无线温度传感器节点的体积。系统结构图如图3 CC2430无线温度传感器结构。

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3.3 ZigBee网络管理器
在该系统中的ZigBee网络管理器集成了 ZigBee网络中的网关和协调器的功能，具备至关重要的作用，一方面采用 ZigBee无线网络方式与无线温度传感器节点连接，并且以固定的时间间隔对无线温度传感器节点进行测温以及读取它的工作参数，同时存入内存，这就需要每个终端为所管理的无线温度传感器节点设置编号表，以免发生错乱；另一方面采用或以太网（或RS-485总线）与测温主机连接，受控于测温主机的命令而做出一系列的反映。具体功能有：接收并存储传感器数据；管理所管辖的 ZigBee子网；报警功能；传输数据给测温主机；设定和修改终端工作参数；工作状态指示；时钟和看门狗功能。结构如图4所示：

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无线温度传感器节点的工作参数（发射频率、发射功率、采样间隔）事先通过拨码开关，在安装前设定好，使用过程中无法通过无线方式修改参数。无线温度传感器节点与 ZigBee网络管理器间的通信，无线温度传感器节点发送的无线数据包格式：开始标志 STX(AAH)；传感器编号 ID（4Byte）；温度数据：温度数据 Temp占 2个字节，其最高位（ D15）表示正负（0-正，1-负）；状态字节：从采集器发往接收终端的状态字节的含义（D7–故障标志： D7=1表示有故障，这时 D6~D0为故障码（ >1）；D7=0表示无故障，这时： D4~D3–采样间隔，00-1秒，01--30秒，10-2分钟， 11-10分钟； D2–发射功率， 0-低，1-高；D1D0–电池电量，00-无，01-低，10-中，11-高。校验码 CRC8（1Byte）；结束标志 ETX（55H）4 关键技术
4.1系统网络设计
ZigBee网络有三种网络拓朴结构 [4]：星型、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理 254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成 65000个节点的大网。
发电厂、变电站的高压开关柜中的母线众多。网络传感器需要大量分布，监控数据量大以及实时性要好等特点。ZigBee网络采用片状和网状网络结构，最多可组成 65000个节点的大网，可以满足网络传感器节点的需求，但在 ZigBee协调器（主节点）与 ZigBee路由， ZigBee网关之间的线路传输的数据量大，而速率最高仅为250kbps，满足不了该系统要求。并且 ZigBee网络采用CSMA／CA的媒质访问控制机制、确认帧的应答方式和 CRC-16 ITU的校验机制。所有节点在一个网络中，那么冲突域很大，影响传输效果。
为提高骨干网的传输效率，减小无线网络传输信号碰撞，缩短延时时间，更有利于提高数据传输效率，方便系统管理与维护。在设计该系统时对网络做了两点改进：
一、把整个无线传感器网络分成多个子网，把蜂窝网络结构引入到 Zigbee网络中，如图，每一个六边型区域构建一个 ZigBee网络，如图 5蜂窝网络结构（小区制），相邻区域使用不同的频率，不相邻区域可以使用相同的频率。根据 IEEE 802.15.4-2003协议（共规定了 27个通信信道： 868MHz有 1个，速率为 20kbps；915MHz有 lO个，速率为40kbps； 2.45GHz有16个，速率为 250kbps。[1]），ZigBee网络频率采用 2.45GHz， 16个通信信道足够，这样满足了系统的需求，也不浪费无线频率资源。并根据系统安装的情况和用户的配置，由 ZigBee网络管理器负责进行管理。

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二、子网与监控管理子系统之间的骨干网，根据工业现场的条件采用以太网或高速 RS-485网络传输。采用各种网络的长处在实际应用中得到了良好的效果。
4.2可靠性设计
在该系统中温度传感器节点与ZigBee网络管理器之间的数据通信是基于ZigBee无线网络的。在无线传输过程中，由于受传输距离、现场状况等许多可能出现的因素的影响，传感器节点与ZigBee网络管理器之间通信常会发生无法预测的错误。为了使系统能够可靠地通信，在设计ZigBee通信协议栈时需考虑数据传输的可靠性。
1.在物理层对发送数据进行CRC校验以保证传输的正确性。 2. MAC层数据通信采用GTS模式，保证ZigBee无线网络中数据通信的可靠性。
3.传输层提供可靠传输服务，要求接收方响应确认帧。
4.传感器节点调用ZigBee协议栈应用层数据服务接口，便可将温度数据传输到ZigBee网络管理器。 5. ZigBee网络管理器和监视中心主机之间数据通信是基于以太网网络（或RS-485）的， ZigBee网络管理器采用 AX88796以太网控制器（或工业级 MAX485）芯片实现数据传输，它们的各种机制和算法保证了数据可靠传输。

无线温度传感器节点和ZigBee网络管理器都有看门狗，硬件电路进行了抗干扰设计。系统数据库采用稳定可靠的实时数据库Infoplus，管理终端与服务器分开，保证系统稳定可靠运行。
4.3节点低功耗设计
在电力母线测温系统中，传感器节点安装后，需要持续工作很长时间，高能量电池的选择是必要的，但节点的节能是一个更加重要的问题。降低温度采集器的能耗，主要通过选择低功耗芯片，减少芯片工作时间：采用内部集成符合 IEEE802.15.4标准的 2.4GHz的射频 (RF)收发器的CC2430无线单片机和数字温度传感器 DB18B20芯片，可满足传感器网络对低功耗的要求；CPU以最快的速度执行任务，然后进入休眠模式，通过中断唤醒单片机和射频收发器。设计 ZigBee通信协议栈，各层均实现节能机制，降低节点的能耗，尽量降低信号的发射功率。信号发射功率的降低会导致发送节点的功耗下降。MAC层数据通信采用GTS模式，在保证时隙内发送数据，其它时隙可以进入休眠模式。芯片还采用了CSMA-CA技术来避免数据发送时的竞争和冲突[5]，也减少了不必要的能量消耗。经过测算，选用高能量的电池，该无线温度传感器可以工作十年左右。5 结束语
该无线温度传感器网络以ZigBee网络通信为核心，结合蜂窝网络结构和高速局域网的优点,减少信号碰撞，增强系统骨干网的传输能力。采用低成本、低功耗无线单片机 CC2430、数字温度传感器获取数据，理想地实现了高压测温一次设备和二次监测设备的电隔离、保证系统的安全可靠性。实现了高压母线温度数据的自动化测量，很好的解决了高压环境下，母线温度检测的问题。系统工作稳定可靠、检测精度高，速度快，且具有无线数据通信灵活方便等特点。随着 ZigBee网络的快速发展，将更加适用于工业现场环境、监测封闭空间和其它需要多点监测的特殊场合。