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福州大学电气工程与自动化学院、国网福建连江县供电有限公司的研究职员陈伟凡、陈晓亮、高伟，在2016年第9期《电气技能》杂志上撰文，针对变电站10kV开关柜内部的防火泥封堵情形和温湿度等运行环境难以实时节制和掌握，存在安全隐患的问题，设计了一套变电站10kV开关柜运行环境监控系统。
该系统的网络架构基于无线传感器网络和以太网稠浊而成。各个监控终端通过无线传感器网络与通信管理机进行信息交互，通信管理机通过以太网与上位机软件进行通信。本文结合变电站10kV开关柜内分外的运行环境阐述了该系统的软硬件设计、无线传感器参数配置、上位机软件设计等。
在无人值守变电站中，运行职员无法对10kV开关柜内部的防火泥封堵情形、温湿度情形进行实时的节制和掌握，在极度的条件下，可能发生防火泥封堵脱落、电缆接头温度骤升、柜内空气湿度骤升，此时若不及时采纳有效的方法来监护，随意马虎导致10kV开关柜的安全运行失落常[1,2]。如因防火泥脱落，小动物钻入10kV开关柜可能引起相间或接地短路，造成电力事件；对付湿润地区的变电站，虽然目前每台开关柜都配有加热器驱潮，但是运行职员在远方无法获知加热器的运行状态和柜内湿度情形，存在引发事件的隐患。
因此，针对变电站10kV开关柜内部的防火泥封堵情形、温湿度情形无法实时节制和掌握的现状，研制了一套具备实时监测变电站10kV开关柜防火泥封堵情形、温湿度情形及能智能防潮的系统，即变电站10kV开关柜安全运行智能监护系统。
1 系统总体设计
本套系统由五个部分组成：防火泥封堵监测终端、无线测温终端、智能除湿监控终端、通信管理机及上位机平台软件，如图1所示。
防火泥封堵监测终端、无线测温终端、智能除湿监控终端与通信管理机之间采取基于ZigBee协议栈的无线传感器网络进行通信，为2.4GHz Mesh 网络[3]，接口电路为XBee模块。通信管理机与上位机平台采取以太网通信，接口电路为RJ45模块，链路层通信协议为TCP。
图1 系统构成框图
个中，防火泥封堵监测终端用于监测动物入侵和防火泥毁坏情形，一旦有非常情形立即通过ZigBee无线通信网络上报给通信管理机。无线测温终端通过将数字式测温元件附着在开关触头的发热位置，以热传导感知发热点的温度，定时采集发热点的温度数据并上报给通信管理机。智能除湿监控终端可实时监测开关柜内的温湿度情形，根据传感器的信息，通过凝露算法智能掌握加热器、排气扇和半导系统编制冷装置进行驱潮，毁坏发生凝露的条件。
与此同时，掌握终端可将当前的温湿度值、露点值、除湿设备的运行状态通过2.4GHz ZigBee无线网络实时传输给通信管理机直到上位机监控平台，也可以远程吸收上位机监控平台下发的命令。通信管理机承担数据中转和规约转换的角色，通过ZigBee模块从掌握终真个吸收数据并向其发送掌握命令，采取以太网通信办法向上位机软件平台的运用做事器主动上传监测的事情环境和状态信息数据、向web做事器吸收和发送命令。
上位机平台软件包括运用做事器、数据库做事器和本地客户机：运用做事器主动吸收通信管理机发送的监测数据，并保存到数据库做事器；数据库做事器用于保存参数信息、实时数据、历史数据；本地客户机通过运用做事器呈现参数数据、实时数据、历史数据和向运用做事器发送吸收监控命令。
2 终端设备设计
2.1 防火泥封堵监测终端设计
防火泥封堵监测终端紧张由红外热释电感应模块、振动传感器模块、通信模块、掌握模块和电源模块五个部分组成，如图2所示。CPU通过CCP捕捉模块采集红外热释电传感器的信息，用以判断是否有小动物穿过，同时CPU通过I/O端口采集植入防火泥的振动传感器的信息，判断防火泥位置状态。
结合两者得出防火泥封堵状态，若防火泥封堵涌现非常则CPU通过ZigBee无线通信模块将报警信息上传通信管理机，进而奉告上位机，通过上位机关照运行职员及时检修防火泥，以担保设备安全可靠运行。
热释电传感器对温度敏感，当入侵物体温度与环境温度有差别时，则有ΔT输出。在本设计中红外热释电传感器选择GH-718，其采取PIR热释电传感器、菲涅尔光学透镜设计，事情电压为DC4.5~20V，静态功耗50μA，感应间隔7米，感应角度110°。
