孔鵬，王琳，李榛，張一鳴，李嫣然

(1.國(guó)網(wǎng)聊城供電公司，山東 聊城 252000;2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

電力電纜由于具有敷設(shè)方便、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、耐高溫和絕緣性能良好等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于輸配電網(wǎng)［1-4］?，F(xiàn)階段使用的電纜大多敷設(shè)于十幾甚至幾十年前，由于缺乏有效手段來(lái)對(duì)電纜的安全性進(jìn)行判斷，所以只能在故障發(fā)生后更換電纜或電纜附件，每次更換時(shí)要對(duì)該段線路進(jìn)行停電作業(yè)，這不僅對(duì)工業(yè)生產(chǎn)影響極大，還嚴(yán)重干擾了市民的正常生活。因而，研發(fā)一套能夠快速檢測(cè)和發(fā)現(xiàn)多路電力電纜安全生產(chǎn)隱患的系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前使用的電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的是有線(如光纖)的局放信號(hào)傳輸方式，系統(tǒng)只能工作在固定的位置，設(shè)備安裝復(fù)雜，難以移動(dòng)，靈活性差，很難動(dòng)態(tài)、全覆蓋地監(jiān)控電纜的運(yùn)行安全問(wèn)題［5-9］。本文提出了一種基于ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)的解決方案。ZigBee技術(shù)是一種用于短距離范圍內(nèi)、低傳輸數(shù)據(jù)速率下的無(wú)線通信技術(shù)［10］。其可以快速地構(gòu)建起一個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多路電纜局放信號(hào)的在線監(jiān)測(cè)，是一種全新的電力電纜局放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案。

1 ZigBee無(wú)線通訊技術(shù)

在近年來(lái)無(wú)線局域網(wǎng)WPAN技術(shù)領(lǐng)域，各種標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)競(jìng)相發(fā)展，ZigBee應(yīng)運(yùn)而生。它是一種新興的短距離、低功耗、低成本、低復(fù)雜度的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采取IEEE 802.15.4定義的物理層MAC層，增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)化。

不同于其他一些通信技術(shù)，ZigBee不追求高速率、遠(yuǎn)距離;而是針對(duì)特定應(yīng)用需求，鎖定只以幾十kps的速率、幾米～幾十米的距離實(shí)現(xiàn)無(wú)線組網(wǎng)通信的能力。因此ZigBee的優(yōu)勢(shì)并不在于它的技術(shù)本身，而關(guān)鍵在于豐富而便捷的應(yīng)用。特別地，在工業(yè)領(lǐng)域，利用傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)，使得數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、分析、和處理變得更加容易，可以作為決策輔助系統(tǒng)的重要組成部分。

2 一種基于ZigBee的電纜局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 電纜局放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)

電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由高頻傳感器、信號(hào)放大模塊、智能檢測(cè)前端、無(wú)線通信模塊、檢測(cè)終端和分析診斷中心構(gòu)成，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

高頻傳感器提取出的局放信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器放大后傳輸至智能檢測(cè)前端，每個(gè)檢測(cè)前端可支持8路電纜局放信號(hào)的采集，智能檢測(cè)前端對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、提取出信號(hào)的特征參數(shù)、通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將特征參數(shù)發(fā)送至檢測(cè)終端，再有分析診斷中心實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜局放信號(hào)的分析診斷。

2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)

數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)與智能檢測(cè)前端的信號(hào)采集模塊相連，其位置相對(duì)比較固定。數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收采集模塊采集的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向外發(fā)送。本文設(shè)計(jì)的電纜局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有四個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，與數(shù)據(jù)采集模塊一并安裝在智能檢測(cè)前端內(nèi)部，數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的XBee模塊作為Router。數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。處理器選用TI的LM3S9B96微控制器。ZigBee模塊選用DiGi公司的XBee無(wú)線通信模塊，完成與接收設(shè)備通信及數(shù)據(jù)發(fā)送。處理器和XBee模塊之間通過(guò)串口相連。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.3 數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)

