福州大學電氣工程與自動化學院和國家電網(wǎng)福建連江縣供電有限公司的研究員陳、陳、高偉在2016年第9期《電氣技術》上撰文。他們設計了一套變電站10kV開關柜運行環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，解決了內部防火堵泥情況、溫濕度等運行環(huán)境難以實時控制和存在安全隱患的問題。

該系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構基于無線傳感器網(wǎng)絡和以太網(wǎng)的混合。每個監(jiān)控終端通過無線傳感器網(wǎng)絡與通信管理機進行信息交互，通信管理機通過以太網(wǎng)與上位機軟件進行通信。本文介紹了軟硬件設計、無線傳感器參數(shù)配置、上位機軟件設計等。結合變電站10kV開關柜內的特殊運行環(huán)境對系統(tǒng)進行了描述。

在無人值守變電站的情況下，操作人員無法實時控制10kV開關柜的防火泥漿的堵塞情況和溫濕度。在極端情況下，防火泥漿的堵塞可能會脫落，電纜接頭的溫度可能會突然升高，機柜內空氣的濕度可能會突然升高。如果此時不及時采取有效措施進行監(jiān)控，10kV開關柜的安全運行很容易受到干擾。如果消防泥漿脫落，小動物鉆入10kV開關柜，可能造成相間或接地短路，造成電力事故；對于潮濕地區(qū)的變電站來說，雖然目前每開關柜都配有一個加熱器來驅潮，但操作人員無法從遠處了解加熱器的運行狀態(tài)和機柜內的濕度，從而造成潛在的事故。

因此，針對目前無法實時掌握和控制內部防火堵泥和11+10kV開關柜溫濕度條件的現(xiàn)狀，開發(fā)了一套實時監(jiān)控變電站10kV開關柜防火堵泥、溫濕度條件和智能防潮的智能監(jiān)控系統(tǒng)，即變電站10kV開關柜安全運行智能監(jiān)控系統(tǒng)。

1總體系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)由五部分組成:消防泥漿堵漏監(jiān)控終端、無線測溫終端、智能除濕監(jiān)控終端、通信管理機和上位機平臺軟件，如圖1所示。

基于ZigBee協(xié)議棧的無線傳感器網(wǎng)絡用于消防泥漿堵漏監(jiān)控終端、無線測溫終端、智能除濕監(jiān)控終端和通信管理機之間的通信，是一個2.4千兆赫的網(wǎng)狀網(wǎng)絡

其中，消防泥漿堵漏監(jiān)控終端用于監(jiān)控動物的入侵和消防泥漿的破壞，并通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡立即向通信管理人員報告任何異常情況。無線測溫終端通過將數(shù)字測溫元件貼在開關觸點的加熱位置，通過熱傳導感應熱點的溫度，定期采集熱點的溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)上報給通信管理機。智能除濕監(jiān)控終端可以實時監(jiān)控開關柜范圍內的溫度和濕度。根據(jù)傳感器信息，加熱器、排氣扇和半導體制冷裝置由冷凝算法智能控制，以驅濕和破壞冷凝條件。

同時，控制終端可以將當前的溫濕度值、露點值和除濕設備的運行狀態(tài)通過2.4千兆赫的紫蜂無線網(wǎng)絡實時傳輸?shù)酵ㄐ殴芾頇C，直至上位機監(jiān)控平臺，還可以遠程接收上位機監(jiān)控平臺發(fā)出的命令。通信管理機承擔數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)議轉換的角色。ZigBee模塊從控制終端接收數(shù)據(jù)，并向其發(fā)送控制命令。采用以太網(wǎng)通信，將監(jiān)控的工作環(huán)境和狀態(tài)信息數(shù)據(jù)主動上傳到上位機軟件平臺的應用服務器，并接收和發(fā)送命令到網(wǎng)絡服務器。

上位機平臺軟件包括應用服務器、數(shù)據(jù)庫服務器和本地客戶端:應用服務器主動接收通信管理機發(fā)送的監(jiān)控數(shù)據(jù)，并將監(jiān)控數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫服務器；數(shù)據(jù)庫服務器用于存儲參數(shù)信息、實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)；本地客戶端提供參數(shù)數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)，并通過應用服務器向應用服務器發(fā)送和接收監(jiān)控命令。

