楊鵬，范曉勇，杜佳瑋，胡泮

（揚(yáng)州大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，揚(yáng)州225127）

引 言

預(yù)裝式變電站與傳統(tǒng)土建變電站相比具有成套性強(qiáng)、體積小、占地少、能伸入負(fù)荷中心、提高供電質(zhì)量、減少損耗、送電周期短、選址靈活、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、安裝方便、運(yùn)行安全可靠及投資少、見效快等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用日益廣泛。但是，現(xiàn)有的箱式變電站在安全可靠性方而還存在一些問(wèn)題。主要是由于箱式變電站一般運(yùn)行在戶外，戶內(nèi)電器設(shè)備容易受到外界環(huán)境的影響。預(yù)裝式變電站安全運(yùn)行通常均側(cè)重于對(duì)電量參數(shù)（電壓、電流、電功率）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究，其非電量參數(shù)的在線測(cè)量，如觸點(diǎn)溫度，受到高電壓、強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾、測(cè)點(diǎn)位置的限制，至今仍未很好地解決該問(wèn)題。

張巧芬等設(shè)計(jì)了針對(duì)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變電站設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用MSP430F149＋nRF905作為核心模塊，監(jiān)測(cè)高壓開關(guān)柜、母線接頭、電纜接頭等設(shè)備上的溫度，但是節(jié)點(diǎn)抗干擾能力和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期有待進(jìn)一步提高［1]。

王海倫等采用PSoC＋CC2430設(shè)計(jì)了電氣設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)體積小、可靠性高，但由于通信距離短，限制了推廣應(yīng)用［2]。

李麗芬等設(shè)計(jì)了長(zhǎng)鏈樹狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)絕緣子泄漏電流在線監(jiān)測(cè)，但是由于系統(tǒng)工作在強(qiáng)電磁環(huán)境中，電磁兼容和網(wǎng)絡(luò)安全有待進(jìn)一步提高［3]。

針對(duì)這些不足，本裝置采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將示溫片和二氧化碳傳感器分別設(shè)置于高壓柜的觸頭和觸頭附近獲取溫度信息構(gòu)成傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)一款功能豐富、性能強(qiáng)大且成本低的變電站無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)。

1 傳感器節(jié)點(diǎn)的總體結(jié)構(gòu)

高壓柜觸頭溫度傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主要包括高壓柜解點(diǎn)高分子示溫片、二氧化碳傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、JN5139無(wú)線控制器、時(shí)鐘電路和電源電路等。在高壓柜內(nèi)的觸點(diǎn)上粘貼高分子示溫片，對(duì)高分子示溫片的材料成分作適當(dāng)調(diào)整，改變其熔點(diǎn)溫度，可以滿足不同的超溫監(jiān)測(cè)要求，從而擴(kuò)大溫度的監(jiān)測(cè)范圍。

圖1 高壓柜觸頭溫度傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)觸點(diǎn)溫度超溫時(shí)，示溫片受熱釋放CO2氣體，并能夠?qū)崿F(xiàn)超溫變色，使柜內(nèi)CO2氣體濃度在短時(shí)間內(nèi)急劇上升，通過(guò)MS4100二氧化碳傳感器檢測(cè)CO2濃度的變化，MS4100傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路處理后，輸入JN5139芯片的A／D轉(zhuǎn)換器輸入端。無(wú)線微控制器采用英國(guó)Jennic公司的高性能、低功耗JN5139無(wú)線控制芯片?？蓪?shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)組網(wǎng)和收發(fā)功能，同時(shí)在傳感器節(jié)點(diǎn)裝置中采用時(shí)鐘芯片對(duì)采樣進(jìn)行計(jì)時(shí)，時(shí)鐘電路采用時(shí)鐘芯片DS1302。

2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)部署在高壓柜內(nèi)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，由于電磁干擾嚴(yán)重，節(jié)點(diǎn)硬件盡可能考慮低功耗和抗干擾設(shè)計(jì)。硬件抗干擾主要是在傳感器信號(hào)調(diào)理電路中根據(jù)干擾情況，增加陷波電路，采用抗干擾能力強(qiáng)的JN5139無(wú)線控制器，減小節(jié)點(diǎn)體積，以電池供電等方式降低干擾。傳感器模塊主要由微處理器、無(wú)線通信單元、數(shù)據(jù)采集單元和電源單元4個(gè)部分組成。

2.1 微處理器模塊［4－5]

本設(shè)計(jì)采用JN5139無(wú)線控制器，JN5139是集成了uFl天線的高功率模塊，可以在較短的時(shí)間內(nèi)以較低的成本實(shí)現(xiàn)IEEE802.15.4協(xié)議或ZigBee兼容系統(tǒng)。JN5139提供了完整的RF和器件的解決方案及豐富的外圍器件。JN5139特性：集成uFl天線插槽；兼容2.4GHz、IEEE802.15.4和ZigBee協(xié)議；2.7～3.6V操作電壓；睡眠電流（包括睡眠定時(shí)器處于活動(dòng)狀態(tài)）為2.8μA；接收靈敏度為－100 dBm。其MCU特性：16MHz 32位RISC CPU；96KB RAM，192 KB ROM；4個(gè)輸入端口，12位ADC，2個(gè)11位DAC，2個(gè)比較器，2個(gè)應(yīng)用級(jí)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，2個(gè)串口（一個(gè)用于系統(tǒng)在線調(diào)試），一個(gè)SPI接口，支持5個(gè)片選。它能夠組建健壯的、安全的、低功耗的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