振动传感器选用MMA7455L，其为XYZ三轴低g加速传感器，2.4~3.6V低压操作；分辨率最高达到64LSB/g；可耐高强度冲击达5000g。选择Microchip公司的20引脚8位CMOS闪存单片机PIC16F690作为CPU，待机状态下电流为50nA，空闲状态可进入超低功耗休眠模式，事情温度范围为-40℃~125℃；选用低频晶振（4 MHz），进一步降落功耗；超低功耗唤醒，高灌/拉电流能力并且具有超低功耗的节能休眠模式。
ZigBee模块采取digi公司的XBee模块，通过串口通信与CPU通信，采取基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee协议，网架构造采取Mesh架构，ZigBee通信采取免费的2.4GHz信道，模块配置成Router办法，不休眠，采取3.3V直流供电。
该终真个供电电源取自220V互换电压，经由YAW3S05T（AC/DC）电源转换模块将220V互换电压降为5V的直流电压供给人体红外感应模块利用；同时，通过SPX1117-3.3电源模块进一步将5V直流电源降为3.3V，供给CPU、ZigBee等模块利用。
图2 防火泥封堵监测终端
防火泥封堵监测终端程序由初始化、振动数据采集、热释电传感器状态监测以及数据主动上报三个部分组成。初始化紧张完成I/O口设置、EEPROM数据读取、中断设置、定时器设置以及振动模块配置、自检等事情。由于PIC16F690单片机自带有EEPROM模块，故将监测终真个地址以及振动模块加速度监测阈值保存在EEPROM中，可以在烧写的时候写入，也可以通过通信进行修正。
振动模块配置紧张是启动时对丈量量程以及精度的选择，并判断是否接入，如果未接入或者断线，进行报警。为防止刚上电时候的振动，CPU在上电静置1分钟后，启动振动传感器，每隔100ms采集一次振动数据，根据自适应抗滋扰过滤算法，判断防火泥是否发生脱落，并天生SOE事宜报警。为了防止滋扰旗子暗记引起误报，根据防火泥脱落的特点，若振动越限持续韶光达到阈值（可设，默认2s），方认为是可靠的报警旗子暗记，并天生SOE事宜报警。
当红外感应区域被入侵后，红外传感器会向CPU发送报警状态，当状态持续韶光达到阈值，同样认为是可靠的报警旗子暗记，并天生SOE事宜报警。CPU每隔30s通过ZigBee模块向上位机上报一次终真个状态，终端有三种状态：正常、入侵、脱落，若终端发生后两种状态，急速作为SOE事宜上报。
2.2 无线测温终端设计
无线测温传感器紧张安装在开关柜的触头上，定时丈量触头的温度并主动上传。事情事理很大略，CPU通过I2C接口与温度传感器进行数据交流，实现温度信息的采集。然后CPU再将采集而来的数据信息进行一系列条件剖断以及按照规约设计处理，末了通过UART串行通信接口将数据发送给ZigBee模块。
由于事情环境分外，取电不便，采取电池供电方案，因此在软硬件的设计上，都要最大程度的降落功耗，元器件均需选择能够在高温场合下以及低功耗模式下事情的器件[4]。
采取TI公司生产的TMP102数字式温度传感器，其具有体积极小、低功耗等特性。TMP102采取SOT563封装，高度只有0.6mm；最大事情电流只有10μA，休眠电流只有1μA。选择8位单片机PIC16F1823作为CPU，待机状态下电流为20nA，空闲状态可进入超低功耗休眠模式，事情温度范围为-40℃~125℃。
单片机事情于外部晶振模式可使事情功耗最小，也能供应精确度更高的时基，选用低频晶振（4MHz）。ZigBee无线模块通过串口与CPU进行通信，配置为终端，可休眠。CPU通过拉高或拉低SLEEP_RQ引脚电平即可掌握XBee是否进入休眠状态，休眠时XBee最大事情电流仅为1μA。采取TLH4902 TADIRAN电池供电，高低温特性好，事情温度范围-55℃～85℃，一样平常寿命长达20年。
图3 测温终端系统框图
无线测温终端软件设计包括检测温度、发送温度数据和低功耗的管理等方面。考虑到一样平常环境下发热点的温度变革并不明显，为降落测温传感器的功耗，设计软件时采取温度数据短周期采集，长周期主动发送数据以及轮循休眠等方法。图4为无线测温传感器紧张事情流程图。
