福州大学电气工程与自动化学院和国家电网福建连江县供电有限公司的研究员陈、陈、高伟在2016年第9期《电气技术》上撰文。他们设计了一套变电站10kV开关柜运行环境监控系统，解决了内部防火堵泥情况、温湿度等运行环境难以实时控制和存在安全隐患的问题。

该系统的网络架构基于无线传感器网络和以太网的混合。每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。本文介绍了软硬件设计、无线传感器参数配置、上位机软件设计等。结合变电站10kV开关柜内的特殊运行环境对系统进行了描述。

在无人值守变电站的情况下，操作人员无法实时控制10kV开关柜的防火泥浆的堵塞情况和温湿度。在极端情况下，防火泥浆的堵塞可能会脱落，电缆接头的温度可能会突然升高，机柜内空气的湿度可能会突然升高。如果此时不及时采取有效措施进行监控，10kV开关柜的安全运行很容易受到干扰。如果消防泥浆脱落，小动物钻入10kV开关柜，可能造成相间或接地短路，造成电力事故；对于潮湿地区的变电站来说，虽然目前每开关柜都配有一个加热器来驱潮，但操作人员无法从远处了解加热器的运行状态和机柜内的湿度，从而造成潜在的事故。

因此，针对目前无法实时掌握和控制内部防火堵泥和11+10kV开关柜温湿度条件的现状，开发了一套实时监控变电站10kV开关柜防火堵泥、温湿度条件和智能防潮的智能监控系统，即变电站10kV开关柜安全运行智能监控系统。

1总体系统设计

该系统由五部分组成:消防泥浆堵漏监控终端、无线测温终端、智能除湿监控终端、通信管理机和上位机平台软件，如图1所示。

基于ZigBee协议栈的无线传感器网络用于消防泥浆堵漏监控终端、无线测温终端、智能除湿监控终端和通信管理机之间的通信，是一个2.4千兆赫的网状网络

其中，消防泥浆堵漏监控终端用于监控动物的入侵和消防泥浆的破坏，并通过ZigBee无线通信网络立即向通信管理人员报告任何异常情况。无线测温终端通过将数字测温元件贴在开关触点的加热位置，通过热传导感应热点的温度，定期采集热点的温度数据，并将温度数据上报给通信管理机。智能除湿监控终端可以实时监控开关柜范围内的温度和湿度。根据传感器信息，加热器、排气扇和半导体制冷装置由冷凝算法智能控制，以驱湿和破坏冷凝条件。

同时，控制终端可以将当前的温湿度值、露点值和除湿设备的运行状态通过2.4千兆赫的紫蜂无线网络实时传输到通信管理机，直至上位机监控平台，还可以远程接收上位机监控平台发出的命令。通信管理机承担数据传输和协议转换的角色。ZigBee模块从控制终端接收数据，并向其发送控制命令。采用以太网通信，将监控的工作环境和状态信息数据主动上传到上位机软件平台的应用服务器，并接收和发送命令到网络服务器。

上位机平台软件包括应用服务器、数据库服务器和本地客户端:应用服务器主动接收通信管理机发送的监控数据，并将监控数据保存到数据库服务器；数据库服务器用于存储参数信息、实时数据和历史数据；本地客户端提供参数数据、实时数据、历史数据，并通过应用服务器向应用服务器发送和接收监控命令。

2终端设备设计

2.1消防泥浆堵塞监控终端的设计

消防泥浆堵漏监控终端主要由五部分组成:红外热释电感应模块、振动传感器模块、通信模块、控制模块和电源模块，如图2所示。中央处理器通过CCP采集模块采集红外热释电传感器的信息，判断小动物是否通过。同时，中央处理器通过输入输出端口采集植入防火泥浆的振动传感器的信息，判断防火泥浆的位置状态。

通过两者的结合，得到防火泥浆的封堵状态；如果防火泥浆堵塞异常，中央处理器通过ZigBee无线通信模块将报警信息上传到通信管理机，并进一步通知上位机，通过上位机通知操作人员及时检修防火泥浆，以保证设备安全可靠运行。

