基于ZigBee的开关柜过热检测系统

高压开关设备是电力系统重要的控制和保护设备,主要用于关合及开断电力线,输送及倒换电力负荷,以及从电力系统退出故障设备和线路,对电力系统安全可靠运行起着举足轻重的作用。

高压开关柜是高压开关设备的最主要部件,承担着开断和关合电力线路等重要作用,在电力系统中获得了日益广泛的应用。高压开关柜是将高压开关和控制、测量、调节、保护装置以及外壳、辅件及支持件等部件按照输配电功能需要组装起来,除进出线外,其余部件完全被金属外壳封闭的开关设备,它承担着开断和关合电力线路、线路故障保护、监测运行电量数据等重要作用。国务院于2006年2月发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中,将超大规模输配电和电网安全保障列为能源这一重点领域中的优先发展对象。

电力设备安全可靠性是超大规模输配电和电网安全保障的重要环节,高压开关柜作为一种广泛运用的电力设备,其安全可靠性也因而受到了更多的关注。据不完全统计,国内不少发电公司、电力公司均出现过不同程度的高压开关柜故障,并造成了一定的经济损失。这些故障有一部分来自开关柜本身的质量问题,更重要的原因在于目前缺乏针对开关柜的有效监测手段。大多数高压开关设备采用封闭结构、散热条件较差,在设备的长期运行过程中,开关柜内的触点、接头及母线排连接处等部位因老化，接触电阻过大或工差配合不良而发热,并长期处于高电压,大电流和满负荷的条件下运行,其结果导致热量集结加剧,如果不对温升采取有效的监测措施,将会危及电气设备的安全运行。特别是当电力系统发生短路故障时,强大的电流使电气设备内部温升加剧,电气绝缘遭到严重破坏,并使电气设备寿命缩短,甚至造成电气设备被烧毁的严重事故。

电力行业常常发生电力电缆和设备因过热而引起火灾,导致大面积的电缆烧毁和设备损坏而被迫停机,短时间内无法恢复生产,从而造成重大经济损失;引起电力设备过热和火灾发生的直接原因是电缆中间接头制作质量不良、压接头不紧固!接触电阻过大,长期运行造成的电缆头过热!烧穿绝缘等。统计表明建设10年后的变电站,基建时制作的电缆头90%以上均因质量不良引发故障而更换。

一、国内外高压开关柜温度检测的研究现状及分析

电网设备中的触头和接头是电网安全的一个重要隐患。资料统计结果显示,故障点主要发生在如下位置:

(l)开关柜动、静触头

开关柜作为一种广泛运用的电力设备,在输配电系统中承担着开断和关合电力线路、线路故障保护、监测运行电量数据的重要作用。开关柜因高压断路器动、静触头接触不良,加上长期的大电流、触头老化等因素易致其接触电阻增大,从而导致长时间发热、触头温升过高甚至最终发生高压开关柜烧毁事故。

(2)电缆接头

随着运行时间的延长、压接头的松动、绝缘老化、以及局部放电!高压泄漏等,将引起发热和温度升高,温升继续诱使上述状况进一步恶化,恶化的结果必然促使进一步温升。如此恶性循环,引发短路故障,甚至引发火灾事故。

电力系统中对电力设备的检修正在由故障检修、预防性检修向状态检修过渡,作为输配电系统中广泛运用的高压开关柜,对其实施状态检修是非常必要的。目前对高压开关柜的监测大都基于人工巡检,用手持式红外测温仪检测开关柜内的温度数据;由于开关柜的结构相对复杂,元件遮挡的影响使得红外测温仪无法获得准确温度采集数据,且巡检时间间隔较长。目前国内外有多家公司正在从事与高压开关柜热点温度监测的开发,但此项监测技术及系统还不很完善, 研发主要集中在数据采集、传输等方面,影响工程实用化的因素主要集中在承担数据采集及传输任务的传感终端的性能和传感终端与监测处理器之间的数据信方式。现在的开关柜测温方式主要有接触式测温和非接触式测温两大类。

接触式测温是将传感器置于与物体相同的热平衡状态中,使传感器与物体保持同一温度的测温法。如水银温度计、压力式温度计和双金属温度计;热电阻、热敏电阻、电子式温度传感器和热电偶等测温方式,以及示温蜡片、光纤测温等。其中测温腊片是最早被人们认识的用于电气接头过热示温的产品, 示温腊片法〔月是根据色片颜色随温度的不同而发生变化的原理将不同熔点的腊片(颜色不同)贴于高压开关柜内易过热点部位,根据腊片的熔化情况判断易过热点的大致温度情况,该方法测温准确度低,可靠性差。热敏电阻测温法在开关柜内部恶劣的环境下表现出很大的误差,布线复杂且热敏电阻易损坏，维护量大。

