高压开关触头温度无线监测系统解析.docx

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高压开关触头温度无线监测系统解析

测控技术与仪器仪表Ｍｅａｓｕ帕ｍｅｎｔ

ｃｏｎｔｒｏＩＴｅｃｎｎｏＩ。

ｇｙａｎｄＩｎｓｔｍｍｅｎｔｓ

高压开关触头温度无线监测系统

徐明，阳宪惠

（清华大学自动化系，北京１０００８４）

摘要：

高压开关作为电力系统的重要设备，其稳定运行是保障电力网正常工作的必要条件。

基于ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络技术设计和实现了高压开关触头温度在线监测系统。

设计并实现了无线测

温网络、高压自具电源、ＰＣ监测软件。

系统具有组网灵活、可靠性高、抗干扰能力强、低功耗、网络容

量大等优点。

关键词：

高压开关；监测系统；ＺｉｇＢｅｅ；测温网络；自具电源

中图分类号：

ＴＭ７６．

文献标识码：

Ｂ

Ｗｉｒｅｌｅｓｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ

ｓｙｓｔｅｍｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｒｔｈｅｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｓｗｉｔｃｈｃｏｎｔａｃｔ

ＸＵ

Ｍｉｎｇ，ＹＡＮＧＸｉａｎＨｕｉ

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ

ｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：

Ｔｈｅ

ｈｉ曲ｖｏｌｔａｇｅ

ｓｗｉｔｃｈｉｓ

ａｎ

ｉｍｐｏｒｔａｎｔ

ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｉｔｓ

ｈｅａｌｔｈｙｏｐｅｒａｔｉｏｎ

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ｎｅｔｗｏｒｋ，

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ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｓｔｒｏｎｇ

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ａｂｉｌｉｔｙ，ｌｏｗｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎａｎｄ

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ｎｅｔｗｏｒｋｃａｐａｂｉｌｉｔｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

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电力系统安全稳定运行是电力系统控制的根本目标和进行电力市场交易的重要保障【ＩＩ。

高压开关柜是电力系统中一个非常重要的电气设备，由于长期在高电压、大电流和满负荷的条件下运行，开关柜中的母线接点、高压电缆接头等部位容易因接触电阻过大或老化而发热，使相邻的绝缘部件性能劣化，大大缩短高压开关的使用寿命，甚至导致击穿烧毁丽造成事故，影响整个电力系统的正常工作。

因此，其可靠性越来越多地受到人们的关注。

由于高压电气设备一般都处于高电压、大电流和强磁场的环境中，在实际监控中，必须要求监控对象与监测仪器之间进行电压隔离，其测试信号的有效传输也是一直比较难以解决的问题。

目前，母线温度检测主要有４种方案：

采用色片１２１、热红外检测技术１３１、光纤测温技术【引、无线温度监测技术１¨。

本文结合高压开关柜的实际要求，充分利用和发挥ＺｉｇＢｅｅ｛６ｌ低功耗、强抗干扰、容量大等优势，采用基于ＺｉｇＢｅｅ无线网络的技术提出对高压开关触头温度进行在线监测的方案。

无线在线

‘基金项目：

国家自然科学基金《∞６７加６４）；国家科技支棒计划课题（２００６ＢＡＫＯＩＢ０２）

９８

欢迎同上投稿ｗｗｗ．ｃｈｉｎａａｅｔ．ｃｏｍ监测装置采用无线通信技术进行高压隔离和信号传输。

利用其固有的绝缘性和抗电磁场干扰性能，较好地解决了高压开关柜内触头运行温度不易监测的难题。

１系统结构

１．１系统功能

（１）终端测温节点测量范围不小于一４０℃一＋１２０℃，测量精度大于Ｏ．５℃。

（２）主机最多可监测３２个测温网络，每个网络可以容纳多于３２个开关柜，每个开关柜可以配置９个终端测温节点。

这样整个系统总的测试点个数可达３２ｘ３２ｘ

９＝９２１６个。

（３）每个开关柜配置一个柜内温度监测装置，装在开关柜的门上，通过接收测温节点的温度数据实时显示开关柜触头和母线温度，并能够通过该装置对预警温度和报警温度进行设置。