2.2 信號(hào)獲取和處理模塊

高壓柜觸頭溫度傳感器節(jié)點(diǎn)原理圖如圖2所示。將示溫片粘貼在高壓柜觸頭上，當(dāng)觸點(diǎn)溫度超溫時(shí)，示溫片受熱釋放CO2氣體，使柜內(nèi)CO2氣體濃度在短時(shí)間內(nèi)急劇升高，通過(guò)測(cè)量CO2氣體濃度實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)。二氧化碳傳感器采用MS4100，相應(yīng)的調(diào)理電路由TLC271構(gòu)成的跟隨器、TLC271構(gòu)成的放大器、TLC271構(gòu)成的減法器及溫度補(bǔ)償電路等組成。

3 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)［6－8]

傳感器節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖3所示。高壓柜觸頭溫度傳感器節(jié)點(diǎn)軟件開發(fā)平臺(tái)都使用Jennic公司提供的一整套開發(fā)工具。首先，用戶程序在Jennic CodeBlocks集成開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行調(diào)試和編譯。CodeBlocks是一個(gè)源碼開放的C／C＋＋集成開發(fā)環(huán)境，Jennic對(duì)其進(jìn)行了二次開發(fā)，嵌入了很多用于ZigBee網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的API函數(shù)，用戶程序經(jīng)過(guò)編譯成二進(jìn)制文件。其次，使用Jennic Flash Programmer軟件將編譯的二進(jìn)制文件下載到JN5139的Flash中，用戶程序就可以在JN5139上運(yùn)行了。

節(jié)點(diǎn)上電時(shí)，首先進(jìn)行初始化操作，包括ZigBee堆棧的初始化及硬件外設(shè)的初始化；接著進(jìn)行信道查詢，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)等待加入；然后向該網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送加入請(qǐng)求；最后，在收到允許加入的確認(rèn)之后加入網(wǎng)絡(luò)，接收協(xié)調(diào)器發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并把讀取的節(jié)點(diǎn)被測(cè)量數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。

圖2 高壓柜觸頭溫度傳感器節(jié)點(diǎn)原理圖

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程圖

系統(tǒng)采用非阻塞的設(shè)計(jì)方法，減少了CPU等待時(shí)間，大大提高了CPU的利用率，節(jié)省了時(shí)間。非阻塞程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。定時(shí)中斷程序主要完成數(shù)據(jù)的采集，中斷到時(shí)首先查詢傳感器狀態(tài)，根據(jù)查詢結(jié)果，完成啟動(dòng)采樣、信號(hào)轉(zhuǎn)換和讀取采樣結(jié)果等操作，并在一個(gè)操作完成之后把傳感器狀態(tài)轉(zhuǎn)換成下一個(gè)操作狀態(tài)，依此循環(huán)采集數(shù)據(jù)。

圖4 非阻塞程序流程

4 測(cè)試結(jié)果

將上述方案設(shè)計(jì)的溫度測(cè)量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，在空置的高壓開關(guān)柜內(nèi)，將示溫片貼在受熱的金屬上，通過(guò)該節(jié)點(diǎn)測(cè)量溫度，同時(shí)采用紅外測(cè)溫儀作為標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)比傳感器節(jié)點(diǎn)的測(cè)量值，進(jìn)行了驗(yàn)證。在0～100℃之間選取8個(gè)測(cè)量點(diǎn)，同時(shí)讀取紅外測(cè)溫儀和節(jié)點(diǎn)溫度值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所列。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的測(cè)量誤差較小，能夠比較精確地對(duì)高壓柜的觸頭溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，誤差僅為±0.5℃，符合工程實(shí)際需要。

結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前預(yù)裝式變電站監(jiān)測(cè)中面臨的監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散、布線困難和實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題，提出了利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)預(yù)裝式變電站高壓觸頭溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的方法。著重討論了傳感器節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本連續(xù)在線監(jiān)測(cè)，較傳統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢(shì)。實(shí)際運(yùn)行表明該系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定。

［1] 張巧芬，劉彥呈，張勤進(jìn)，等.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變電站設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J] .低壓電氣，2011（19）：39－41.

［2] 王海倫，蔡志宏，范一鳴.電氣設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J] .傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（7）：97－99.

［3] 李麗芬，朱永利，黃建才，等.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的絕緣子泄漏電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J] .電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（10）：74－76.

［4] 崔光照，袁贊，劉沙.一種基于JN5121的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)［J] .汕頭大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23（1）：43－45.

［5] 黃金波，梁鵬，王德偉.基于JN5121無(wú)線ZigBee模塊瓦斯巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J] .煤礦機(jī)電，2008（3）：25－27.

［6] Arici T，Altunbasak Y.Adaptive Sensing for Environment Monitoring Using Wireless Sensor Networks［J] .IEEEWCNC，2004，5（1）：2350－2355.

［7] 劉志東，陳彥明.基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)［J] .桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（5）：399－402.

［8] 吳鍵，袁慎芳.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［J] .儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，9（27）：1120－1124.