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摘要：针对目前对变电站中变压器温度数据监测采用定期测量的方式不容易及时发现变压器异常的弊端，设计了一种基于Zigbee的低功耗、价格低的近程无线网络协议的温度监测系统。首先介绍了本系统的组成与工作原理，其次分析了Zigbee无线网络协议应用于变电站测温的优势，之后结合变压器的特点给出了传感器的拓扑结构，然后分析了本系统的软件结构。
关键词：Zigbee无线网络；变压器；温度监测系统
作者简介：邱腾飞（1978-），男，广州增城人，广州供电局有限公司变电管理一所，电力工程师。（广东?广州?511300）彭伟（1984-），男，
湖南永州人，永州职业技术学院，讲师。（湖南?永州?425000）
中图分类号：TM93?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）24-0134-02在对变电站运行设备的监测中，温度是一个重要的指标。[1-2]过高的温度会导致电气设备发热故障，甚至事故的发生。[3-4]
目前10kVA 以下的变压器大多为无人值守配电变压器，通常每年只做定期检测一次，不能实现实时运行监测，这样难免会出现误判、遗漏等情况，由此常常造成变压器存在故障不能及时排除而导致设备损坏和停电事故频繁发生。[5-7]针对配电变压器监测量多、面广和实时性的要求，提出了一种维护成本低、性价比高的变压器温度监测系统。
一、系统工作原理
基于Zigbee无线网络的变压器温度监测系统，是通过安装于变压器各个部分的Zigbee无线网络传感器将变压器各个部分的温度值通过Zigbee无线网络汇总至无线网络数据集中器，再通过串口将汇总的温度数据包反馈至监测中心。
在监测中心中，首先对实时数据进行显示和存储，再对数据中的异常进行告警处理，以实现系统对变压器的故障现象、异常情况、故障地点等的及时发现，最后实现数据的Web访问，一旦变压器出现异常，即以第一时间通知变电站工作人员，及时排除故障，以防止故障升级。
基于Zigbee无线网络的变压器温度监测系统的工作过程如下图1所示。
具体地，无线温度传感器从变压器采集温度数据，之后通过Zigbee无线网络将温度数据传输到无线温度数据集中器；监控中心与无线温度数据集中器之间通过串口、基于Modbus通讯协议进行通讯，监控中心首先发出询问，询问被无线温度数据集中器收到后应答，即传输温度数据；监控中心中，首先由数据库存储收到的温度数据，告警处理程序通过检索最新的数据库中数据进行告警处理，一旦发现异常即进行告警，同时将告警信息也进行存储入库处理；远程WEB终端通过网络可以从远方访问本变电站获得本变电站中变压器各部分的温度数据。
二、通讯协议
1.Zigbee无线网络通讯协议
变压器温度监测系统的数据采集是基于Zigbee无线网络协议的，该无线网络协议是一种基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。
无线通讯网包含了无线通讯协议与数据传输。无线通讯网络采用基于IEEE 802.15的ZigBee协议进行网络构建。它使用的2.4GHz免费波段能够以低成本构建无线通讯网，[8-9]并有着较强的抗干扰能力。网络唤醒能够让传感器在非工作状态下进行休眠，延长传感器的使用寿命。
简而言之，ZigBee就是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网通讯技术。变电站中，由于温度的测量不需要周期太短，而且由于变压器的各个部分都需要大量传感器测量温度值，对于传感器本身的价格有一定要求。基于以上特点，Zigbee无线网络正满足了变压器温度测量的要求。
2.Modbus通讯协议
Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其他设备之间可以通信。它已经成为一个通用工业标准。当在一Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器需要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。
MODBUS 协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元（PDU）。特定总线或网络上的MODBUS 协议映射能够在应用数据单元（ADU）上引入一些附加域。[10]