光纤测温的机理是依据后向喇曼散射温度效应。当一个光脉冲从光纤的一端射入光纤时,这个光脉冲会沿着光纤向前传播,在传播中的每一点都会产生反射,反射之中有一小部分的反射光(Stokes和Anti一StokeS散射光)的方向正好与入射光的方向相反(亦可称为/背向0)。这种背向反射光的强度与光纤中的反射点的温度有一定的相关关系。反射点的温度(该点的光纤的环境温度)越高,反射光的强度也越大。也就是说,背向反射光的强度可以反映出反射点的温度。利用这个现象,若能测量出背向反射光的强度,就可以计算出反射点的温度,这就是利用光纤测量温度的基本原理。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,在柜内布线难度较大。

非接触式红外测温也叫辐射测温,非接触式测温是通过热辐射原理来测量温度的,测温元件不需与被测物体接触,主要有红外测温法。还有一种红外测温是人工手持红外测温仪,对易热点进行逐点测温,此法漏测!误报现象严重,同时检测人员长期工作在变电站的高电压、强磁场的环境中,对健康不利。

在瑞典,该国国家电力公司最先将红外热像技术应用于电气设备运行状态热诊断。目前,英国、美国等许多国家正在广泛开展电力设备的红外热像检测研究。

我国已将红外热像技术广泛应用于电力设备的热状态检测。在诊断技术基础方面,中国科技大学火灾科学国家重点实验室、华北电力大学、西安热工研究院等单位,对此进行了较为系统深入的理论分析和实验研究,并且应用于供电公司的设备维护及对一些电气设备的实际检测。

红外热像技术的关键设备是红外热像仪,目前的高压柜红外测温法大多使用商用红外热像仪,这种热像仪是利用红外传感器产生的红外热像图测量高压柜内热点的温度,但该设备存在结构复杂,体积庞大,功耗较大且价格昂贵,不适合电力系统监测中普遍使用,也不能进行在线监测。同时由于高压开关柜内部结构复杂,元件互相遮挡较多,通过红外图谱间接获取温度数据其准确性不能满足要求,对红外图谱的计算机识别技术水平还不能替代人工识别,自动化程度不高,同时红外热像仪的成本较高,不利于推广使用。

融合了现代信息技术三大支柱:传感器技术、通信技术和计算机技术的无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络,最早的代表性论述出现在1999年。近年来人们越来越重视无线资源的利用,一个重要研究方向就是无线传感器网络(wireless Sensor network,WSN)的应用,推动了低功耗多功能传感器的快速发展,电力系统的工作环境复杂多变,存在一定的危险性,无线传感器网络能够摆脱这种困境,实现远程信息监测,具有非常广泛的应用前景。在电力系统中无线测温技术己经成为了其中重要的研究方向。由于无线测温技术与传统的测温法!红外测温和光纤测温相比不用考虑布线的问题,尽量减少柜内空间的占用,减少了设备复杂程度,安装维护简单,方便实用,在应用方面有着很大的优势,具有广阔的发展前景。

各种测温方式的比较见表

表1几种测温方式比较表

综合上述电力系统开关柜温度测量方式的比较发现,无线测温利用其固有的绝缘性和抗电磁场干扰性能,仪表不破坏被测介质的温度场,敏感元件不必和被测介质达到平衡,仪表滞后小,理论上仪表测温上限不受限制,敏感元件不必与被测介质达到同样温度值,因此测温部件不被高温破坏,输出信号大,灵敏度高,准确度高,从根本上解决了高压开关柜内触点运行温度不易监测的难题。

二、系统工作原理

本文采用传统的接触式温度传感器测温与无线测温相结合的方法。安装在高压开关柜内的无线测温传感器测量温度,测量所得温度信号通过ZigBee无线通信模块发射,由安装于柜体上的测温仪中的无线接收模块接收信号,再通过测温仪处理信号得到温度数据,并可通过RS485工业总线上传数据到监测站,实现多柜的实时监测与超限报警。

直接测量温度的测量精度较高,无线测量部分和传输部分体积很小,测量点布局灵活,并能实现多点测温使得数据更可靠。采用无线传输方式也同时解决了高压隔离的问题。通过无线接收将数据传送到数据接收装置,再通过内部网络传送到监控主站进行处理、分析。

三、硬件设计

温度在线监测系统的硬件设计是该系统的工作平台,良好的系统设计模式和结构有利于系统功能的整体提高和长期运行。

硬件设计主要是ZigBee网络节点的设计,即终端节点、路由节点和协调器节点的设计。终端节点也叫传感器节点,主要负责温度数据的采集,一般由传感器模块、数据处理模块、射频模块和电源模块四部分组成。这四个部分是整个设计中的关键,路由节点和协调器节点与终端节点的电路基本相似,只是在电路中减少了测温模块,在协调器电路中增加了RS 232接口芯片,实现协调器与监控中心的通信。

