CN201226525Y - 一种输变电系统温度监控的无线传感网络系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种输变电系统温度监控的无线传感网络系统，包括输变电金属设施内部温度检测系统和输电线路连接部分温度检测系统；ZigBee协调器还带有433MHz射频收发模块，同时作为输变电金属设施内部温度检测系统433MHz星型网的从节点，和433MHz输变电金属设施内部温度检测系统星型网主节点组成一个433MHz星型网，构成以ZigBee网和433MHz星型网相结合的无线温度监测系统。本实用新型的有益效果：采用无线电波进行信号传输，各个网络设备之间无电气联系，从根本上解决了高压绝缘问题，测量精度高，并且安装方便，不受开关柜体等某些特殊结构的限制，是输变电系统温度监测的理想解决方案。
Description
技术领域
本实用新型涉及输变电监测领域，具体涉及一种输变电系统温度监控的无线传感网络系统。
背景技术
近年来，随着国民经济的持续快速增长，各行各业对电能的需求也在快速增长，电网规划建设滞后和输电能力不足的问题日益突出。研究表明，在不影响输变电系统安全运行和使用寿命的前提下，现有的输变电网络有着很大的增容空间。但要保证输变电网络在增容的情况下安全运行，必须实时掌握系统运行的相关状态参数，特别是温度参数。大量的实践经验表明，输电线路导线的运行温度，特别是线路连接部分(主要指耐张线夹、四分裂变三分裂连接导流板、跳线线夹和接续管等)的运行温度，以及变电站的开关柜、封闭母线、隔离开关、电缆头等设备的运行温度，是输变电系统安全可靠运行的一个重要指标，更是输变电系统安全运行的最薄弱环节。上述输电线路的连接部分以及变电站的各个设备很容易由于氧化腐蚀或者接头松动而导致接触部分电阻值增大，根据P＝I2R，电阻的增大必然引起温度的异常升高，进而导致事故的发生。因此，实时监测输变电系统中输电线路的连接部分以及输变电金属设施内部的运行温度及时发现异常情况、解决问题，是保证输变电系统安全可靠运行乃至提高系统输送容量的有效手段。
目前，许多电力部门通常采用热像仪或者点温仪，由工作人员定期到现场检测关键点的温度。这些方法虽然取得了不错的效果，但不具备实时性，不能预测未来的情况并及时报警，在高压大电流的现场环境下进行人工检测，自动化程度低，需要大量的劳动力，风险大，效率低，而且某些待测点位处于隐蔽部位，不便进行人工检测。
实用新型内容
本实用新型克服了现有技术的不足之处，目的在于提供一种基于ZigBee技术和433MHz射频技术相结合的无线网络的输电线路连接部分以及输变电金属设施内部运行温度实时监测管理的一种输变电系统温度监控的无线传感网络系统，各个网络设备之间无电气联系，从根本上解决了高压绝缘问题，测量精度高，并且安装方便，不受开关柜体等某些特殊结构的限制，是输变电系统温度监测的理想解决方案。
本实用新型是通过以下技术方案达到上述目的：一种输变电系统温度监控的无线传感网络系统，包括输变电金属设施内部温度检测系统和输电线路连接部分温度检测系统；
输变电金属设施内部温度检测系统包括若干个ZigBee终端节点、若干个ZigBee路由器、一个ZigBee协调器、433MHz输变电金属设施内部温度检测系统星型网主节点；ZigBee终端节点布置在输变电金属设施内部的温度检测点；ZigBee路由器根据输变电金属设施内部无线信号传播障碍物的布局情况合理布置；每个输变电金属设施内部布置有且仅有一个ZigBee协调器；
输电线路连接部分的温度检测系统包括433MHz输电线星型网主节点和433MHz输电线星型网从节点两种设备；
ZigBee协调器还带有433MHz射频收发模块，同时作为输变电金属设施内部温度检测系统433MHz星型网的从节点，和433MHz输变电金属设施内部温度检测系统星型网主节点组成一个433MHz星型网，构成以ZigBee网和433MHz星型网相结合的无线温度监测系统。