并能通过指示灯和蜂鸣器进行报警。

（４）由高压自具电源给终端测温节点供电，能在开关工作电流４０～４０００Ａ范围内可靠工作，能承受在５００ｍ８

内４００００Ａ电流的冲击。

《电子技术应用》２００９年第４期

测控技术与仪器仪表ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＣｏｎｔｒｏｍｃｎｎｏｌｏｇｙ

ａｎａ－ｎｓｔⅢｍｅｎｔｓ

１．２系统总体结构

如图１所示，整个监测系统主要分３个部分：

ＺｉｉｇＢ∞无线测温网络、高压自具电源和监测ＰＣ。

图１系统总体结构示意图

ＺｉｇＢｅｅ无线测温网络主要包括：

测温终端（终端节点）、开关柜内监测装置（包括路由器和显示模块）、温度收集装置（协调器）。

测温终端主要由ＺｉｇＢｅｅ芯片和温度传感器构成。

开关柜内监测装置主要由ＺｉｇＢｅｅ芯片实现无线通信，单片机实现显示等其他任务。

温度收集装置和开关柜内监测装置采用相同的硬件。

只是软件上有些不同，它在网络中承担协调器的角色。

并实现与ＰＣ机的通信。

ＺｉｇＢｅｅ无线测温网络采用网状拓扑结构，这种结构具有更好的可靠性和容错能力。

１．３系统工作原理

高压开关闭合工作时，高压自具电源从母线取得能量，经一系列整流、滤波、稳压处理，得到３．３Ｖ电源，并为ＺｉｇＢｅｅ测温终端节点供电。

测温节点根据设定的测温频率进行测温．这里设定为每１８一次，并把数据传给开关柜内监测装置（路由器），也可以是其他开关柜的柜内监测装置。

路由器再把温度信息传给温度收集模块（协调器），同时也在开关柜内监测装置上显示本开关柜的９个节点的温度信息。

协调器再把收集到的温度信息通过Ｒｓ４８５发给监测ＰＣ机，用于显示和存档。

２硬件设计

２。

１ＺｉｇＢｅｅ测温节点硬件设计

ＺｉｇＢｅｅ测温节点主要由ＣＣ２４３０和ＤＳｌ８８２０以及一些辅助电路组成。

ＤＳｌ８８２０实现温度测量，ＣＣ２４３０实现温度读取和无线通信。

测温节点在系统中承担终端节点的角色。

基于ＣＣ２４３０测温节点原理图如图２所示。

《电子技术应用》２００９年第４期

圈２基于ＣＣ２４３０测温节点原理图

测控技术与仪器仪表Ｍｅａｓｕ怕ｍｅｎｔ

ｃｏｎｔｒｏＩ

Ｔ∞ｎｎｏＩ吲ａｎｄ

Ｉｎｓｔｒ…ｎｔｓ

２．２开关柜内监测装置硬件设计

对于开关柜内监测装置，主控制芯片的选择是最重要的。

要求抗干扰能力强、通用性强、管脚足够多、价格低廉。

这里选用Ｃｙｇｎａｌ公司的Ｃ８０５ｌＦ０２０微处理器；采用ＭＡＸ４８５芯片进行电平转换；选用１２８Ｘ６４带字库的点阵ＬＣＤ；采用ＤＳｌ３０２作为实时时钟；无线模块和测温节点相同，但在系统中它承担路由器的角色。

作为高压开关柜内监测装置，其本身是一个比较完整的系统。

其原理框图如图３所示。

图３开关柜内监测装置结构原理框图

２．３温度收集装置硬件设计

它采用和开关柜内监测装置一样的硬件平台，但在系统中承担协调器的角色。

３软件设计

３．１ＺｉｇＢｅｅ测温节点软件设计

测温节点的软件设计主要包括３个部分：

温度数据的采集、温度数据的发送和低功耗的实现。

其中温度数据发送采用，Ｉ＇ｌ公司开发的Ｚ—Ｓｔａｅｋｌ．４．１协议栈，具体的参数配置如表１所示，在节点类型上选择终端节点。

在低功耗实现上采用低功耗Ｐ２模式。

经过测量和计算得到在每１ｓ采集一次温度的情况下，测温节点的功耗为３。

５７５４ｍＡｈ／ｄ。

３．２开关柜内监测装置软件设计

开关柜内监测装置软件主要实现与测温节点交互信息，并把接收到的触头和母线温度信息显示在ＬＣＤ上，接收键盘输入的设置信息，在触头和母线温度超过预警或报警值时采取声光报警。