1.测温模块设计

测温单元采用Dallas公司开发的一线制数字温度传感器DS18B20。DS18B20与传统的热敏电阻温度传感器相比,能够直接读出被测温度,并且根据实际要求通过简单的编程可设置9～12位的分辨率,可以分别在93.75ms和750ms内将温度值转化9位和12位的数字量, 测温范围在-55℃～+125℃内,精度为±0.5℃;工作电压范围为3V～5.5V。每片DS18B20内部的ROM都光刻了惟一的64位编码,在多点测温系统中,可实现对各测温点的定位和识别。DS18B20的体积非常小，结构简单,使用方便灵活,测试精度高,故非常适合在空间拥挤的高压开关柜内灵活布置。

2.电源设计

电源供应部分是系统的核心部分之一,根据本系统的设计特点,协调器节点和路由器节点位于开关柜外,采用市电供电将很方便,也可采用电池供电;终端节点工作环境恶劣,因此选择终端节点的供电方式尤为重要。

3.终端节点供电

目前高压开关柜电力测温系统供电方式有:高压电流感应电源、太阳能供电、激光供电及电池供电：

①高压电流感应电源:利用的是电磁感应原理,通过取能线圈从高压母线或线路上感应出交流电压,然后经过整流、滤波、稳压电路后为电子装置提供电源。这种方法原理简单,但在实际应用中不易实现、且电源的稳定性差,当高压线路中的电波动较大时,电源提供的能量会很不稳定,甚至会有断电的危险。

②太阳能供电:是利用光伏效应将太阳光能直接转化为电能。该方法易受气

候条件、光照强度、外界环境温度、季节变化等因素的影响,并且缺乏长期免维护能力,同时提供的能量有限,对于露天环境下的温度监测很适用,在高压开关柜里这种供电方式是不可取的。

③激光供电:激光供电是采用激光或其他光源从低压侧通过光纤将光能传送至高压侧,再由光电转换器件将光能转换为电能,经过降压后输出稳定的直流电源。该方法的优点是电源能量供给稳定,电源纹波小,不易受到外界杂散光源和电路负载变化的影响;缺点是国内的光电技术还不成熟,购买国外光电器件的造价又比较高。另外,一般激光器功率偏低,激光二极管易退化,寿命有限,此类电源也不适合在野外使用。

④电池供电:锂电池具有高电压、高能量密度、自放电小、保存时间长以及工作温度范围宽的特点,但在使用中要加保护电路。最后采用大容量锂电池经高效率超低压升压式DC/DC转换器稳压向系统供电,该方案选用TI公司的一款超低输入电压升压式DC/DC转换器TPS61200。锂电池从大电流输出到微弱电流输出都适用,自始至终都能保持电压稳定。

4.ZigBee芯片选择

本设计采用被业界公认的成熟SOC单芯片解决方案。本着硬件设计低功耗、低复杂度和系统稳定性的原则,选用Chipcon公司的CC2430SOC芯片作为ZigBee无线检测节点的硬件解决方案。

CC2430芯片以强大集成开发环境作为支持,它结合Chipcon ZigBee协议、工具包和参考设计,展示了领先的ZigBee解决方案。其产品广泛应用于汽车、工控系统和无线感应网络等领域,同时也适用于ZigBee之外2.4GHz频率的其他设备。

四、软件设计

本设计选择簇树状网络拓扑结构作为无线组网的架构,RFD节点的数据通过路由向协调器转发,从而延长了发射距离,降低对RFD发射功率及对RFD电源容量的要求。程序部分包括无线通讯部分程序设计和上位PC机程序设计。无线通讯部分程序设计是设计的重点内容,无线通讯协议采用基于 ZigBee/802.15.4的CC2430开放源码协议栈,上位PC机程序将从串口接收来的温度数据实时在线显示，分析，预测开关柜运行状态,并可以将采集数据存盘以备历史查询。

1.网络协调器

在网络中协调器主要实现网络的组建!管理!数据的处理等,作为整个网络的核心,协调器起着至关重要的作用,协调器主程序流程图如图1所示。

协调器工作条件相比于RFD节点来说电源的供应更充足,受干扰强度较低,因此对协调器编程时在耗能及抗干扰方面的设计就相对考虑得少些,更加强调其能够及时的接收各节点上传的温度并显示。

2.路由程序设计

路由节点:负责数据的路由选择!中继,实现数据的转发。流程如图2所示。

3. RFD节点程序

RFD节点:完成温度数据的采集和发送。流程图如图3所示。

同网络协调器一样,RFD节点的靠干扰措施也包括看门狗定时器的使用,但是这样还是不够的。如果RFD节点在外部干扰情况下从网络上掉下来,我们不采取措施的话,该节点可能再也不会重新加入网络,除非给它重启或重新上电,所以我们必须把这种干扰利用程序加以解决。

五、结语

该监测装置解决了电力系统急需的高压环境下的温度测量难题，取得了理想的检测效果，测试表明，该系统温度检测范围大，检测精度高，抗干扰能力强，通过串口通信扩展数据分析功能和联网告警功能，结合电力系统提供的电流信息可以进行电气设备的故障诊断，功能完善。相信能得到广泛的推广和应用。