作为优选，433MHz输变电金属设施内部温度检测系统星型网主节点和433MHz输电线星型网主节点为具有可通过CDMA/GPRS接口，经广域网，将温度数据发送至后台数据管理平台的主节点。
作为优选，ZigBee终端节点处理模块带有金属屏蔽罩。
作为优选，ZigBee终端节点为具有按一定时间周期，自动读取温度传感器的数值的ZigBee终端节点。
作为优选，ZigBee终端节点具有双天线装置，双天线装置包括ZigBee芯片、射频Balun电路、射频开关、射频开关驱动电路、天线和天线，ZigBee芯片与射频Balun电路、射频开关驱动电路电连接，射频Balun电路、射频开关驱动电路与射频开关电连接，天线和天线与射频开关电连接，天线和天线分别设在开关柜金属壁内外两侧。
作为优选，若干个ZigBee终端节点为四个ZigBee终端节点、若干个ZigBee路由器为二个ZigBee路由器。
本实用新型的有益效果：系统采用无线电波进行信号传输，带有温度传感器的测试模块安装在待测点的表面，各个测试点组成一个无线网络，各个网络设备之间无电气联系，从根本上解决了高压绝缘问题，测量精度高，并且安装方便，不受开关柜体等某些特殊结构的限制，是输变电系统温度监测的理想解决方案。
附图说明
图1为本实用新型所述的一种输变电系统温度监控的无线传感网络系统的总体组成框图；
图2为本实用新型所述的ZigBee协调器节点的功能结构图；
图3为本实用新型所述的ZigBee路由器节点的功能结构图；
图4为本实用新型所述的ZigBee终端节点的功能结构图；
图5为本实用新型所述的433MHz输变电金属设施内部温度检测系统星型网主节点的功能结构图；
图6为本实用新型所述的433MHz输电线星型网主节点的功能结构图；
图7为本实用新型所述的433MHz输电线星型网从节点的功能结构图；
图8是本实用新型所述的ZigBee终端节点的双天线装置的电路原理图；
图9是本实用新型的一种ZigBee终端节点的双天线装置的安装示意图；
具体实施方式
实施例1：下面结合附图通过实施例对本实用新型作进一步阐述：一种输变电系统温度监控的无线传感网络系统，包括输变电金属设施内部温度检测系统和输电线路连接部分温度检测系统；输变电金属设施内部温度检测系统包括四个ZigBee终端节点11、二个ZigBee路由器9、一个ZigBee协调器8、433MHz输变电金属设施内部温度检测系统星型网主节点6；ZigBee终端节点11布置在输变电金属设施内部的温度检测点；ZigBee路由器9根据输变电金属设施内部无线信号传播障碍物的布局情况合理布置；每个输变电金属设施内部布置有且仅有一个ZigBee协调器8；输电线路连接部分的温度检测系统包括433MHz输电线星型网主节点4和433MHz输电线星型网从节点5两种设备；
ZigBee协调器8带有433MHz射频收发模块，同时作为输变电金属设施内部温度检测系统433MHz星型网7的从节点，和433MHz输变电金属设施内部温度检测系统星型网主节点6组成一个433MHz星型网，构成以ZigBee网和433MHz星型网相结合的无线温度监测系统。
433MHz输变电金属设施内部温度检测系统星型网主节点6和433MHz输电线星型网主节点4为具有可通过CDMA/GPRS接口，经广域网，将温度数据发送至后台数据管理平台3的主节点。
ZigBee终端节点11处理模块带有金属屏蔽罩。
ZigBee终端节点11为具有按一定时间周期，自动读取温度传感器的数值的ZigBee终端节点。
ZigBee终端节点11具有双天线装置，双天线装置包括ZigBee芯片13、射频Balun电路14、射频开关16、射频开关驱动电路19、天线18和天线17，ZigBee芯片13与射频Balun电路14、射频开关驱动电路19电连接，射频Balun电路14、射频开关驱动电路19与射频开关16电连接，天线18和天线17与射频开关16电连接，天线18和天线17分别设在开关柜金属壁内外两侧。