热释电传感器对温度敏感，当入侵物体的温度与环境温度不同时，热释电传感器输出δT。本设计选用GH-718作为红外热释电传感器，采用红外热释电传感器和菲涅尔光学透镜设计。工作电压DC4.5~20V，静态功耗50μA，传感距离7m，传感角度110°。

振动传感器为MMA7455L，为XYZ三轴低G加速度传感器，工作在2.4~3.6V低压。分辨率高达64 lsbs。可承受高达5000克的高强度冲击。选用微芯片公司的20针8位CMOS闪存单片机PIC16F690作为中央处理器，待机状态电流为50nA，空闲状态可进入超低功耗睡眠模式，工作温度范围为-40℃~ 125℃；选择低频晶体振荡器(4 MHz)以进一步降低功耗。超低功耗唤醒、高灌溉/牵引电流能力和超低功耗节能睡眠模式。

紫蜂模块采用digi公司的XBee模块，通过串口通信与中央处理器通信，采用基于IEEE 802.15.4标准的紫蜂协议，采用网状结构，紫蜂通信采用自由2.4GHz通道，模块配置为路由器模式，不休眠，采用3.3V DC电源。

终端电源取自220伏交流电压，220伏交流电压通过YAW3S05T(交流/DC)电源转换模块降低至5伏DC电压，提供给人体红外感应模块使用。同时，SPX1113.3电源模块进一步将5V DC电源降低到3.3V，供中央处理器、紫蜂等模块使用。

图2消防泥浆堵漏监控终端

3]，接口电路为XBee模块。通信管理机与上位机平台采用以太网通信，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

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泥浆堵塞监测终端程序包括初始化、振动数据采集、热释电传感器状态监测和数据主动报告。初始化主要完成输入输出端口设置、EEPROM数据读取、中断设置、定时器设置、振动模块配置、自检等。由于PIC16F690单片机有自己的EEPROM模块，监控终端的地址和振动模块的加速度监控阈值都存储在EEPROM中，可以在刻录时写入，也可以通过通信修改。

振动模块的配置主要是选择启动时的测量范围和精度，判断是否连接，如果没有连接或断开则报警。为了防止刚通电时的振动，中央处理器在通电后启动振动传感器，并保持1分钟，每100毫秒采集一次振动数据，根据自适应抗干扰滤波算法判断火泥是否脱落，并产生SOE事件报警。为了防止干扰信号引起的误报警，根据防灭火泥浆脱落的特点，如果振动超过极限持续时间达到阈值(默认设置为2s)，则认为报警信号可靠，并产生SOE事件报警。

当红外感应区域被入侵时，红外传感器将向中央处理器发送报警状态。当状态持续时间达到阈值时，它也被认为是可靠的警报信号，并产生SOE事件警报。中央处理器通过紫蜂模块每30秒向上位机报告一次终端的状态。终端有三种状态:正常、入侵和掉线。如果终端在事件发生后有两种状态，将立即被报告为SOE事件。

2.2无线测温终端的设计

无线测温传感器主要安装在开关柜的触点上，定期测量触点温度并主动上传。工作原理很简单。中央处理器通过I2C接口与温度传感器交换数据，实现温度信息采集。然后中央处理器根据协议对采集到的数据信息进行一系列的状态判断和设计处理，最后通过串口通信接口将数据发送到ZigBee模块。

由于工作环境特殊，供电不方便，采用电池供电方案，因此在软硬件设计中应最大限度地降低功耗，并选择在高温低功耗模式下工作的元器件。

无线测温终端的软件设计包括温度检测、温度数据传输和低功耗管理。考虑到一般环境下热点的温度变化不明显，为了降低测温传感器的功耗，软件设计采用了短周期温度数据采集、长周期主动数据传输和循环睡眠等方法。图4是无线测温传感器的主要工作流程图。

中央处理器每15秒收集两次温度值，并验证两个温度值，以验证数据的有效性。TMP102的转换温度需要26毫秒，因此为了降低功耗，在转换温度期间，中央处理器进入睡眠状态26毫秒。终端地址存储在可编程只读存储器中，仅在中央处理器初始化时读取，并存储在数据区中使用，从而避免频繁的可编程只读存储器读取并增加功耗。