CPU每隔15秒采集两次温度值，并将两次温度值进行校验，验证数据的有效性。TMP102转换温度需耗时26ms，因此为降落功耗，在其转换温度期间令CPU进入休眠状态26ms。将终端地址保存在EEPROM之中，并且只在CPU初始化时读取，存入到数据区以供给用，避免频繁读取EEPROM而增大功耗。
将当前读取的有效温度值与上一次保存的温度值进行比较，若温差超过一定阀值，直接上传数据，否则每隔5min发送一次数据。采取得当的方法延长发送间隔，可提高电池的利用寿命。当温度超过上限值75℃时，进入预警状态，直接上传温度数据，累计3次往后，转为每隔5min发送一次数据；当温度再次低落低于73℃时，解除预警状态。
正常事情时，无线数据收发模块处于休眠状态。只当须要发送数据时，通过拉低引脚电平唤醒XBee模块，数据发送完成后在拉高电平休眠XBee模块。在软件休眠之前，把所有空闲的I/O口配置为输入，还要保持利用中的I/O口的电平状态与相连接的器件相同等，避免引脚上涌现电流流动，降落模块的功耗。
图4 无线测温传感器事情流程图
2.3 智能除湿监控终端设计
智能除湿监控终端采取分体设计办法，由掌握模块和驱潮模块组成（如图5所示）。掌握模块包括：电源转换模块、温湿度采集模块、微处理器模块、继电器输出模块、开关量采集模块、通信模块组成[5]。电源转换模块将220V互换电源转换成直流12V、直流5V、直流3.3V输出，供给其他模块利用。温湿度采集模块可以采集温湿度数据，并转换为数字旗子暗记输出。
微处理器用于掌握温湿散热片、温湿度的采集，信息处理，掌握命令的处理，并管理其他模块。继电器输出模块根据微处理器模块发出的指令，掌握制冷装置和加热装置的事情。开关量采集模块可以通过门限开关采集柜门状态，或通过空开赞助模块采集空开的状态。通信模块紧张卖力将电旗子暗记转换为无线电波旗子暗记，实现信息的无线传输。驱潮模块由加热控温装置和制冷除湿装置组成。
图5 智能除湿监控构造终端图
MCU采取Microchip公司16位PIC24FJ64G -004，紧张功能特性如下：最多26个可用外设引脚；2个 I2C模块；2个UART 模块；5个带可编程预分频器的16位定时器/计数器；4个外部中断源。电源转换模块的220V转12V部分采取台湾明纬的开关电源模块RPS-75-12，输出电流范围为0~6.3A，纹波和噪声是：100mVp-p，电压精度是±2.0%，输入电压范围是互换90~264V或直流70~127V。
温湿度传感器采取Sensirio公司的SHT11，其集成度高，功能全面，体积小，并且具有超快的相应速率、抗滋扰能力强、性价比高的优点；温度采集范围：-40℃~+120℃，精度：25℃时±0.5℃，0~40℃时±0.9℃；湿度采集范围：0~100%RH，精度：±3.5%RH；传感器通过数据线DATA和时钟线SCK传输数据。
开关量以无源或有源的输入旗子暗记形式，经PC817光电隔离后，输入MCU。无线通信模块配置成Router办法，不休眠。驱潮模块中的加热控温装置延用了端子箱内已有加热板，供电电压220V。因其加热快、除湿效果不明显，故用于端子箱底细况温度的掌握。制冷除湿装置是半导系统编制冷除湿器，由两组风扇、两组导热金属块、半导系统编制冷片以及接水盘组成；为了提高凝露掌握过程的动态性能，采取闭环掌握的BUCK电路实时调度除湿器的输出功率。
无线温湿度调节掌握器作为端子箱防潮控温的核心，由温湿度采集与处理模块、ZigBee通信模块、红外通信模块和掌握策略模块组成。主流程图见图6。
图6 掌握器主流程图
CPU每隔1秒采集温湿度值并进行判断处理；每隔30秒通过无线通信模块上传温湿度值、露点值、除湿设备的运行状态等数据；CPU在吸收到数据帧时根据掌握码判断由ZigBee通信处理或红外模块处理，红外模块支持红外手持设备就近读取终端数据。
掌握终端通过两种方法来决定是否启动除湿防潮设备进行除湿和控温。
第一种：根据温度和相对湿度而打算出露点值，以露点值和当前温度的差值作为除湿机的启动条件；根据温度与预设阈值作比较来自动启停加热器达到掌握箱内温度的目的。
第二种，通过远方监控平台逼迫启动，除湿设备运行韶光通过远方监控平台的软件窗口下发，韶光到后规复到原来状态。以上两种方法组成了对除湿防潮设备较为完善的掌握手段。