本实用新型的特殊之处在于：在输变电金属设施内部的母线接头等关键部位都布置有若干个ZigBee终端节点，ZigBee终端节点上的温度传感器紧贴在待测点的表面，采用直接测量的方式检测待测点的温度。ZigBee终端节点按一定时间周期，自动读取温度传感器的数值。输变电金属设施内部内的导线电压高，电流大，而且经常有刀闸的开关动作，导致电磁环境极其恶劣，因此本实用新型设计了ZigBee模块的屏蔽罩，确保ZigBee节点的处理器能够长期稳定工作。ZigBee协调器节点有且仅有一个，用于创建ZigBee网状网。根据金属设施内部布局特点及墙壁等射频信号障碍物的分布情况，根据需要布置若干个ZigBee路由器节点。一个开关柜室内的所有ZigBee节点通过自组织的方式组成一个网状的ZigBee无线网络10。由于ZigBee是一种工作在2.4GHz高频段的低功率无线网络标准，它的高频率和低发射功率的特性决定了无线信号穿透墙壁等障碍物的能力很弱。因此，本实用新型提出了一种将自组织自组网，低功耗的ZigBee网状网络，和具有较强穿透能力的，频率较低的433MHz射频星型网络相结合的网络结构。每个开关柜室内的所有检测节点组成各自的ZigBee网状网，同时ZigBee协调器节点有包含433MHz射频模块，是433MHz射频星型网的从节点。各个ZigBee协调器节点和433MHz输变电金属设施内部温度检测系统星型网主节点组成一个星型网络。金属设施内部的各个检测节点将温度数据发送至ZigBee协调器节点，ZigBee协调器节点再将温度数据以433MHz的射频信号发送至433MHz输变电金属设施内部温度检测系统星型网主节点，最后433MHz输变电金属设施内部温度检测系统星型网主节点以GPRS/CDMA接口或者以太网接口，经广域网，发送至后台数据分析管理平台3，完成对各个待测点温度的实时检测、分析和报警，将数据存入数据库2。由后台数据分析管理平台至各个无线网络节点的配置信息的发送过程和这一过程正好相反。
本实用新型提出的一种输变电系统温度监控的无线传感网络系统，将输电线路的温度检测和输变电金属设施内部的温度检测统一起来，完成对整个输变电系统各个关键点的有效监控。
如图1所示，本实用新型所述的一种输变电系统温度监控的无线传感网络系统基于ZigBee技术和433MHz射频技术相结合的无线网络，包括输电线路连接部分(主要指耐张线夹、四分裂变三分裂连接导流板、跳线线夹和接续管等)运行温度的监测和输变电金属设施内部运行温度的监测。变电站的温度监测网络是一种ZigBee网状网和433MHz星型网相结合的无线网络，包括ZigBee终端节点11、ZigBee路由器节点9、ZigBee协调器节点8和433MHz变电站星型网主节点6四种设备。每个开关柜12有四个ZigBee终端节点，安装在开关柜12待测点表面。根据开关柜室墙壁等无线信号传播障碍物的布局情况，在开关柜室内布置二个ZigBee路由器节点9，每个开关柜室内布置有且仅有一个ZigBee协调器节点8，每个开关柜室内的所有ZigBee节点组成一个ZigBee网状网。每个ZigBee协调器节点8还带有433MHz射频收发模块，同时作为变电站433MHz星型网的从节点，和433MHz变电站星型网主节点组成一个433MHz变电站星型网7。如此，构成了变电站ZigBee网状网和433MHz星型网相结合的无线温度监测网络。安装在开关柜待测点的ZigBee终端节点11大部分时间处于休眠模式，按一定时间周期，自动醒来读取温度传感器的数值，经ZigBee路由器节点9发往ZigBee协调器节点8，ZigBee协调器节点8再以433MHz射频信号，将各个测试节点的温度值发往433MHz变电站星型网主节点6,433MHz变电站星型网主节点6可以通过CDMA/GPRS接口或者以太网接口，将变电站所有测试点的温度值发送后台数据管理平台3。由后台数据管理平台到监测网络及各个测试节点的配置参数的数据流是这一过程的相反。输电线连接部分的温度监测是一个由433MHz输电线星型网主节点和433MHz输电线星型网从节点组成的星型网。433MHz输电线星型网主节点4和433MHz输电线星型网从节点5都安装在输电线连接部分的表面，433MHz输电线星型网从节点5隔一定时间周期读取温度传感器数值，并以433MHz射频信号，将温度值发往433MHz输电线星型网主节点4,433MHz输电线星型网主节点再通过CDMA/GPRS接口，将温度值发往后台数据管理平台3。如此，构成了整个输变电系统的无线温度监测网络。