从ＺｉｇＢｅｅ网络的角度，它被配置成路由器类型。

其软件基本流程如图４所示。

把系统分解成若干个功能相对独立的子任务。

并把ＣＰＵ时间分成若干个小的时间片，每个任

后台

表１协议栈参数配置

序号

配置

参数

ｌ物理信道

２．４ＧＨｚ，ｃｈａｎｎｅｌ１１

２ＰＡＮＩＤ

Ｏ，【０００ｌ

３

网络拓扑

ＮＷＫ－ＭＯＤＥ—ＭＥＳＨ

４

地址分配

每个路由器带３２个子节点５节点类型终端节点、路由器、协调器６

低功耗

自动发送间隔Ｉ

ｓ

务必需在指定的时间片段内完成。

这里把系统需完成的功能分解为３个子任务：

响应键盘输人、刷新显示输出、串口发送。

３．３温度收集装置软件设计

温度收集装置软件和开关柜内监测装置软件相似。

最大的不同是其无线模块配置成协调器类型，这里就不再介绍了。

３．４

ＰＣ监测软件设计

ＰＣ监测软件主要功能是通过敲洱８５与开关柜内监

测装置进行通信，读取ＺｉｇＢｅｅ测温节点的温度数据，获

得ＺｉｇＢｅｅ无线测温网络的拓扑结构，用于网络状态通信状态的监测和设备故障的诊断，保存历史数据，显示开关触头温度信息，给开关柜内监测装置校时等功能。

其软件结构如图５所示。

４高压自具电源设计

高压自具电源通过电磁感应原理，把高压大电流侧能量的很小一部分传递给ＺｉｇＢｅｅ无线测温节点。

需要经过能量控制、整流、滤波、稳压等一系列措施，其原理图

１００

欢迎同上投稿ｗｗｗ．ｃｈｉｎａａｅｔ．ｃｏｍ期

１０眦定时中断

串口接收中断

ｌ申口接中断

ｌ

ｌ保存上下文

Ｉ

Ｉ保存接收数据

ｌ

ｆ恢复上下文

ｌ

（中断退出：

前台

定时中断

保存上下文

选择时间片

设置标记位

恢复上下文

中断退出

图４开关柜内监测装置软件流程图

《电子技术应用》２００９年第４期

图５ＰＣ监测软件结构框图

电感

整ＺｉｇＢｅｅ

流滤波ＤＣ—ＤＣ

无线电

稳压模块

测沮路

电路

节点

图６高压自具电源原理示意图

如图６所示。

由于高压侧的电流波动范围很大。

工作范围在０—

４０００Ａ，发生短路时的电流达到４００００Ａ．这给自具电源

的设计带来了很大难度。

因此需要考虑多方面的因素：

设计合理的电流互感器（铁心材料、铁心尺寸、线圈匝数等）．设计合理的整流稳压模块（耐压和能量释放等）以及降低测温节点功耗（硬件和软件设计）。

整流稳压模块的原理图如图７所示。

５实验测试

系统设计完后还需要进行三类实验测试：

高压侧小电流实验、高压侧额定电流实验和高压侧短路电流实验。

从而验证系统在４０－４０００Ａ的情况下能否可靠运行．并且能耐４００００Ａ短路电流冲击。

根据实际安装尺寸的需要。

并对比不同铁心材料（坡莫合金和非晶）、不同形状（圆形和方形）、不同磁路长度、不同线圈匝数，选择了规格为６１／７０１２０的圆形非晶材料作为电流互感器的铁心，并采用６０匝的线圈。

ＴＩ

ＵＰｆ

（１）高压侧小电流实验

给一次侧通入电流，直到测温节点能正常工作，记录最小一次侧电流。

实验中发现在ｌＯ．８Ａ时，测温节点就能正常工作。

再增大一次侧电流，达到１１．５Ａ时，测温节点稳压模块输出稳定在３．３Ｖ左右，即其稳定工作电流也小于４０Ａ，符合设计的要求。

（２）高压侧额定电流实验

给高压侧通入７０００Ａ电流，发现系统还能安全工作，从实际测量可以看出在一次侧通人大电流以后，整流稳压电路输出的电压基本稳定在３．３Ｖ，波动在０～０．０８Ｖ范围内，可以知道在高压侧电流为４０００Ａ时系统能够稳定工作。