将当前读取的有效温度值与上次保存的温度值进行比较。如果温差超过某个阈值，直接上传数据；否则，每5分钟发送一次数据。使用适当的方法延长传输间隔可以提高电池的使用寿命。当温度超过75℃的上限值时，进入预警状态，直接上传温度数据，累计3次后，转换为每5分钟发送一次数据；当温度再次降到73℃以下时，警告状态被解除。

在正常操作期间，无线数据收发器模块处于睡眠状态。仅当需要发送数据时，才通过拉低引脚电平来唤醒XBee模块，并且在数据传输完成后，XBee模块在上拉电平进入睡眠状态。在软件进入睡眠状态之前，所有空闲的输入/输出端口都被配置为输入，并且正在使用的输入/输出端口的电平状态应该与所连接的设备保持一致，以避免电流在引脚上流动并降低模块的功耗。

图4无线温度传感器工作流程图

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采用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采用SOT563封装，高度只有0.6mm；最大工作电流只有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，工作温度范围为-40℃~125℃。

单片机工作于外部晶振模式可使工作功耗最小，也能提供精确度更高的时基，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引脚电平即可控制XBee是否进入休眠状态，休眠时XBee最大工作电流仅为1μA。采用TLH4902 TADIRAN电池供电，高低温特性好，工作温度范围-55℃～85℃，一般寿命长达20年。

图3 测温终端系统框图

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2.3智能除湿监控终端的设计

智能除湿监控终端采用分体设计模式，由控制模块和潮汐驱动模块组成(如图5所示)。控制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、开关量采集模块和通信模块

单片机采用微芯片的16位PIC24FJ64G -004。其主要功能特点如下:多达26个可用的外围引脚；2个I2C模块；2个通用异步收发器模块；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220伏至12V部分采用台湾魏明的开关电源模块RPS-712，输出电流范围为0~6.3A，纹波和噪声为100兆欧，电压精度为2.0%，输入电压范围为90 ~ 264伏交流电或70 ~ 127伏DC。

温湿度传感器采用森西里奥公司的SHT11，具有集成度高、功能全面、体积小、响应速度超快、抗干扰能力强、性价比高等优点。温度采集范围:-40℃~+120℃，精度:25℃0.5℃，0 ~ 40℃0.9℃；湿度采集范围:0 ~ 100%相对湿度，精度:3.5%相对湿度；传感器通过数据线DATA和时钟线SCK传输数据。

开关值为无源或有源输入信号，经PC817光电隔离后输入单片机。无线通信模块配置为路由器模式，不会休眠。潮汐驱动模块中的加热和温度控制装置扩展了接线盒中现有的加热板，电源电压为220伏。由于加热速度快，除湿效果不明显，用于控制接线盒中的环境温度。制冷除湿装置为半导体制冷除湿机，由两组风扇、两组导热金属块、半导体制冷片和接水板组成。为了提高冷凝控制过程的动态性能，采用闭环控制BUCK电路实时调节除湿机的输出功率。

无线温湿度控制器作为终端箱防潮控温的核心，由温湿度采集处理模块、ZigBee通信模块、红外通信模块和控制策略模块组成。主要流程图如图6所示。

图6控制器主要流程图

5]。电源转换模块将220V交流电源转换成直流12V、直流5V、直流3.3V输出，供给其他模块使用。温湿度采集模块可以采集温湿度数据，并转换为数字信号输出。

微处理器用于控制温湿散热片、温湿度的采集，信息处理，控制命令的处理，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，控制制冷装置和加热装置的工作。开关量采集模块可以通过门限开关采集柜门状态，或通过空开辅助模块采集空开的状态。通信模块主要负责将电信号转换为无线电波信号，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 智能除湿监控结构终端图

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中央处理器每1秒采集一次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、除湿设备运行状态等数据；当中央处理器接收到数据帧时，根据控制代码判断是通过ZigBee通信还是红外模块进行处理。红外模块支持红外手持设备读取附近的终端数据。