图2是本实用新型所述的ZigBee协调器节点的功能结构图。从图中可见，协调器节点包括ZigBee芯片、2.4GHz射频功率放大模块、电源模块、温度传感器模块和433MHz射频收发器。其中，ZigBee芯片可以是TI公司的CC2430芯片，也可以是FreeScale公司的MC13213芯片。芯片内部集成了微处理器和2.4GHz射频收发器，微处理器用于控制节点的其它各个功能模块，射频收发器符合IEEE 802.15.4标准。协调器节点是一种FFD ZigBee网络设备，符合ZigBeeAlliance制定的ZigBee 2006 Specification，可以根据实际需要，决定是否配置射频功率放大模块。电源部分将220V的交流市电经过交直流变换得到所需的3.5V和5.0V直流电源，给节点中的各个功能模块供电。ZigBee芯片通过一线制接口每隔一定的时间间隔读取温度传感器的温度值。ZigBee协调器节点的433MHz射频收发模块和ZigBee芯片之间通过SPI接口相连接，ZigBee协调器节点收集所有ZigBee网状网内的测试节点的温度数据后，以433MHz射频信号转发到433MHz变电站星型网主节点。
图3是本实用新型所述的ZigBee路由器节点的功能结构图。从图中可见，路由器节点包括ZigBee芯片、2.4GHz射频功率放大模块、电源模块和温度传感器模块。其中，ZigBee芯片可以是TI公司的CC2430芯片，也可以是FreeScale公司的MC13213芯片。芯片内部集成了微处理器和射频收发器，微处理器用于控制节点的其它各个功能模块，射频收发器符合IEEE 802.15.4标准。路由器节点是一种FFD ZigBee网络设备，符合ZigBee Alliance制定的ZigBee 2006Specification，可以根据实际需要，决定是否配置射频功率放大模块。电源部分将220V的交流市电经过交直流变换得到所需的3.5V和5.0V直流电源，给节点中的各个功能模块供电。ZigBee芯片通过一线制接口每隔一定的时间间隔读取温度传感器的温度值。
图4是本实用新型所述的ZigBee终端节点的功能结构图。终端节点包括ZigBee芯片、2.4GHz射频功率放大模块、电源模块和温度传感器模块。其中，ZigBee芯片可以是TI公司的CC2430芯片，也可以是FreeScale公司的MC13213芯片。芯片内部集成了微处理器和射频收发器，微处理器用于控制节点的其它各个功能模块，射频收发器符合IEEE 802.15.4标准。终端节点是一种RFDZigBee网络设备，符合ZigBee Alliance制定的ZigBee 2006 Specification。考虑到开关柜内是高压大电流的电磁环境，不允许引入额外的电缆，因此布置在开关柜内的终端测试节点采用电池供电。同样在高压大电流环境下，容易在金属尖角处产生火花放电，因此ZigBee终端节点上在开关柜内的天线不采用SMA天线，而是采用陶瓷天线或者PCB天线。为保证电池具有足够的使用寿命，终端节点在大部分时候都处于休眠状态，只是定期醒来读取温度值，并发往ZigBee协调器。由于高压开关柜往往需要连续长时间工作2～3年，在此期间无法更换终端节点的电池，因此要求终端节点在休眠模式下的流耗极低。本实用新型所述的ZigBee终端节点，在采用一节普通锂电池供电的情况下，可以连续正常工作3年以上。ZigBee芯片通过一线制接口每隔一定的时间间隔读取温度传感器的温度值。