（３）高压侧短路电流实验

对于４００００Ａ的高压侧短路冲击电流实验。

由于设备条件所致，无法进行一比一的实验。

采用等效实验的

方法对其进行研究。

在高压侧通入正弦电流时：

Ｃ

占＝＾阻孚ｌｏＪｅｏｓ（ｏＤｔ）

ｆ

式中，，为电流幅值，甜为角频率。

可以看出在高压侧电流不变情况下，占和线圈匝数平方成正比。

经过实验验

证，在高压侧通入７０００Ａ电流时，温度测量装置能稳定工作。

实际中由于电力系统负载短路造成高压开关工作

在大电流情况的时间很短，只有几十毫秒，实验中高压电源工作在接近５０ｋＡ的时间远远大于负载短路的时间。

这就说明了高压白具电源在高压侧发生短路故障时能可靠工作。

高压开关作为电力系统的重要设备，其安全可靠运行是保证电力网健康工作的必要前提。

本文采用基于ＺｉｇＢｅｅ无线网络测温技术对高压开关触头温度进行在线监测，具有组网灵活、可靠性高、抗干扰能力强、低功耗、网络容量大（能够同时监测９２１６个触头温度）等优点。

在给无线测温节点供电上采用高压自具电源，能够在很宽的电流范围内可靠工作。

系统实时监测高压开关柜的健康状况，为开关柜的提前维护提供了依据，有效保障了电力系统的可靠运行。

参考文献

【１】费万民，吕征宇。

耿福江，等．高压开关触点和母线温度

在线检测与监视系统【Ｊ】．电力系统自动化，２００４，２８（３）：

８６—８８．

【２】钱祥忠．高压开关柜内接头温度在线监测系统的设计

——●—－—』—————…

．火Ｄ…Ｉ。

ｕ。

１０ＭＨｚｌｍＨ

４００ｍＡ

６００ｎ

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应用》２００９年第４期图７整压模块原理圈

ｃ７

ｌ“

（

下转０６页）

表４连续３００周期测量的统计结果

无线传感器

理想响应

实际响应理想响应实际响应错误响应匹配过程中轮胎位置节点ＩＤ

时问，８时间，８

数据帧

数据帧

数据帧

数据帧有效率，％

左前轮２０２３３２∞ｈ

ｌ１．０５２４００

２３５８Ｏ９８．２５右前轮２０２ＡＯＡ００ｈｌ

１．１ｌ２柏０２３３６Ｏ９７．３３左后轮２０２ＡＯＡ５０ｈｌ

１．０ｒ７２柏０

２３７０Ｏ９８．７５右后轮

２０２５０ｃ６８ｈ

ｌ

ｌ，０２

２４００

２３８９

０

９９．５４

表５连续５ｍｉｎ测量的统计结果

传输

总线传输

传输数据祯数据尉新远程帧错误杖

轮胎位置帧ＩＤ

方向速率，（ｋｂ，８）

距离／ｍ教量

间隔，８

数量

数量轮胎定位匹配仪＂Ｉｘ０３５５ｈ５００２０

３００

ＯＯｌ

ＣＡＮａｌｙｓｔ－ＩＩ接１２１卡

Ｒｘ

０Ｅ９９ｈ

５００

２０

３００

０

０

（上接第１０１页）

【Ｊ】．仪表技术与传感器，２００７（２）：

７３—７５．

【３】刘建胜，鄂达，张凡．一种用于变电站高压触点温度在线

监测的新方法【Ｊ】．电力系统自动化，２００４，２８（４）：

５４—５７．【４】时斌．光纤传感器在高压设备在线测温系统中的应用

【Ｊ】．高电压技术，２００７，３３（８）：

１６９—１７３．

【５】张艳，田竞，叶逢春．基于红外传感器的高压开关柜沮

１０６

欢迎同上投稿ＷＷＷ．ｃｈｉｎａａｅｔ．ｃｏｍ效，ＣＡＮ—ＢＵＳ通信无远程帧和错误帧，说明使用便携式轮胎定位匹配仪将无线传感器节点ＩＤ等信息上传到车身模块或生产，检测线等是可行的。

