CN103063906A - 一种电力开关柜无线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力开关柜无线监测系统，所述无线监测系统包括PC机、主节点和子节点；所述PC机通过RS232与所述主节点相连，所述主节点通过无线网络与所述子节点相连。上述技术方案能够对电力开关柜中的温度、湿度、电流、电压等数实时在线监测并远程传输，同时可进行故障报警和处理，有效地满足了电力开关柜监测的需要，保证了电力开关柜的稳定运行；结构简单，操作和维护方便，自动化水平高，使用成本低，测量精度高，性能优越。

Description

一种电力开关柜无线监测系统

技术领域

本发明属于电力设备的技术领域，涉及开关设备的监测技术，更具体地说，本发明涉及一种电力开关柜无线监测系统。

背景技术

当今社会对电能的依赖性极高，电力供求形势严峻，电力系统的安全运行关系到国民经济的发展和人民生活的稳定。电力开关柜作为电力系统中重要的电气设备，担负着关合及断开电力线路、保护系统安全的双重作用，对电力系统的安全可靠运行起着举足轻重的地位。

然而开关柜在长期运行过程中，由于多种原因导致开关柜自身故障，从而影响电力系统正常运行，甚至威胁人民的生命财产安全。因此，为了保证供电连续性和人民的生命财产安全，需要对电力开关柜进行状态监测，保证电力系统的稳定可靠运行。

目前，我国在电力开关柜状态监测上还存在一些不足，大多实行“盲目”的无人值守方式，仅通过定期巡检、维修或故障用户主动反映的方式，对运行中的设备进行集中监测。这种方式不仅工作效率低下，而且往往会由于监测不及时，使故障现象时有发生。

而市面上用于电力开关柜的监测产品大都基于红外和光纤测试来完成的，然而红外、光纤对安装要求较高，存在布线难度大，测量不准确，抗干扰能力差的缺点；同时部分产品从母线取电，存在安全隐患。

发明内容

本发明提供一种电力开关柜无线监测系统，其目的是对电力开关柜进行实时在线远距离监测。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明所提供的电力开关柜无线监测系统，包括PC机、主节点和子节点；所述PC机通过RS232与所述主节点相连，所述主节点通过无线网络与所述子节点相连。

所述主节点包括ZigBee与RS232转换单元和ZigBee收发单元，所述ZigBee与RS232转换单元与ZigBee收发单元相连；所述子节点包括ZigBee收发单元和测控单元，所述ZigBee收发单元与测控单元相连。

所述ZigBee与RS232转换单元采用专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片MAX232。

所述ZigBee收发单元包括ZigBee模块和功率放大模块，所述ZigBee模块与所述功率放大模块相连。

所述ZigBee模块采用TI公司为2.4GHz ISM频带推出的第二代支持ZigBee/IEEE802.15.4协议的片上集成芯片CC2530；所述功率放大模块采用Rfaxis公司的前端增大输出功率芯片RFX2401。

所述测控单元包括CPU模块、温湿度测量模块、电流电压测量模块、按键显示模块、声光报警模块和电源模块；所述CPU模块分别与所述温湿度测量模块、电流电压测量模块、按键显示模块、声光报警模块和电源模块相连。

所述CPU模块采用低功耗单片嵌入式控制器STC12C5A60S2。

所述温湿度测量模块采用新一代湿度和温度传感器SHT21。

所述电流电压测量模块采用高精度三相电能计量芯片ADE7758。

所述PC机的监控软件开发使用Microsoft Visual C++ 6.0、Microsoft Visual C++的核心基础类库MFC开发，其包括实时数据和历史数据显示、可视化网络拓扑图、数据输出、报表打印、故障预警和报警功能。

所述PC机能够对多个电力开关柜的信息数据进行融合处理，具有故障的早期预测和快速的故障处理能力，能积累运行数据为设备状态检修作参考。

所述ZigBee收发单元配备RF前端，能使无线传输距离由100米增加到1400米。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有以下优点：系统能够对电力开关柜中的温度、湿度、电流、电压等数实时在线监测并远程传输，同时可进行故障报警和处理，有效地满足了电力开关柜监测的需要，保证了电力开关柜的稳定运行；使用统一的集成界面，能够对多路信息进行融合处理，为积累运行数据为设备状态检修作参考；采用RF前端芯片，使无线传输距离由100米增加到1400米，满足了应用要求；采用无线网络技术，无需现场布线，结构简单，操作和维护方便，自动化水平高，使用成本低，测量精度高，性能优越。

附图说明

下面对本说明书各幅附图所表达的内容作简要说明：

图1是本发明的系统结构示意图；

图2为图1中的系统主节点结构示意图；

图3为图1中的系统子节点结构示意图；

图4为图2中ZigBee与RS232转换单元电路示意图；

图5.1和图5.2为图2中ZigBee收发单元电路示意图，其中：

图5.1为ZigBee收发单元中U3（RFX2401）的电路图；

图5.2为ZigBee收发单元中U2（CC2531）的电路图；

图6.1至图6.3为图3中测控单元主要部分电路图，其中：

图6.1为测控单元中U4（STC12C5A60S2）的电路图；

图6.2为测控单元中U5（SHT21）的电路图；

图6.3为测控单元中U6（ADE7758）的电路图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图1至图6.3所示的本发明的结构，为一种电力开关柜无线监测系统。