图5为本实用新型所述的433MHz输变电金属设施内部温度检测系统星型网主节点功能结构图。从图中可见，433MHz输变电金属设施内部温度检测系统星型网主节点包括嵌入式控制器，433MHz射频收发模块，CDMA/GPRS模块，以太网模块和电源模块。其中，嵌入式控制器用于控制节点的其它各个功能模块。433MHz射频收发模块和嵌入式控制器之间通过SPI接口相连接。433MHz星型网主节点可以将通过433MHz射频信号接收的各个检测点的温度值以CDMA/GPRS方式或者以太网方式发送至后台数据管理平台。电源部分将220V的交流市电经过交直流变换得到所需的3.5V和5.0V直流电源，给节点中的各个功能模块供电。
图6为本实用新型所述的433MHz输电线路星型网主节点功能结构图。从图中可见，433MHz输电线路星型网主节点包括微处理器，433MHz射频收发模块，CDMA/GPRS模块，温度传感器和电源模块。其中，微处理器用于控制节点的其它各个功能模块。433MHz射频收发模块和微处理器之间通过SPI接口相连接。微处理器通过一线制接口每隔一定的时间间隔读取温度传感器的温度值。433MHz输电线路星型网主节点可以将通过433MHz射频信号接收的各个检测点的温度值以CDMA/GPRS方式发送至后台数据管理平台。电源部分的设计采用直接从高压大电流输电线耦合的方式，经耦合模块和直流稳压模块，得到所需的3.5V和5.0V直流电源，给节点中的各个功能模块供电。
图7为本实用新型所述的433MHz输电线路星型网从节点功能结构图。从图中可见，433MHz输电线路星型网从节点包括微处理器，433MHz射频收发模块，温度传感器和电源模块。其中，微处理器用于控制节点的其它各个功能模块。433MHz射频收发模块和微处理器之间通过SPI接口相连接。微处理器通过一线制接口每隔一定的时间间隔读取温度传感器的温度值，并发往433MHz输电线路星型网主节点。电源部分的设计采用直接从高压大电流输电线耦合的方式，经耦合模块和直流稳压模块，得到所需的3.5V和5.0V直流电源，给节点中的各个功能模块供电。
如图8、9所示，ZigBee终端节点11具有双天线装置，双天线装置包括ZigBee芯片13、射频Balun电路14、射频开关16、射频开关驱动电路19、天线18和天线17，ZigBee芯片13与射频Balun电路14、射频开关驱动电路19电连接，射频Balun电路14、射频开关驱动电路19与射频开关16电连接，天线18和天线17与射频开关16电连接，天线18和天线17分别设在开关柜金属壁内外两侧。
天线18和天线17用于和柜外节点的通信，可以通过ZigBee芯片内软件设置，选择所使用的天线。ZigBee芯片的2.4GHz信号连接到RF SWITCH的J1脚，RF SWITCH的J2，J3脚分别接有天线18和天线17。当ZigBee芯片的I/O口线输出高电平时，V1脚输入高电平，V2脚输入低电平，则J1脚连接到J3脚，即选择天线17，反之，选择天线18。如此即可通过ZigBee芯片的I/O口线来选择天线。图2是双天线装置的安装示意图，如图所示，天线18和天线17分别安装在开关柜金属壁内外两侧，克服了开关柜金属的密封箱体的结构严重屏蔽了无线通讯信号，解决了开关柜内的节点和开关柜外的节点的正常通信的问题。
Claims (6)
1、一种输变电系统温度监控的无线传感网络系统，包括输变电金属设施内部温度检测系统和输电线路连接部分温度检测系统；
输变电金属设施内部温度检测系统包括若干个ZigBee终端节点(11)、若干个ZigBee路由器(9)、一个ZigBee协调器(8)、433MHz输变电金属设施内部温度检测系统星型网主节点(6)；ZigBee终端节点(11)布置在输变电金属设施内部的温度检测点；ZigBee路由器(9)根据输变电金属设施内部无线信号传播障碍物的布局情况合理布置；每个输变电金属设施内部布置有且仅有一个ZigBee协调器(8)；