2終端設備設計

2.1消防泥漿堵塞監(jiān)控終端的設計

消防泥漿堵漏監(jiān)控終端主要由五部分組成:紅外熱釋電感應模塊、振動傳感器模塊、通信模塊、控制模塊和電源模塊，如圖2所示。中央處理器通過CCP采集模塊采集紅外熱釋電傳感器的信息，判斷小動物是否通過。同時，中央處理器通過輸入輸出端口采集植入防火泥漿的振動傳感器的信息，判斷防火泥漿的位置狀態(tài)。

通過兩者的結合，得到防火泥漿的封堵狀態(tài)；如果防火泥漿堵塞異常，中央處理器通過ZigBee無線通信模塊將報警信息上傳到通信管理機，并進一步通知上位機，通過上位機通知操作人員及時檢修防火泥漿，以保證設備安全可靠運行。

熱釋電傳感器對溫度敏感，當入侵物體的溫度與環(huán)境溫度不同時，熱釋電傳感器輸出δT。本設計選用GH-718作為紅外熱釋電傳感器，采用紅外熱釋電傳感器和菲涅爾光學透鏡設計。工作電壓DC4.5~20V，靜態(tài)功耗50μA，傳感距離7m，傳感角度110°。

振動傳感器為MMA7455L，為XYZ三軸低G加速度傳感器，工作在2.4~3.6V低壓。分辨率高達64 lsbs。可承受高達5000克的高強度沖擊。選用微芯片公司的20針8位CMOS閃存單片機PIC16F690作為中央處理器，待機狀態(tài)電流為50nA，空閑狀態(tài)可進入超低功耗睡眠模式，工作溫度范圍為-40℃~ 125℃；選擇低頻晶體振蕩器(4 MHz)以進一步降低功耗。超低功耗喚醒、高灌溉/牽引電流能力和超低功耗節(jié)能睡眠模式。

紫蜂模塊采用digi公司的XBee模塊，通過串口通信與中央處理器通信，采用基于IEEE 802.15.4標準的紫蜂協(xié)議，采用網(wǎng)狀結構，紫蜂通信采用自由2.4GHz通道，模塊配置為路由器模式，不休眠，采用3.3V DC電源。

終端電源取自220伏交流電壓，220伏交流電壓通過YAW3S05T(交流/DC)電源轉換模塊降低至5伏DC電壓，提供給人體紅外感應模塊使用。同時，SPX1113.3電源模塊進一步將5V DC電源降低到3.3V，供中央處理器、紫蜂等模塊使用。

圖2消防泥漿堵漏監(jiān)控終端

3]，接口電路為XBee模塊。通信管理機與上位機平臺采用以太網(wǎng)通信，接口電路為RJ45模塊，鏈路層通信協(xié)議為TCP。

圖1 系統(tǒng)構成框圖

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泥漿堵塞監(jiān)測終端程序包括初始化、振動數(shù)據(jù)采集、熱釋電傳感器狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)主動報告。初始化主要完成輸入輸出端口設置、EEPROM數(shù)據(jù)讀取、中斷設置、定時器設置、振動模塊配置、自檢等。由于PIC16F690單片機有自己的EEPROM模塊，監(jiān)控終端的地址和振動模塊的加速度監(jiān)控閾值都存儲在EEPROM中，可以在刻錄時寫入，也可以通過通信修改。

振動模塊的配置主要是選擇啟動時的測量范圍和精度，判斷是否連接，如果沒有連接或斷開則報警。為了防止剛通電時的振動，中央處理器在通電后啟動振動傳感器，并保持1分鐘，每100毫秒采集一次振動數(shù)據(jù)，根據(jù)自適應抗干擾濾波算法判斷火泥是否脫落，并產(chǎn)生SOE事件報警。為了防止干擾信號引起的誤報警，根據(jù)防滅火泥漿脫落的特點，如果振動超過極限持續(xù)時間達到閾值(默認設置為2s)，則認為報警信號可靠，并產(chǎn)生SOE事件報警。

當紅外感應區(qū)域被入侵時，紅外傳感器將向中央處理器發(fā)送報警狀態(tài)。當狀態(tài)持續(xù)時間達到閾值時，它也被認為是可靠的警報信號，并產(chǎn)生SOE事件警報。中央處理器通過紫蜂模塊每30秒向上位機報告一次終端的狀態(tài)。終端有三種狀態(tài):正常、入侵和掉線。如果終端在事件發(fā)生后有兩種狀態(tài)，將立即被報告為SOE事件。

2.2無線測溫終端的設計

無線測溫傳感器主要安裝在開關柜的觸點上，定期測量觸點溫度并主動上傳。工作原理很簡單。中央處理器通過I2C接口與溫度傳感器交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)溫度信息采集。然后中央處理器根據(jù)協(xié)議對采集到的數(shù)據(jù)信息進行一系列的狀態(tài)判斷和設計處理，最后通過串口通信接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee模塊。

由于工作環(huán)境特殊，供電不方便，采用電池供電方案，因此在軟硬件設計中應最大限度地降低功耗，并選擇在高溫低功耗模式下工作的元器件。

無線測溫終端的軟件設計包括溫度檢測、溫度數(shù)據(jù)傳輸和低功耗管理。考慮到一般環(huán)境下熱點的溫度變化不明顯，為了降低測溫傳感器的功耗，軟件設計采用了短周期溫度數(shù)據(jù)采集、長周期主動數(shù)據(jù)傳輸和循環(huán)睡眠等方法。圖4是無線測溫傳感器的主要工作流程圖。

中央處理器每15秒收集兩次溫度值，并驗證兩個溫度值，以驗證數(shù)據(jù)的有效性。TMP102的轉換溫度需要26毫秒，因此為了降低功耗，在轉換溫度期間，中央處理器進入睡眠狀態(tài)26毫秒。終端地址存儲在可編程只讀存儲器中，僅在中央處理器初始化時讀取，并存儲在數(shù)據(jù)區(qū)中使用，從而避免頻繁的可編程只讀存儲器讀取并增加功耗。

將當前讀取的有效溫度值與上次保存的溫度值進行比較。如果溫差超過某個閾值，直接上傳數(shù)據(jù)；否則，每5分鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)。使用適當?shù)姆椒ㄑ娱L傳輸間隔可以提高電池的使用壽命。當溫度超過75℃的上限值時，進入預警狀態(tài)，直接上傳溫度數(shù)據(jù)，累計3次后，轉換為每5分鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)；當溫度再次降到73℃以下時，警告狀態(tài)被解除。

在正常操作期間，無線數(shù)據(jù)收發(fā)器模塊處于睡眠狀態(tài)。僅當需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，才通過拉低引腳電平來喚醒XBee模塊，并且在數(shù)據(jù)傳輸完成后，XBee模塊在上拉電平進入睡眠狀態(tài)。在軟件進入睡眠狀態(tài)之前，所有空閑的輸入/輸出端口都被配置為輸入，并且正在使用的輸入/輸出端口的電平狀態(tài)應該與所連接的設備保持一致，以避免電流在引腳上流動并降低模塊的功耗。

圖4無線溫度傳感器工作流程圖

4]。

采用TI公司生產(chǎn)的TMP102數(shù)字式溫度傳感器，其具有體積極小、低功耗等特性。TMP102采用SOT563封裝，高度只有0.6mm；最大工作電流只有10μA，休眠電流只有1μA。選擇8位單片機PIC16F1823作為CPU，待機狀態(tài)下電流為20nA，空閑狀態(tài)可進入超低功耗休眠模式，工作溫度范圍為-40℃~125℃。

單片機工作于外部晶振模式可使工作功耗最小，也能提供精確度更高的時基，選用低頻晶振（4MHz）。ZigBee無線模塊通過串口與CPU進行通信，配置為終端，可休眠。CPU通過拉高或拉低SLEEP_RQ引腳電平即可控制XBee是否進入休眠狀態(tài)，休眠時XBee最大工作電流僅為1μA。采用TLH4902 TADIRAN電池供電，高低溫特性好，工作溫度范圍-55℃～85℃，一般壽命長達20年。

圖3 測溫終端系統(tǒng)框圖

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2.3智能除濕監(jiān)控終端的設計

智能除濕監(jiān)控終端采用分體設計模式，由控制模塊和潮汐驅動模塊組成(如圖5所示)。控制模塊包括電源轉換模塊、溫濕度采集模塊、微處理器模塊、繼電器輸出模塊、開關量采集模塊和通信模塊

單片機采用微芯片的16位PIC24FJ64G -004。其主要功能特點如下:多達26個可用的外圍引腳；2個I2C模塊；2個通用異步收發(fā)器模塊；5個帶可編程預分頻器的16位定時器/計數(shù)器；4個外部中斷源。電源轉換模塊的220伏至12V部分采用臺灣魏明的開關電源模塊RPS-712，輸出電流范圍為0~6.3A，紋波和噪聲為100兆歐，電壓精度為2.0%，輸入電壓范圍為90 ~ 264伏交流電或70 ~ 127伏DC。

溫濕度傳感器采用森西里奧公司的SHT11，具有集成度高、功能全面、體積小、響應速度超快、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。溫度采集范圍:-40℃~+120℃，精度:25℃0.5℃，0 ~ 40℃0.9℃；濕度采集范圍:0 ~ 100%相對濕度，精度:3.5%相對濕度；傳感器通過數(shù)據(jù)線DATA和時鐘線SCK傳輸數(shù)據(jù)。

開關值為無源或有源輸入信號，經(jīng)PC817光電隔離后輸入單片機。無線通信模塊配置為路由器模式，不會休眠。潮汐驅動模塊中的加熱和溫度控制裝置擴展了接線盒中現(xiàn)有的加熱板，電源電壓為220伏。由于加熱速度快，除濕效果不明顯，用于控制接線盒中的環(huán)境溫度。制冷除濕裝置為半導體制冷除濕機，由兩組風扇、兩組導熱金屬塊、半導體制冷片和接水板組成。為了提高冷凝控制過程的動態(tài)性能，采用閉環(huán)控制BUCK電路實時調節(jié)除濕機的輸出功率。

無線溫濕度控制器作為終端箱防潮控溫的核心，由溫濕度采集處理模塊、ZigBee通信模塊、紅外通信模塊和控制策略模塊組成。主要流程圖如圖6所示。

圖6控制器主要流程圖

5]。電源轉換模塊將220V交流電源轉換成直流12V、直流5V、直流3.3V輸出，供給其他模塊使用。溫濕度采集模塊可以采集溫濕度數(shù)據(jù)，并轉換為數(shù)字信號輸出。

微處理器用于控制溫濕散熱片、溫濕度的采集，信息處理，控制命令的處理，并管理其他模塊。繼電器輸出模塊根據(jù)微處理器模塊發(fā)出的指令，控制制冷裝置和加熱裝置的工作。開關量采集模塊可以通過門限開關采集柜門狀態(tài)，或通過空開輔助模塊采集空開的狀態(tài)。通信模塊主要負責將電信號轉換為無線電波信號，實現(xiàn)信息的無線傳輸。驅潮模塊由加熱控溫裝置和制冷除濕裝置組成。

圖5 智能除濕監(jiān)控結構終端圖

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中央處理器每1秒采集一次溫濕度值并進行判斷處理；每隔30秒，通過無線通信模塊上傳溫濕度值、露點值、除濕設備運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)；當中央處理器接收到數(shù)據(jù)幀時，根據(jù)控制代碼判斷是通過ZigBee通信還是紅外模塊進行處理。紅外模塊支持紅外手持設備讀取附近的終端數(shù)據(jù)。

控制終端通過兩種方式?jīng)Q定是否啟動除濕防潮設備進行除濕和溫度控制。

一是根據(jù)溫度和相對濕度計算露點值，并將露點值與當前溫度的差值作為除濕機的啟動條件。根據(jù)溫度和預設閾值之間的比較來確定。

其次，強制啟動遠程監(jiān)控平臺，通過遠程監(jiān)控平臺的軟件窗口分配除濕設備的運行時間，時間到達后除濕設備返回到原始狀態(tài)。以上兩種方法構成了除濕防潮設備相對完善的控制方法。

3通信管理機的設計

通信管理機是基于RCM6760模塊的嵌入式系統(tǒng)。其功能是通信管理和協(xié)議轉換。硬件結構可以分為兩部分:系統(tǒng)和接口。系統(tǒng)部分是通信管理機的核心硬件，主要包括中央處理器、存儲器、復位及其外圍電路。CPU采用RCM6760，具有體積小、內置時鐘芯片、多串口、外設豐富等優(yōu)點。它適用于多串口多任務的嵌入式系統(tǒng)協(xié)議轉換器。

此外，該模塊的編譯環(huán)境中移植了μC/OS-II，大大縮短了項目開發(fā)周期。RCM6760模塊帶有1MB閃存作為程序存儲器。板載4位串行閃存AT45DB041B用作數(shù)據(jù)存儲器，其存儲內容包括:歷史故障信息、所有通信協(xié)議和串行通信接口的設置參數(shù)。通信管理機的接口電路包括以太網(wǎng)模塊、ZigBee模塊等。其中，ZigBee模塊采用XBee PRO模塊，配置為網(wǎng)絡協(xié)調器，負責網(wǎng)絡的建立和維護

定時管理任務主要負責定時和延時，包括以太網(wǎng)重傳延時、以太網(wǎng)傳輸延時和心跳包傳輸延時功能。數(shù)據(jù)主動上傳和心跳數(shù)據(jù)包上傳的默認時間間隔分別為5分鐘和2分鐘。數(shù)據(jù)分析任務主要負責與主站服務器的數(shù)據(jù)交換。操作對象是全局變量、以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區(qū)和以太網(wǎng)接收緩沖區(qū)。物理層根據(jù)以太網(wǎng)協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)議層根據(jù)主站協(xié)議進行分析和封裝。

ZigBee通信任務負責與各個終端的數(shù)據(jù)交換。通信協(xié)議是底層終端的串口通信協(xié)議。ZigBee通信任務的操作對象是全局變量、ZigBee數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)和ZigBee數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)，如圖7所示。

ZigBee通信任務分為兩部分:發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。分布式數(shù)據(jù)可以分為兩類:第一類是分布式查詢任務；第二類是更改任務，包括閾值設置、手動自動設置和起止控制。

在通信協(xié)議方面，設計采用統(tǒng)一的幀格式，具體說明如表1所示。地址字段代表終端設備的地址，命令代碼包括設置終端參數(shù)、讀取終端數(shù)據(jù)、終端報警、通信響應等功能。校驗和和響應機制用于處理通信錯誤，提高通信的穩(wěn)定性和準確性。

在正常通信過程中，如果接收方接收到正確的數(shù)據(jù)并且驗證一致，它將向發(fā)送方返回響應信號。當發(fā)生通信錯誤，即校驗失敗時，數(shù)據(jù)發(fā)送方無法在預設的時限內收到對方的響應信號，因此需要延遲重傳。

表1幀格式描述

6]。

通訊管理機的軟件設計部分按功能將任務劃分為定時管理、以太網(wǎng)通信、數(shù)據(jù)解析和ZigBee通信任務[7]。各任務間的關系如圖7所示。

圖7 通信管理機任務

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4.上位機軟件設計

變電站10kV開關柜安全運行智能監(jiān)控系統(tǒng)由六個模塊組成:系統(tǒng)管理、臺賬信息建立和維護、開關柜監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)展現(xiàn)、國企事件管理和系統(tǒng)幫助[8]。

其中，系統(tǒng)管理模塊包括用戶管理、角色管理、模塊管理、部門管理等功能，為系統(tǒng)提供了靈活的權限配置和可靠的安全性。賬戶信息建立和維護模塊可用于建立、維護、變更和查詢系統(tǒng)、通信管理機、電壓等級和開關柜設備信息等。開關柜監(jiān)控模塊實時顯示當前開關柜溫度、濕度、運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，并可通過網(wǎng)絡控制開關柜運行模式和運行狀態(tài)。歷史數(shù)據(jù)模塊可以查看開關柜監(jiān)控的歷史信息，并提供生成和打印歷史數(shù)據(jù)報表以及開關柜歷史數(shù)據(jù)對比圖的功能；SOE事件模塊用于檢查各種設備的異常數(shù)據(jù)，確認異常數(shù)據(jù)并填寫原因；系統(tǒng)幫助模塊提供系統(tǒng)說明。

結論

該系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡作為數(shù)據(jù)傳輸通道，每個終端成為網(wǎng)絡上的一個節(jié)點，并能在網(wǎng)絡中運行。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)以加密形式傳輸，提高了網(wǎng)絡運行的穩(wěn)定性。通信管理機作為通信網(wǎng)絡與監(jiān)控設備之間的接口設備，承擔著數(shù)據(jù)采集的任務，需要接收來自下層眾多終端的ZigBee模塊的數(shù)據(jù)包。

設計中采用了基于RCM6760的嵌入式操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡通信采用API操作模式，采用多對一路由模式。可以有效提高ZigBee網(wǎng)絡的路由效率，保證ZigBee網(wǎng)絡的暢通。利用以太網(wǎng)的光纖通道可以實現(xiàn)與上位機的互聯(lián)。

主站具有友好的人機界面、純WEB技術和B/S架構。其功能模塊是根據(jù)供電企業(yè)的不同職能部門設計的，易于被用戶接受。因此，變電站10kV開關柜運行環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是一種優(yōu)質的開關柜防潮控溫設備，可作為新舊開關柜冷凝控制器的替代和首選設備。