電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行是電力系統(tǒng)控制的根本目標和進行電力市場交易的重要保障[1]。由發(fā)電、變電、輸電、配電和用電等環(huán)節(jié)組成的電能生產與消費系統(tǒng)。它的功能是將自然界的能源通過發(fā)電動力裝置（主要包括鍋爐、汽輪機、發(fā)電機及電廠輔助生產系統(tǒng)等）轉化成電能，再經輸、變電系統(tǒng)及配電系統(tǒng)將電能供應到各負荷中心，通過各種設備再轉換成動力、熱、光等不同形式的能量，為地區(qū)經濟和人民生活服務。由于電源點與負荷中心多數處于不同地區(qū)，也無法大量儲存，故其生產、輸送、分配和消費都在同一時間內完成，并在同一地域內有機地組成一個整體，電能生產必須時刻保持與消費平衡。高壓開關柜是電力系統(tǒng)中一個非常重要的電氣設備，由于長期在高電壓、大電流和滿負荷的條件下運行，開關柜中的母線接點、高壓電纜接頭等部位容易因接觸電阻過大或老化而發(fā)熱，使相鄰的絕緣部件性能劣化，大大縮短高壓開關的使用壽命，甚至導致擊穿燒毀而造成事故，影響整個電力系統(tǒng)的正常工作。因此，其可靠性越來越多地受到人們的關注。由于高壓電氣設備一般都處于高電壓、大電流和強磁場的環(huán)境中，在實際監(jiān)控中，必須要求監(jiān)控對象與監(jiān)測儀器之間進行電壓隔離，其測試信號的有效傳輸也是一直比較難以解決的問題。目前，母線溫度檢測主要有4種方案：采用色片[2]、熱紅外檢測技術[3]、光纖測溫技術[4]、無線溫度監(jiān)測技術[5]。

    本文結合高壓開關柜的實際要求，充分利用和發(fā)揮ZigBee[6]低功耗、強抗干擾、容量大等優(yōu)勢，采用基于ZigBee無線網絡的技術提出對高壓開關觸頭溫度進行在線監(jiān)測的方案。無線在線監(jiān)測裝置采用無線通信技術進行高壓隔離和信號傳輸，利用其固有的絕緣性和抗電磁場干擾性能，較好地解決了高壓開關柜內觸頭運行溫度不易監(jiān)測的難題。

　　高壓開關是指用于電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電、電能轉換和消耗中起通斷、控制或保護等作用，電壓等級在3.6kV~550kV的電器產品，主要包括高壓斷路器、高壓隔離開關與接地開關、高壓負荷開關、高壓自動重合與分段器，高壓操作機構、高壓防爆配電裝置和高壓開關柜等幾大類。高壓開關制造業(yè)是輸變電設備制造業(yè)的重要組成部分，在整個電力工業(yè)中占有非常重要的地位。

　 一、系統(tǒng)結構

　　1. 系統(tǒng)功能

　　關柜具有架空進出線、電纜進出線、母線聯絡等功能。

　　（1）終端測溫節(jié)點測量范圍不小于-40 ℃～+120 ℃，測量大于0.5 ℃。

　　（2）主機多可監(jiān)測32個測溫網絡，每個網絡可以容納多于32個開關柜，每個開關柜可以配置9個終端測溫節(jié)點。這樣整個系統(tǒng)總的測試點個數可達32×32×9=9 216個。

　?。?）每個開關柜配置一個柜內溫度監(jiān)測裝置，裝在開關柜的門上，通過接收測溫節(jié)點的溫度數據實時顯示開關柜觸頭和母線溫度，并能夠通過該裝置對預警溫度和報警溫度進行設置。并能通過指示燈和蜂鳴器進行報警。

　?。?）由高壓自具電源給終端測溫節(jié)點供電，能在開關工作電流40～4 000 A范圍內可靠工作，能承受在500 ms內40 000 A電流的沖擊。

　　2. 系統(tǒng)總體結構

　　如圖1所示，整個監(jiān)測系統(tǒng)主要分3個部分：ZigBee無線測溫網絡、高壓自具電源和監(jiān)測PC。

　　3. 系統(tǒng)工作原理

　　二、硬件設計

　　1. ZigBee測溫節(jié)點硬件設計

　　ZigBee測溫節(jié)點主要由CC2430和DS18B20以及一些輔助電路組成。DS18B20實現溫度測量，CC2430實現溫度讀取和無線通信。測溫節(jié)點在系統(tǒng)中承擔終端節(jié)點的角色?；贑C2430測溫節(jié)點原理圖如圖2所示。

　　2. 開關柜內監(jiān)測裝置硬件設計

　　對于開關柜內監(jiān)測裝置，主控制芯片的選擇是重要的。要求抗干擾能力強、通用性強、管腳足夠多、價格低廉。這里選用Cygnal公司的C8051F020微處理器；采用MAX485芯片進行電平轉換；選用128×64帶字庫的點陣LCD；采用DS1302作為實時時鐘；無線模塊和測溫節(jié)點相同，但在系統(tǒng)中它承擔路由器的角色。作為高壓開關柜內監(jiān)測裝置，其本身是一個比較完整的系統(tǒng)，其原理框圖如圖3所示。

　　3. 溫度收集裝置硬件設計

　　它采用和開關柜內監(jiān)測裝置一樣的硬件平臺，但在系統(tǒng)中承擔協(xié)調器的角色。

　　三、軟件設計

　　1. ZigBee測溫節(jié)點軟件設計

　　測溫節(jié)點的軟件設計主要包括3個部分：溫度數據的采集、溫度數據的發(fā)送和低功耗的實現。其中溫度數據發(fā)送采用TI公司開發(fā)的Z-Stack1.4.1協(xié)議棧，具體的參數配置如表1所示，在節(jié)點類型上選擇終端節(jié)點。在低功耗實現上采用低功耗P2模式。經過測量和計算得到在每1 s采集溫度的情況下，測溫節(jié)點的功耗為3.575 4 mAh/d。

　　2. 開關柜內監(jiān)測裝置軟件設計

　　開關柜內監(jiān)測裝置軟件主要實現與測溫節(jié)點交互信息，并把接收到的觸頭和母線溫度信息顯示在LCD上，接收鍵盤輸入的設置信息，在觸頭和母線溫度超過預警或報警值時采取聲光報警。從ZigBee網絡的角度，它被配置成路由器類型。其軟件基本流程如圖4所示。

　　3. 溫度收集裝置軟件設計

　　4. PC監(jiān)測軟件設計

　　四、高壓自具電源設計

　　高壓自具電源通過電磁感應原理，把高壓大電流側能量的很小一部分傳遞給ZigBee無線測溫節(jié)點。需要經過能量控制、整流、濾波、穩(wěn)壓等一系列措施，其原理圖如圖6所示。

　　由于高壓側的電流波動范圍很大，工作范圍在0～4 000 A，發(fā)生短路時的電流達到40 000 A，這給自具電源的設計帶來了很大難度。因此需要考慮多方面的因素：設計合理的電流互感器（鐵心材料、鐵心尺寸、線圈匝數等），設計合理的整流穩(wěn)壓模塊（耐壓和能量釋放等）以及降低測溫節(jié)點功耗（硬件和軟件設計）。整流穩(wěn)壓模塊的原理圖如圖7所示。

　　五、實驗測試

　　式中，I為電流幅值，ω為角頻率?？梢钥闯鲈诟邏簜入娏鞑蛔兦闆r下，ε和線圈匝數平方成正比。經過實驗驗證，在高壓側通入7 000 A電流時，溫度測量裝置能穩(wěn)定工作。實際中由于電力系統(tǒng)負載短路造成高壓開關工作在大電流情況的時間很短，只有幾十毫秒，實驗中高壓電源工作在接近50 kA的時間遠遠大于負載短路的時間。這就說明了高壓自具電源在高壓側發(fā)生短路故障時能可靠工作。

　　高壓開關作為電力系統(tǒng)的重要設備，其安全可靠運行是保證電力網健康工作的必要前提。本文采用基于ZigBee無線網絡測溫技術對高壓開關觸頭溫度進行在線監(jiān)測，具有組網靈活、可靠性高、抗干擾能力強、低功耗、網絡容量大（能夠同時監(jiān)測9 216個觸頭溫度）等優(yōu)點。在給無線測溫節(jié)點供電上采用高壓自具電源，能夠在很寬的電流范圍內可靠工作。系統(tǒng)實時監(jiān)測高壓開關柜的健康狀況，為開關柜的提前維護提供了依據，有效保障了電力系統(tǒng)的可靠運行。

參考文獻:

[1]. RS485 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/RS485_585289.html.
[2]. CC2430 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/CC2430_1055132.html.
[3]. DS18B20 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/DS18B20_819975.html.
[4]. C8051F020 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/C8051F020_209830.html.
[5]. MAX485 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/MAX485_859396.html.
[6]. DS1302 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/DS1302_1055954.html.