为了解决现有技术存在的问题并克服其缺陷，实现对电力开关柜进行实时在线远距离监测的发明目的，本发明采取的技术方案为：

如图1所示，本发明所提供的电力开关柜无线监测系统，包括PC机、主节点和子节点；所述PC机通过RS232与所述主节点相连，所述主节点通过无线网络与所述子节点相连。

所述主节点包括ZigBee与RS232转换单元和ZigBee收发单元，所述ZigBee与RS232转换单元与ZigBee收发单元相连；所述子节点包括ZigBee收发单元和测控单元，所述ZigBee收发单元与测控单元相连。

本发明是为了克服现有电力开关柜监测中测量精度低、抗干扰能力差、效率低等的不足，能实时在线远距离监测的电力开关柜无线监测系统。

所述PC机作为用户监控中心，主要是对监测所述子节点通过所述主节点传输来的数据进行分析和处理，与所述主节点通过RS232相连；所述主节点在系统中作为中心站使用，主要是实现所述PC机与所述子节点之间的数据传输，与所述子节点通过无线传输模块相连；所述子节点在系统中作为基站使用，主要完成数据的监测和采集以及控制的任务。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、能够对电力开关柜中的温度、湿度、电流、电压等数实时在线监测并远程传输，同时可进行故障报警和处理，有效地满足了电力开关柜监测的需要，保证了电力开关柜的稳定运行。

2、使用统一的集成界面，能够对多路信息进行融合处理，为积累运行数据为设备状态检修作参考。

3、采用RF前端芯片，使无线传输距离由100米增加到1400米，满足了应用要求。

4、采用无线网络技术，无需现场布线，结构简单，操作和维护方便，自动化水平高，使用成本低，测量精度高，性能优越。

所述ZigBee与RS232转换单元采用采用芯片U1，是专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片MAX232。即主节点中ZigBee与RS232转换单元采用MAXIM公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片MAX232。

所述主节点与子节点的ZigBee收发单元均包括ZigBee模块和功率放大模块，所述ZigBee模块与所述功率放大模块相连。

所述ZigBee模块采用芯片U2，是TI公司为2.4GHz ISM频带推出的第二代支持ZigBee/IEEE802.15.4协议的片上集成芯片CC2530；

所述功率放大模块采用芯片U3，是Rfaxis公司的前端增大输出功率芯片RFX2401。

所述测控单元包括CPU模块、温湿度测量模块、电流电压测量模块、按键显示模块、声光报警模块和电源模块；所述CPU模块分别与所述温湿度测量模块、电流电压测量模块、按键显示模块、声光报警模块和电源模块相连。

所述CPU模块采用芯片U4，是低功耗单片嵌入式控制器STC12C5A60S2。所述CPU模块采用宏晶科技公司推出的低功耗单片嵌入式控制器STC12C5A60S2；

所述温湿度测量模块采用芯片U5，是新一代湿度和温度传感器SHT21。所述温湿度测量模块采用Sensirion公司的新一代湿度和温度传感器SHT21；

所述电流电压测量模块采用芯片U6，是高精度三相电能计量芯片ADE7758。所述电流电压测量模块采用ADI公司的高精度三相电能计量芯片ADE7758。

所述PC机的监控软件开发使用Microsoft Visual C++ 6.0、Microsoft Visual C++的核心基础类库MFC开发，其包括实时数据和历史数据显示、可视化网络拓扑图、数据输出、报表打印、故障预警和报警功能。从而可实现电力开关柜信息数据的实时在线化显示与故障及时处理诊断。

所述PC机能够对多个电力开关柜的信息数据进行融合处理，具有故障的早期预测和快速的故障处理能力，能积累运行数据为设备状态检修作参考。

所述ZigBee收发单元配备RF前端，能使无线传输距离由100米增加到1400米，满足了应用要求。

本发明的工作原理分析：

如图2所示为本发明主节点结构示意图，所述主节点包括ZigBee与RS232转换单元和ZigBee收发单元，所述ZigBee与RS232转换单元与ZigBee收发单元相连，所述主节点可将所述子节点通过无线网络传输过来的测量信息传输给所述PC机，同时又可将所述PC机的控制命令通过无线传输发送给所述子节点，从而实现电子开关柜监测系统中控制端和监测端的数据交换。

如图3所示为本发明子节点结构示意图，所述子节点包括ZigBee收发单元和测控单元，所述ZigBee收发单元和测控单元相连，所述子节点可对电力开关柜的信息的实时测量，同时可将数据信息通过无线远程传输给监控中心及时决策，又可迅速接收监控中心的控制命令对设备进行控制，从而实现电力开关柜的科学化远程管理。