3 通信管理机设计
通信管理机是基于RCM6760模块的嵌入式系统，功能是通信管理及规约转换。硬件构造可分为系统和接口两个部分。系统部分是通信管理机的核心硬件，紧张包括CPU、存储器、复位及其外围电路。CPU选用RCM6760，具有体积小，内置时钟芯片，多串口，外设丰富等优点，适宜于规约转换器这种多串口多任务的嵌入式系统。
此外，该模块的编译环境已经移植好μC/OS-II，可较大地缩短项目开拓周期。RCM6760模块板载1MB Flash S29AL008D，作为程序存储器；板载4MBSerial Flash AT45DB041B，作为数据存储器，存储内容包括：历史故障信息、全部通信规约和串行通信接口的设置参数。通信管理机的接口电路包括以太网模块、ZigBee模块等。个中，ZigBee模块采取XBee PRO模块，配置为网络折衷者，卖力网络的建立与掩护[6]。
通讯管理机的软件设计部分按功能将任务划分为定时管理、以太网通信、数据解析和ZigBee通信任务[7]。各任务间的关系如图7所示。
图7 通信管理机任务
定时管理任务紧张卖力计时和延迟，包括以太网重发延迟、以太网发送延迟和心跳包发送延迟功能，主动上传数据和心跳包上传韶光间隔分别默认为5分钟和2分钟。数据解析任务紧张卖力与主站做事器间的数据交流，操作的工具为全局变量、以太网发送缓冲区和以太网吸收缓冲区，物理层按照以太网协议进行数据传输，协议层根据主站规约进行解析和打包。
ZigBee通信任务卖力与各个终端数据交流，通信协议为底层终真个串口通信协议，ZigBee通信任务的操为难刁难象为全局变量、ZigBee数据吸收缓冲区和ZigBee数据发送缓冲区，如图7所示。
ZigBee通信任务分为下发数据和吸收数据两部分。下发数据又分为两类：第一类为下发的查询任务；第二类为变更任务，该部分变更内容包括阈值设置、手自动设置和启停掌握。
在通信规约方面，本设计采取统一的帧格式，详细解释如表1所示。个中地址域代表终端设备的地址，命令码包含设置终端参数、读取终端数据、终端告警、通信应答等功能。利用校验和与应答机制来应对通信出错的情形，提高通信的稳定性和准确性。
正常通信时，吸收方收到精确数据，校验同等，则会向发送方回传应答旗子暗记；当通信发生缺点时，即校验不通过，则数据发送方无法在预设时限内收到对方的应答旗子暗记，因此需延时重发。
表1 帧格式解释
4 上位机软件设计
变电站10kV开关柜安全运行智能监护系统由系统管理、台账信息建立与掩护、开关柜监控、历史数据呈现、SOE事宜管理及系统帮助等六个模块组成[8]。
个中，系统管理模块包括用户管理、角色管理、模块管理、部门管理等功能，为系统供应灵巧的权限配置，及可靠的安全性；台帐信息建立与掩护模块可以进行建立、掩护、变动和查询系统、通信管理机、电压等级和开关柜设备信息等功能；开关柜监控模块实时显示当前开关柜的温湿度和运行状态等数据并能够通过web掌握开关柜的事情模式及事情状态；历史数据模块能查看开关柜监控的历史信息，供应历史数据报表天生及打印功能和开关柜历史数据比拟曲线图；SOE事宜模块用于查看各种设备数据非常情形，确认数据非常并填写缘故原由；系统帮助模块供应系统利用解释。
5 结论
本系统采取无线传感器网络作为数据传输的通道，各个终端成为网络上的节点，可以组网运行，在数据传输过程中，以加密形式传输，提高了网络运行的稳定性。通信管理机作为通信网络与监测设备之间的接口设备，承担着数据汇总的任务，须要从下层浩瀚的终端ZigBee模块吸收数据包。
设计中采取基于RCM6760的嵌入式操作系统，网络通信上采取API操作模式，合营多对一起由办法，可有效提高ZigBee网络的路由效率，担保ZigBee网络的畅通，利用以太网的光纤通道，实现与上位机的互联互通。
主站人机界面友好，纯WEB技能与B/S架构，其功能模块按供电企业的职能部门的不同来设计，极易为用户所接管。因此，变电站10kV开关柜运行环境监控系统是一种优质的开关柜防潮控温的设备，可作为老式或新上的开关柜凝露掌握器的替代品和首选设备。
诚邀杂志审稿专家
根据稿件评审事情须要，中国电工技能学会《电气技能》杂志编辑部拟请业内人士自荐审稿专家，阅读详情和报名请扫描二维码。