测试结果表明，基于ＰｏｗｅｒＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ处理器的便携式胎压监测系统轮胎定位匹配仪设计可行，轮胎定位匹配仪能够准确地唤醒和识别不同轮胎位置的无线传感器节点监测的轮胎信息，并且完成数据的分析和存储；在接入ＣＡＮ—ＢＵＳ后，轮胎定位匹配仪读取ＳＲＡＭ内的数据正确，上传数据没有错误帧，信息交互正常，性能稳定。

参考文献

【ｌ】李书福．关于建议出台＜汽车胎压监测与爆胎安全控

制强制性国家标准）的提案【Ｎ】．中国商报・汽车导报，２００８（４）．

・【２】ＴＰＭＳ

ｔｏｏｌｓ

ｆｏｒ

ｃａｒ

ａｓｓｅｍｂｌｙｌｉｎｅｓ【ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：

ｌｌｗｗｗ．

中ｍ８一ｔ００１．ｃｏｍ／ＴＰＭＳ＿ｔｏｏｌ＿Ｐｒｏｄｕｅｔｉｏｎ．ｈｔｎｄ．２００８．

然而，一些职场新人对此不以为然。

工作时间不断接听私人电话，或是守着电脑大玩游戏达到物我两忘之境，而把工作搁在一边。

也许你会辩解说，我接电话不花公司的钱，玩游戏是因为我已做完手中的工作，等等，这实在是一种曲解。

公司不愿意你接听电话不仅仅是限于电话费的问题，而是希望你在工作时间内专心致志地做工作。

办公室就是办公的地方，工作时间是工作时间。

当你用办公室的电话“煲粥”的时候，当你沉迷于闲书的醉人情节时，也会影响到他人的注意力和工作情绪。

更何况，你因私事占用工作时间，这本身就是在浪费公司的金钱。

因为你的每一分工作时间，公司都是要付出薪水的。

永远不要小看工作时间处理私人事务的负面影响。

一位老板曾这样评价一位当着他面打私人电话的员工：

“我想，他经常这样做，否则他怎么连我也不防？

也许他没有意识到这样有悖于职业道德。

”

另有某公司的老板说：

“我不喜欢看见报纸、杂志和休闲在工作时间出现在员工的办公桌上。

我认为这样做，表明他并不把公司的事情当回事，他只是在混日子。

”

由此可见，公私不分，工作时间处理私人事务，既会影响你的工作质量，也会直接影响上级对你的印象。

第十七课

老板不在身边也要努力工作

两匹马各拉一辆大车。

前面的一匹走得很好，而后面的一匹马常常停下来。

于是人们就把后面一辆车上的货物挪到前面一辆车上去。

等到后面那辆车上的东西都搬完了，后面的那匹马便轻快地前进，并且对前面的那匹马说：

“你辛苦吧，流汗吧，你越是努力干，人家越是要折磨你。

”

来到车马店的时候，主人说，既然只用一匹马拉车，我养两匹马干嘛？

不如好好喂养一匹马，把另一匹马宰掉，总还能拿到一张皮吧。

于是他便这样做了。

一个人工作时所具有得精神，不但对于工作的效率有很大关系，而且对于他本人得品格，也有重要影响。

工作就是你人格的表现，工作就是你的志趣、理想，只要看到了你所做的工作，就如见其人了。

"

ｐｈｙｓｉｃａｌｌａｙｅｒ（ＰＨＹ）

ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｆｏｒｌｏｗ—ｒａｔｅｗｉｒｅｌｅｓｓ

ｐｅｒｓｏｎａｌ

ａｒｅａ

ｎｅｔｗｏｒｋｓ

（ＬＲ—ＷＰＡＮ８）．ＮｅｗＹｏｒｋ：

ＴｈｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｅｔｒｉｃａｌａｎｄ

Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，Ｉｎｃ．，２００３，１０．

（收稿日期：

２００８一ｌｌ－０１）

《电子技术应用》２００９年第４期