输电线路连接部分的温度检测系统包括433MHz输电线星型网主节点(4)和433MHz输电线星型网从节点(5)两种设备；
其特征在于，ZigBee协调器(8)还带有433MHz射频收发模块，同时作为输变电金属设施内部温度检测系统433MHz星型网(7)的从节点，和433MHz输变电金属设施内部温度检测系统星型网主节点(6)组成一个433MHz星型网，构成以ZigBee网和433MHz星型网相结合的无线温度监测系统。
2、根据权利要求1所述的输变电系统温度监控的无线传感网络系统，其特征在于，433MHz输变电金属设施内部温度检测系统星型网主节点(6)和433MHz输电线星型网主节点(4)为具有可通过CDMA/GPRS接口，经广域网，将温度数据发送至后台数据管理平台的主节点。
3、根据权利要求1或2所述的输变电系统温度监控的无线传感网络系统，其特征在于，ZigBee终端节点(11)处理模块带有金属屏蔽罩。
4、根据权利要求1或2所述的输变电系统温度监控的无线传感网络系统，其特征在于，ZigBee终端节点(11)为具有按一定时间周期，自动读取温度传感器的数值的ZigBee终端节点。
5、根据权利要求1或2所述的输变电系统温度监控的无线传感网络系统，其特征在于，ZigBee终端节点(11)具有双天线装置，双天线装置包括ZigBee芯片(13)、射频Balun电路(14)、射频开关(16)、射频开关驱动电路(19)、天线(18)和天线(17)，ZigBee芯片(13)与射频Balun电路(14)、射频开关驱动电路(19)电连接，射频Balun电路(14)、射频开关驱动电路(19)与射频开关(16)电连接，天线(18)和天线(17)与射频开关(16)电连接，天线(18)和天线(17)分别设在开关柜金属壁内外两侧。
6、根据权利要求1或2所述的输变电系统温度监控的无线传感网络系统，其特征在于若干个ZigBee终端节点(11)为四个ZigBee终端节点(11)、若干个ZigBee路由器(9)为二个ZigBee路由器(9)。
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| CNU2008200882793U CN201226525Y (zh) | 2008-06-06 | 2008-06-06 | 一种输变电系统温度监控的无线传感网络系统 |
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| CN201226525Y true CN201226525Y (zh) | 2009-04-22 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102104989A (zh) * | 2010-12-24 | 2011-06-22 | 南京财经大学 | 用于电网实时数据监测的无线传感器网络系统 |
| CN103200703A (zh) * | 2013-03-29 | 2013-07-10 | 国家电网公司 | 一种用于输变电系统工程无线传感器网络的二级无线网络 |
| CN103531006A (zh) * | 2013-09-29 | 2014-01-22 | 杭州电子科技大学 | 基于Zigbee协议的温湿度采集模块电路 |
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2008
- 2008-06-06 CN CNU2008200882793U patent/CN201226525Y/zh not_active Expired - Fee Related
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090422 Termination date: 20150606 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |