1、引言

高壓配電開關柜是保證電力系統(tǒng)安全運行的重要設備之一。在長期運行過程中，高壓母線因超負荷運行，會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象；另外，開關柜中的觸頭接觸不好或因產品制造、運輸以及安裝等原因也會引起接觸電阻過大，導致溫度升高，產生過熱現(xiàn)象。觸頭和母線排連接處等部位因過熱引起絕緣老化甚至擊穿，從而引發(fā)短路的現(xiàn)象在大電流開關柜（如進線柜）中尤為突出且影響極大。因此，對這些發(fā)熱部位進行實時溫度監(jiān)測十分必要，以避免短路引起火災、燒毀或突然停電等事故。

2、系統(tǒng)總體結構

配電網(wǎng)自動化是對配電網(wǎng)上的設備進行遠方實時監(jiān)視、協(xié)調及控制的一個集成系統(tǒng)，是現(xiàn)代計算機技術和通信技術在配電網(wǎng)監(jiān)視與控制上的應用。銀川市電力局在近幾年開始大力發(fā)展光纖通信網(wǎng)絡，并以發(fā)展符合現(xiàn)代通信發(fā)展方向的SDH光纖通信網(wǎng)絡為主，對于邊遠站區(qū)則輔之以必要的載波通信方式。按照銀川市局電力通訊網(wǎng)絡建設的規(guī)劃，城區(qū)內一般通信點將擁有6個以上的10M數(shù)字通道，樞紐通信站則更多。整個城市電力網(wǎng)通訊形成了光纖通信網(wǎng)絡。

本系統(tǒng)中將無線溫度傳感器網(wǎng)絡融合在現(xiàn)有的國家電網(wǎng)里，通過現(xiàn)有的電網(wǎng)通信系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程高壓配電柜內電纜、觸頭等溫度，其總體架構如圖1所示。



3、國家電網(wǎng)光纖收發(fā)器通信系統(tǒng)

國家電網(wǎng)通信系統(tǒng)的主站和子站之間的通信，通過使用光纖收發(fā)器直接利用光纖進行通信，該通信方式具有較大優(yōu)點，主要是10M/100M的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)不必通過轉換（或壓縮），通信速率較高，另外通過這種方式連接各個子站就象在一個局域網(wǎng)上一樣，相互之間的訪問更快捷便利，該通信方式使用通信光纜中的一對光芯。其結構如圖2所示。



光纖收發(fā)器的結構如圖3所示。



4、無線溫度傳感器網(wǎng)絡

無線溫度傳感器網(wǎng)絡包括分布式的溫度傳感器節(jié)點、無線網(wǎng)關節(jié)點、國家電網(wǎng)通信網(wǎng)和監(jiān)測軟件。溫度傳感器節(jié)點布置在被監(jiān)測電纜或觸頭處，節(jié)點通過射頻天線將數(shù)據(jù)發(fā)送到無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關BS909，BS909網(wǎng)關通過路由器和國家電網(wǎng)光纖網(wǎng)融合將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測中心主機，傳感器網(wǎng)絡通信系統(tǒng)如圖4所示。本系統(tǒng)主要結構是將集成ZigBee模塊的溫度傳感器節(jié)點部署在高壓開關柜內，構成基于ZigBee技術的傳感器網(wǎng)絡拓撲結構。在半徑約1000m范圍內的高壓開關柜可組成一個單獨網(wǎng)絡，每個網(wǎng)絡裝備一個網(wǎng)關。



4.1、無線通訊協(xié)議

802．15．4標準定義了PHY層和MAC子層，在國內外，大多無線傳感器網(wǎng)絡產品從上層應用層開始編寫，直接調用協(xié)議提供的庫函數(shù)，與從底層MAC層編寫的協(xié)議相比，效率較低，受到了限制太多，使用不靈活等約束。比如，為了實現(xiàn)同步，消除授時時延誤差，最好在低層（MAC層）打上時間戳，用來消除發(fā)送節(jié)點的處理延遲和MAC層的訪問延遲。如果在上層應用層調用庫函數(shù)，就沒有辦法在底層使用時間戳，從而造成同步精度大幅降低。