數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)主要功能是根據(jù)XBee模塊接收到的信息，對(duì)電力電纜局放信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理。該部分包括一個(gè)信息接收節(jié)點(diǎn)，其XBee模塊作為Coordinator，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。處理器和 ZigBee模塊型號(hào)和數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)相同。同時(shí)，該節(jié)點(diǎn)與診斷服務(wù)器相連，XBee模塊接收的信息發(fā)送到診斷服務(wù)器，對(duì)電纜局放信號(hào)進(jìn)行分析診斷。

圖2 數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

圖3 數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

3 電力電纜局放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 電纜局放信號(hào)采集模塊

電力電纜局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中智能檢測(cè)前端的采集卡主要用于采集傳感器檢測(cè)到的局放信號(hào)。采集卡與數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)中的LM3S9B96微處理器相連，采集數(shù)據(jù)程序流程圖如圖4所示。通過(guò)向LM3S9B96中編寫(xiě)程序，讀取采集卡采集到的局放數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)為50*60的矩陣。

圖4 數(shù)據(jù)采集程序流程圖

3.2 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信

選取兩個(gè)XBee節(jié)點(diǎn)做單點(diǎn)通信收發(fā)矩陣數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)。其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)為Coordinator，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)為Router。兩節(jié)點(diǎn)距離在10 m左右。通過(guò)編寫(xiě)發(fā)送程序到Router節(jié)點(diǎn)使一個(gè)XBee節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)60*50矩陣數(shù)據(jù)。每次發(fā)一行50個(gè)數(shù)據(jù)，兩次發(fā)送間隔為1 ms。Routor的X-CTU的terminal界面上為接收的數(shù)據(jù)，Coordinator的X-CTU的terminal界面上為Routor收到后返回的指令。其中Router的接收數(shù)據(jù)和Coordinator的發(fā)送數(shù)據(jù)一致，Coordinator模塊接收到的返回指令為50次7E 00 07 8B 01 16 C8 00 00 00 95，表明50次數(shù)據(jù)均發(fā)送成功。3.2和3.3需要修改，要用實(shí)測(cè)局放波形來(lái)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉颖掘?yàn)證系統(tǒng)的可靠性。

編寫(xiě)接收程序，程序流程圖如圖5，圖6所示。將接收程序燒至Coordinator節(jié)點(diǎn)中的LM3S9B96中，使Router接收到的所有數(shù)據(jù)重新還原成60*50矩陣存儲(chǔ)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

基于ZigBee技術(shù)開(kāi)發(fā)的電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖7所示，包括多個(gè)檢測(cè)前端和一個(gè)檢測(cè)終端。檢測(cè)前端獲取電纜局放信號(hào)后，進(jìn)行預(yù)處理、提取出信號(hào)特征參數(shù)，通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將特征參數(shù)發(fā)送至檢測(cè)終端，再經(jīng)由分析診斷中心對(duì)電纜局放信號(hào)進(jìn)行分析診斷。

圖5 Router節(jié)點(diǎn)程序流程圖

圖6 Coordinator節(jié)點(diǎn)程序流程圖

圖7 基于ZigBee的電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

該新型電纜局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在多個(gè)變電站安裝運(yùn)行，對(duì)數(shù)十條電纜線路局放進(jìn)行了連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)運(yùn)行的主界面如圖8所示。

圖8 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序主界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了基于ZigBee的無(wú)線傳輸技術(shù)及其電纜局放在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了基于ZigBee無(wú)線傳輸?shù)碾娎|局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

相比現(xiàn)有的電纜局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有如下特點(diǎn):

(1)系統(tǒng)組成簡(jiǎn)潔，減少了復(fù)雜的連接線纜，可有效提高現(xiàn)場(chǎng)工作的效率;

(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，擴(kuò)展性好，可以根據(jù)待測(cè)設(shè)備的要求，增加或刪減監(jiān)測(cè)前端和通道;

(3)系統(tǒng)成本低，可靠性高，系統(tǒng)前端處理，向后端傳輸特征參數(shù)，極大地提高了通訊效率，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

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