控制终端通过两种方式决定是否启动除湿防潮设备进行除湿和温度控制。

一是根据温度和相对湿度计算露点值，并将露点值与当前温度的差值作为除湿机的启动条件。根据温度和预设阈值之间的比较来确定。

其次，强制启动远程监控平台，通过远程监控平台的软件窗口分配除湿设备的运行时间，时间到达后除湿设备返回到原始状态。以上两种方法构成了除湿防潮设备相对完善的控制方法。

3通信管理机的设计

通信管理机是基于RCM6760模块的嵌入式系统。其功能是通信管理和协议转换。硬件结构可以分为两部分:系统和接口。系统部分是通信管理机的核心硬件，主要包括中央处理器、存储器、复位及其外围电路。CPU采用RCM6760，具有体积小、内置时钟芯片、多串口、外设丰富等优点。它适用于多串口多任务的嵌入式系统协议转换器。

此外，该模块的编译环境中移植了μC/OS-II，大大缩短了项目开发周期。RCM6760模块带有1MB闪存作为程序存储器。板载4位串行闪存AT45DB041B用作数据存储器，其存储内容包括:历史故障信息、所有通信协议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。其中，ZigBee模块采用XBee PRO模块，配置为网络协调器，负责网络的建立和维护

定时管理任务主要负责定时和延时，包括以太网重传延时、以太网传输延时和心跳包传输延时功能。数据主动上传和心跳数据包上传的默认时间间隔分别为5分钟和2分钟。数据分析任务主要负责与主站服务器的数据交换。操作对象是全局变量、以太网发送缓冲区和以太网接收缓冲区。物理层根据以太网协议进行数据传输，协议层根据主站协议进行分析和封装。

ZigBee通信任务负责与各个终端的数据交换。通信协议是底层终端的串口通信协议。ZigBee通信任务的操作对象是全局变量、ZigBee数据接收缓冲区和ZigBee数据发送缓冲区，如图7所示。

ZigBee通信任务分为两部分:发送数据和接收数据。分布式数据可以分为两类:第一类是分布式查询任务；第二类是更改任务，包括阈值设置、手动自动设置和起止控制。

在通信协议方面，设计采用统一的帧格式，具体说明如表1所示。地址字段代表终端设备的地址，命令代码包括设置终端参数、读取终端数据、终端报警、通信响应等功能。校验和和响应机制用于处理通信错误，提高通信的稳定性和准确性。

在正常通信过程中，如果接收方接收到正确的数据并且验证一致，它将向发送方返回响应信号。当发生通信错误，即校验失败时，数据发送方无法在预设的时限内收到对方的响应信号，因此需要延迟重传。

表1帧格式描述

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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

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4.上位机软件设计

变电站10kV开关柜安全运行智能监控系统由六个模块组成:系统管理、台账信息建立和维护、开关柜监控、历史数据展现、国企事件管理和系统帮助[8]。

其中，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，为系统提供了灵活的权限配置和可靠的安全性。账户信息建立和维护模块可用于建立、维护、变更和查询系统、通信管理机、电压等级和开关柜设备信息等。开关柜监控模块实时显示当前开关柜温度、湿度、运行状态等数据，并可通过网络控制开关柜运行模式和运行状态。历史数据模块可以查看开关柜监控的历史信息，并提供生成和打印历史数据报表以及开关柜历史数据对比图的功能；SOE事件模块用于检查各种设备的异常数据，确认异常数据并填写原因；系统帮助模块提供系统说明。

结论

该系统采用无线传感器网络作为数据传输通道，每个终端成为网络上的一个节点，并能在网络中运行。在数据传输过程中，数据以加密形式传输，提高了网络运行的稳定性。通信管理机作为通信网络与监控设备之间的接口设备，承担着数据采集的任务，需要接收来自下层众多终端的ZigBee模块的数据包。

设计中采用了基于RCM6760的嵌入式操作系统。网络通信采用API操作模式，采用多对一路由模式。可以有效提高ZigBee网络的路由效率，保证ZigBee网络的畅通。利用以太网的光纤通道可以实现与上位机的互联。

主站具有友好的人机界面、纯WEB技术和B/S架构。其功能模块是根据供电企业的不同职能部门设计的，易于被用户接受。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设备，可作为新旧开关柜冷凝控制器的替代和首选设备。