本項目無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議遵從802.15.4標準，從MAC層開始編寫完成。網(wǎng)絡拓撲采用星型或樹型。對于簇樹型網(wǎng)絡，整個網(wǎng)絡分成多個簇，由部分節(jié)點組成簇樹的主干和從干（簇頭），其他大部分節(jié)點成為簇樹的葉設備，葉設備的數(shù)據(jù)匯集到各自的簇頭，由簇頭多跳傳輸?shù)街行木W(wǎng)關。傳感器節(jié)點通過場強檢測和鏈路質量監(jiān)聽，加入到最合適的簇，生成固定的路由表和備份路由表。由于本項目專門適合于監(jiān)測點固定的應用，我們的路由協(xié)議僅考慮了節(jié)點失效和新加入節(jié)點的情況，并沒有考慮傳感器節(jié)點頻繁移動的拓撲變化，保證了網(wǎng)絡協(xié)議的高效率。

4.2、無線溫度傳感器節(jié)點

本無線傳感器節(jié)點采用無線SOC片上系統(tǒng)CC2430，在單個芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內存和微控制器，溫度傳感器采用DS18b20，其原理圖如圖5所示，節(jié)點外觀如圖6。





4.2.1、溫度傳感器DS18b20

DS18b20是Dallas公司的最新單線數(shù)字溫度傳感器[4]，它的體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟，ds18b20是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡，為測量系統(tǒng)的構建引入全新概念，它的測量溫度范圍為－55～＋125℃，在－10～＋85℃范圍內，精度為±0.5℃，現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產品等，與前一代產品不同，新的產品支持3～5.5v的電壓范圍，使系統(tǒng)設計更靈活、方便，而且新一代產品更便宜，體積更小，ds18b20可以程序設定9～12位的分辨率，精度為±0.5℃。可以選擇更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍，分辨率設定及用戶設定的報警溫度存儲在e2prom中，掉電后依然保存，ds18b20的性能是新一代產品中最好的，性能價格比也非常出色，繼“一線總線”的早期產品后，ds18b20開辟了溫度傳感器技術的新概念，ds18b20和ds18b22使電壓、特性及封裝有更多的選擇，讓我們可以構建適合自己的經(jīng)濟的測溫系統(tǒng)。

4.2.2、無線通訊模塊

CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內存和微控制器。它使用1個8位MCU（8051），具有128KB可編程閃存和8KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉換器（ADC）、幾個定時器（Timer）、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器（Watchdog timer）、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路（Power On Reset）、掉電檢測電路（Brown out detection），以及21個可編程I/O引腳。CC2430芯片采用0.18μmCMOS工藝生產；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。

5、在線監(jiān)測管理軟件

在線監(jiān)測管理軟件平臺是一個先進的B/S架構的GIS系統(tǒng)。軟件平臺采用GIS技術、Web技術、計算機圖形技術、網(wǎng)絡技術等高科技技術手段，基于地理信息系統(tǒng)的監(jiān)測管理軟件的設計目標，以Internet網(wǎng)絡為依托，建立一個分布式的信息服務平臺，并在網(wǎng)絡支持下，提供各種監(jiān)測目標位置的標注、監(jiān)測點位置的查詢、監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時顯示、查詢、各種數(shù)據(jù)的多尺度瀏覽、專題統(tǒng)計制圖等功能。

把地圖和監(jiān)測數(shù)據(jù)有機地結合起來，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)以直觀、互動、實時、可操作的方式呈現(xiàn)到管理者和使用者面前。大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)能實時顯示、存儲、調用、查詢，每一種監(jiān)測點都有可以準確定位，自動超限報警，以利監(jiān)察、維護。監(jiān)測管理軟件同時具備強大的統(tǒng)計報告功能，以數(shù)據(jù)列表、圖等豐富的形式直接打印監(jiān)測報告。整個軟件操作簡便，界面友好，功能強大，具有地圖管理功能、監(jiān)測數(shù)據(jù)瀏覽查詢功能、地圖標注功能、統(tǒng)計報告功能、用戶權限管理功能等，軟件界面如圖7所示。