下面是对U1～U6的分析：

所述ZigBee与RS232转换单元采用芯片U1，其型号为MAXIM公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片MAX232，其主要功能是将TTL电平与RS232串口电平进行转换，实现具有串口的PC机与ZigBee的无线通信，典型电路连接如图4所示。

所述ZigBee收发单元包括ZigBee模块和功率放大模块，所述ZigBee模块和所述功率放大模块相连。

所述ZigBee模块采用芯片U2，其型号为TI公司针对2.4GHz ISM频带推出的第二代支持ZigBee/IEEE802.15.4协议的片上集成芯片CC2530。所述ZigBee模块实现的功能是通过I/O口与测控单元相连，控制RF完成数据收发，通过RS232接口实现与PC机通信，其中CC2530芯片内部集成51单片机内核和高性能射频收发器，是为了满足需要同时设计出晶振电路和时钟电路等。

所述功率放大模块采用芯片U3，其型号为Rfaxis公司的前端增大输出功率芯片RFX2401，主要是为了增强发射功率，增大传输距离，芯片内部集成了功率放大器、低噪声放大器、发送和接收开关电路、相关的匹配电路和谐波滤波器等，可通过极少的外部组件实现高功率的输出。

所述ZigBee收发单元的典型电路连接如图5.1、图5.2所示。

所述CPU模块采用芯片U4，其型号为宏晶科技公司推出的低功耗单片嵌入式控制器STC12C5A60S2，主要完成数据信息采集控制处理与显示等功能，是一款完全兼容8051系列单片机，速度快、功耗低、功能强大。

所述温湿度测量模块采用芯片U5，其型号为Sensirion公司的新一代湿度和温度传感器SHT21，作为一种含有已校准数字信号输出的传感器，采用节能模式，只需2根I/O口线即可完成于CPU的信息传递。

所述电流电压测量模块采用芯片U6，其型号ADI公司的高精度三相电能计量芯片ADE7758，集成6路16位二阶Σ-ΔADC模数转换器、数字积分器、高性能DSP、基准电路及温度传感器等电路，以及所有进行有功、无功和视在电能计量以及有效值计量所需的信号处理元件，能提供有功、无功及视在电能、电压、电流有效值及波形采样等数据，外围电路简单仅包括电源、晶振、接地等电路。

所述测控单元主要部分电路连接如图6.1～图6.3所示。

由以上的分析可以看出，本发明的结构简单，使用方便，性能优越，完全可以满足电力开关柜无线监测系统的需要。通过本实例的运用，有效的保证了电力开关柜的稳定运行。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电力开关柜无线监测系统，其特征在于：所述无线监测系统包括PC机、主节点和子节点；所述PC机通过RS232与所述主节点相连，所述主节点通过无线网络与所述子节点相连。

2.按照权利要求1所述的电力开关柜无线监测系统，其特征在于：所述主节点包括ZigBee与RS232转换单元和ZigBee收发单元，所述ZigBee与RS232转换单元与ZigBee收发单元相连；所述子节点包括ZigBee收发单元和测控单元，所述ZigBee收发单元与测控单元相连。

3.按照权利要求2所述的电力开关柜无线监测系统，其特征在于：所述ZigBee与RS232转换单元采用专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片MAX232。

4.按照权利要求2所述的电力开关柜无线监测系统，其特征在于：所述ZigBee收发单元包括ZigBee模块和功率放大模块，所述ZigBee模块与所述功率放大模块相连。

5.按照权利要求4所述的电力开关柜无线监测系统，其特征在于：

所述ZigBee模块采用为2.4GHz ISM频带推出的第二代支持ZigBee/IEEE802.15.4协议的片上集成芯片CC2530；所述功率放大模块采用前端增大输出功率芯片RFX2401。

6.按照权利要求2所述的电力开关柜无线监测系统，其特征在于：所述测控单元包括CPU模块、温湿度测量模块、电流电压测量模块、按键显示模块、声光报警模块和电源模块；所述CPU模块分别与所述温湿度测量模块、电流电压测量模块、按键显示模块、声光报警模块和电源模块相连。

7.按照权利要求6所述的电力开关柜无线监测系统，其特征在于：所述CPU模块采用低功耗单片嵌入式控制器STC12C5A60S2。

8.按照权利要求6所述的电力开关柜无线监测系统，其特征在于：所述温湿度测量模块采用新一代湿度和温度传感器SHT21。

9.按照权利要求6所述的电力开关柜无线监测系统，其特征在于：所述电流电压测量模块采用高精度三相电能计量芯片ADE7758。

10.按照权利要求1所述的电力开关柜无线监测系统，其特征在于：所述PC机的监控软件开发使用Microsoft Visual C++ 6.0、MicrosoftVisual C++的核心基础类库MFC开发，其包括实时数据和历史数据显示、可视化网络拓扑图、数据输出、报表打印、故障预警和报警功能。

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