基于ZigBee的高壓開關(guān)柜無線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

引言
發(fā)電廠、變電站的高壓開關(guān)柜內(nèi)的母線接頭和室外刀閘開關(guān)等重要設(shè)備，在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，因老化或接觸電阻過大而發(fā)熱。由于這些發(fā)熱部位的溫濕度沒有得到及時(shí)有效的監(jiān)測(cè)，往往導(dǎo)致火災(zāi)和大面積停電等事故的發(fā)生。實(shí)現(xiàn)母線接頭和刀閘開關(guān)等關(guān)鍵部位的溫濕度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，防止開關(guān)過熱，可以顯著地減少此類事故的發(fā)生。在工程實(shí)踐中，高壓大電流設(shè)備內(nèi)的接頭部位都具有裸露高壓，因此這些部位的溫濕度很難監(jiān)測(cè)，通常的溫濕度測(cè)量方法因無法解決高壓絕緣問題而不能使用。

　　目前，高壓大電流設(shè)備內(nèi)的母線接頭部位溫濕度監(jiān)測(cè)的方法主要有紅外測(cè)量、光纖測(cè)量和無線測(cè)量。光纖測(cè)量技術(shù)采用光導(dǎo)纖維傳輸溫濕度信號(hào)，光導(dǎo)纖維具有優(yōu)異的絕緣性能，能夠隔離開關(guān)柜內(nèi)的高壓，因此能夠準(zhǔn)確測(cè)量高壓觸點(diǎn)的運(yùn)行溫濕度，實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)柜內(nèi)觸點(diǎn)運(yùn)行溫濕度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。然而，用于隔離高壓的光纖表面可能受到污染，導(dǎo)致光纖表面放電，以及安裝布線煩瑣，大大降低了光纖測(cè)量系統(tǒng)的可靠性和使用范圍。紅外測(cè)量為非接觸式測(cè)量方法，沒有高壓絕緣問題。但它容易受環(huán)境及周圍電磁場(chǎng)的干擾，測(cè)量精度低，自動(dòng)化程度低，往往需要人工定期到高壓大電流現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，效率低，風(fēng)險(xiǎn)大。另外，開關(guān)柜內(nèi)的空間非常狹小，時(shí)常無法安裝紅外測(cè)量探頭(因?yàn)樘筋^必須與被測(cè)物體保持一定的安全距離，并需要正對(duì)被測(cè)物體的表面)。

　　無線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用無線電波進(jìn)行信號(hào)傳輸，帶有傳感器的測(cè)試模塊安裝在高壓設(shè)備表面，與接收設(shè)備之間無電氣聯(lián)系，從根本上解決了高壓絕緣問題，測(cè)量精度高，并且安裝方便，不受開關(guān)柜體結(jié)構(gòu)的限制，是監(jiān)測(cè)高壓開關(guān)柜溫濕度的理想解決方案。本文提出的高壓開關(guān)柜溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是基于 ZigBee這一新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

　　2 高壓開關(guān)柜無線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)速率、低功耗、低成本的雙向無線通信技術(shù)，其數(shù)據(jù)傳輸速率在10～250 kb／s之間，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的單跳距離為10～75 m，射頻發(fā)射功率低，再加上處理器支持多種休眠模式。一節(jié)普通容量的鋰電池能保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)正常工作1～3年，成本低，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量大，具有自組網(wǎng)，自動(dòng)路由和自愈功能，且工作在2.4 GHz的免執(zhí)照頻段。它是實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)柜無線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的理想解決方案。

　　2.1 硬件設(shè)計(jì)

　　本文提出的高壓開關(guān)柜無線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)基于TI公司推出的符合ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的CC2430芯片。射頻部分的原理圖設(shè)計(jì)在典型電路的基礎(chǔ)上做了少量修改。考慮到系統(tǒng)工作在高壓大電流環(huán)境，為避免引起尖端高壓放電，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用印刷電路板天線或者陶瓷天線。ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)3種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。終端節(jié)點(diǎn)帶有溫濕度傳感器，是主要的感測(cè)節(jié)點(diǎn)，放置在高壓開關(guān)柜內(nèi)。開關(guān)柜內(nèi)往往不允許布置額外的電纜，同時(shí)終端節(jié)點(diǎn)支持休眠模式，因此采用電池供電。協(xié)調(diào)器和路由器節(jié)點(diǎn)因?yàn)樾枰o其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供路由傳遞數(shù)據(jù)報(bào)功能，因此采用市電供電，使協(xié)調(diào)器和路由器節(jié)點(diǎn)永遠(yuǎn)處于工作狀態(tài)。