本系统中，无线温度数据集中器与工控机进行通讯，硬件上采用RS485串口总线，波特率为2400 bps。软件上，通讯分为下行通讯和上行通讯：下行通讯，即工控机向无线数据数据集中器请求信号；上行通讯，即无线数据数据集中器向工控机发出应答信号。两种通讯基于Modbus协议的数据具体分别为：
下行通讯：地址域2位，填写三个数据集中器地址，分别为01，02，03；功能码2位，为专门识别代码，为03；数据位8位，其中填写寄存器个数；差错校检4位，按照modbus协议规约进行校检。以三号采集器的下行通讯为例，modbus通讯码为“0303000000244548”。
上行通讯：地址域2位，填写三个数据集中器地址，分别为01，02，03；功能码2位，为专门识别代码，为03；数据位“下行寄存器个数”的十六进制表示+4*“下行寄存器个数”位，数据的顺序由无线温度传感器上所给定的序号确定；差错校检4+2位，按照modbus协议规约进行校检，最后缀以“FF”。以三号采集器的下行通讯为例，modbus通讯码为“030324XXXX…XXXX”+校验码+“FF”。
每过一个周期T1，首先，工控机进行一次请求，如果请求被无线数据集中器接受并校检成功，则进行应答；然后，如果应答被工控机接收并校验成功，则完成一次通讯，数据完成采集。两个工序中，任何一次失败，则本通讯失败，系统等待到下一周期重新重复上述通讯过程。
三、传感器网络拓扑结构 传感器网络拓扑即传感器无线网络节点组织结构。常规的网络拓扑多为星型拓扑，其结构简单且易管理。但是星型拓扑中，中心数据接装置需要覆盖的范围取决于该装置到最远传感器的直线距离。该拓扑结构受制于变电站建站规模、站点环境等因素的影响，无法适用于规模较大的变电站，并且星型拓扑对无线通讯网和无线传感器的性能都提出了苛刻的要求，实际应用时很难满足这些要求。因此本系统采用了一种基于总线型拓扑的混合型网络拓扑结构，即在中心数据服务器与传感器之间设立一个数据集中器。数据集中器的通过无线网络收集传感器实时测量温度，并将数据以报文的形式通过现场总线，如MODBUS协议，将数据传输给中心数据服务器。
数据集中器位置可以根据不同变电站的需求灵活地进行分配与确定。可以将变电站以不同的方式划分为多个网络分区，并在每个分区内设立数据集中器。如按照设备功能进行区域划分，按照设备集中程度进行区域划分等等。每个分区内部还可以根据设备的层次再次建立星型拓扑或者树形拓扑，实现设备与网络的分层分区管理，优化系统配置。
具体地，对于实际工作中的变压器，由于无法对其内部结构进行测温，可以安装多个传感器于变压器的表面，即变压器表面关键位置，如高压套管、低压套管、储油柜、油箱、油枕等。每个关键位置安装一个无线温度传感器，每个变压器上或者临近位置安装一个无线温度数据集中器。
四、系统软件结构
无线温度监测系统中监测中心储存有系统处理分析的主要软件，其软件结构如下图3所示。系统的软件结构由数据采集模块，前置程序，数据库以及数据查询、管理、分析、打印模块和远程通讯几部分组成。前置程序通过与安装于硬件采集设备中的数据采集模块进行信息交互，得到数据信息。存储程序将前置程序采集到的数据信息存储进入数据库中。数据库对数据进行存储、管理，按照用户需求对数据进行查询、分析和打印，并对异常数据进行告警处理。远程通讯模块实现了用户从异地调用、查询数据的功能。
五、结论
按照本系统的设计，可以实现对变压器温度数据的在线监测，对于了解变压器的运行状态，及时方便地识别变压器的运行异常具有极其重要的意义，相信在未来本系统将会得到很大的推广。
参考文献：
[1]费万民,吕征宇,耿福江,等.高压开关触点和母线温度在线检测与监视系统[J].电力系统自动化,2004,28(3):86-89.
[2]张艾萍,万瑞军.基于数字温度传感器的电缆故障在线监测及火灾预警系统[J].电力自动化设备,2003,23(10):57-58,61.
[3]韩学军,刘滨涛,陈永辉,等.基于无线通信的高压断路器温度在线监测系统[J].电力系统自动化,2006,30(8):84-88.
[4]刘建胜,酆达,张凡.一种用于变电站高压触点温度在线监测的新方法[J].电力系统自动化,2004,28(04):54-57.
[5]王方,邱道尹,岳艳杰,等.基于红外技术的变电站温差无线温度监控[J].电力自动化设备,2011,31(08):135-138.
[6]匡绍龙,朱学斌.分布式光纤温度传感器原理及其在变电站温度监测中的应用[J]电力自动化设备,2004,24(09):79-81
[7]高庆敏,和欢,石瑞杰.基于ZigBee无线传感网络在变电站监测系统中的应用[J].华北水利水电学院学报.2010,31(01):53-56
[8]辛颖,谢光忠,蒋亚东.基于Zig Bee协议的温度湿度无线传感器网络[J].传感器与微系统,2006,(07):82-88.
[9]吴键,袁慎芳,殷悦.基于ZigBee技术的无线传感器网络及其应用研究[J].测控技术,2008,27(1):13-15,20.
[10]Modbus通讯协议[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/1861869.htm.
（责任编辑：刘辉）
关键词：Zigbee无线网络；变压器；温度监测系统
作者简介：邱腾飞（1978-），男，广州增城人，广州供电局有限公司变电管理一所，电力工程师。（广东?广州?511300）彭伟（1984-），男，
湖南永州人，永州职业技术学院，讲师。（湖南?永州?425000）
中图分类号：TM93?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）24-0134-02在对变电站运行设备的监测中，温度是一个重要的指标。[1-2]过高的温度会导致电气设备发热故障，甚至事故的发生。[3-4]
目前10kVA 以下的变压器大多为无人值守配电变压器，通常每年只做定期检测一次，不能实现实时运行监测，这样难免会出现误判、遗漏等情况，由此常常造成变压器存在故障不能及时排除而导致设备损坏和停电事故频繁发生。[5-7]针对配电变压器监测量多、面广和实时性的要求，提出了一种维护成本低、性价比高的变压器温度监测系统。
一、系统工作原理
基于Zigbee无线网络的变压器温度监测系统，是通过安装于变压器各个部分的Zigbee无线网络传感器将变压器各个部分的温度值通过Zigbee无线网络汇总至无线网络数据集中器，再通过串口将汇总的温度数据包反馈至监测中心。
在监测中心中，首先对实时数据进行显示和存储，再对数据中的异常进行告警处理，以实现系统对变压器的故障现象、异常情况、故障地点等的及时发现，最后实现数据的Web访问，一旦变压器出现异常，即以第一时间通知变电站工作人员，及时排除故障，以防止故障升级。
基于Zigbee无线网络的变压器温度监测系统的工作过程如下图1所示。
具体地，无线温度传感器从变压器采集温度数据，之后通过Zigbee无线网络将温度数据传输到无线温度数据集中器；监控中心与无线温度数据集中器之间通过串口、基于Modbus通讯协议进行通讯，监控中心首先发出询问，询问被无线温度数据集中器收到后应答，即传输温度数据；监控中心中，首先由数据库存储收到的温度数据，告警处理程序通过检索最新的数据库中数据进行告警处理，一旦发现异常即进行告警，同时将告警信息也进行存储入库处理；远程WEB终端通过网络可以从远方访问本变电站获得本变电站中变压器各部分的温度数据。
二、通讯协议
1.Zigbee无线网络通讯协议
变压器温度监测系统的数据采集是基于Zigbee无线网络协议的，该无线网络协议是一种基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。
无线通讯网包含了无线通讯协议与数据传输。无线通讯网络采用基于IEEE 802.15的ZigBee协议进行网络构建。它使用的2.4GHz免费波段能够以低成本构建无线通讯网，[8-9]并有着较强的抗干扰能力。网络唤醒能够让传感器在非工作状态下进行休眠，延长传感器的使用寿命。
简而言之，ZigBee就是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网通讯技术。变电站中，由于温度的测量不需要周期太短，而且由于变压器的各个部分都需要大量传感器测量温度值，对于传感器本身的价格有一定要求。基于以上特点，Zigbee无线网络正满足了变压器温度测量的要求。
2.Modbus通讯协议
Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其他设备之间可以通信。它已经成为一个通用工业标准。当在一Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器需要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。
MODBUS 协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元（PDU）。特定总线或网络上的MODBUS 协议映射能够在应用数据单元（ADU）上引入一些附加域。[10]
本系统中，无线温度数据集中器与工控机进行通讯，硬件上采用RS485串口总线，波特率为2400 bps。软件上，通讯分为下行通讯和上行通讯：下行通讯，即工控机向无线数据数据集中器请求信号；上行通讯，即无线数据数据集中器向工控机发出应答信号。两种通讯基于Modbus协议的数据具体分别为：
下行通讯：地址域2位，填写三个数据集中器地址，分别为01，02，03；功能码2位，为专门识别代码，为03；数据位8位，其中填写寄存器个数；差错校检4位，按照modbus协议规约进行校检。以三号采集器的下行通讯为例，modbus通讯码为“0303000000244548”。
上行通讯：地址域2位，填写三个数据集中器地址，分别为01，02，03；功能码2位，为专门识别代码，为03；数据位“下行寄存器个数”的十六进制表示+4*“下行寄存器个数”位，数据的顺序由无线温度传感器上所给定的序号确定；差错校检4+2位，按照modbus协议规约进行校检，最后缀以“FF”。以三号采集器的下行通讯为例，modbus通讯码为“030324XXXX…XXXX”+校验码+“FF”。
每过一个周期T1，首先，工控机进行一次请求，如果请求被无线数据集中器接受并校检成功，则进行应答；然后，如果应答被工控机接收并校验成功，则完成一次通讯，数据完成采集。两个工序中，任何一次失败，则本通讯失败，系统等待到下一周期重新重复上述通讯过程。
三、传感器网络拓扑结构 传感器网络拓扑即传感器无线网络节点组织结构。常规的网络拓扑多为星型拓扑，其结构简单且易管理。但是星型拓扑中，中心数据接装置需要覆盖的范围取决于该装置到最远传感器的直线距离。该拓扑结构受制于变电站建站规模、站点环境等因素的影响，无法适用于规模较大的变电站，并且星型拓扑对无线通讯网和无线传感器的性能都提出了苛刻的要求，实际应用时很难满足这些要求。因此本系统采用了一种基于总线型拓扑的混合型网络拓扑结构，即在中心数据服务器与传感器之间设立一个数据集中器。数据集中器的通过无线网络收集传感器实时测量温度，并将数据以报文的形式通过现场总线，如MODBUS协议，将数据传输给中心数据服务器。
数据集中器位置可以根据不同变电站的需求灵活地进行分配与确定。可以将变电站以不同的方式划分为多个网络分区，并在每个分区内设立数据集中器。如按照设备功能进行区域划分，按照设备集中程度进行区域划分等等。每个分区内部还可以根据设备的层次再次建立星型拓扑或者树形拓扑，实现设备与网络的分层分区管理，优化系统配置。
具体地，对于实际工作中的变压器，由于无法对其内部结构进行测温，可以安装多个传感器于变压器的表面，即变压器表面关键位置，如高压套管、低压套管、储油柜、油箱、油枕等。每个关键位置安装一个无线温度传感器，每个变压器上或者临近位置安装一个无线温度数据集中器。
四、系统软件结构
无线温度监测系统中监测中心储存有系统处理分析的主要软件，其软件结构如下图3所示。系统的软件结构由数据采集模块，前置程序，数据库以及数据查询、管理、分析、打印模块和远程通讯几部分组成。前置程序通过与安装于硬件采集设备中的数据采集模块进行信息交互，得到数据信息。存储程序将前置程序采集到的数据信息存储进入数据库中。数据库对数据进行存储、管理，按照用户需求对数据进行查询、分析和打印，并对异常数据进行告警处理。远程通讯模块实现了用户从异地调用、查询数据的功能。
五、结论
按照本系统的设计，可以实现对变压器温度数据的在线监测，对于了解变压器的运行状态，及时方便地识别变压器的运行异常具有极其重要的意义，相信在未来本系统将会得到很大的推广。
参考文献：
[1]费万民,吕征宇,耿福江,等.高压开关触点和母线温度在线检测与监视系统[J].电力系统自动化,2004,28(3):86-89.
[2]张艾萍,万瑞军.基于数字温度传感器的电缆故障在线监测及火灾预警系统[J].电力自动化设备,2003,23(10):57-58,61.
[3]韩学军,刘滨涛,陈永辉,等.基于无线通信的高压断路器温度在线监测系统[J].电力系统自动化,2006,30(8):84-88.
[4]刘建胜,酆达,张凡.一种用于变电站高压触点温度在线监测的新方法[J].电力系统自动化,2004,28(04):54-57.
[5]王方,邱道尹,岳艳杰,等.基于红外技术的变电站温差无线温度监控[J].电力自动化设备,2011,31(08):135-138.
[6]匡绍龙,朱学斌.分布式光纤温度传感器原理及其在变电站温度监测中的应用[J]电力自动化设备,2004,24(09):79-81
[7]高庆敏,和欢,石瑞杰.基于ZigBee无线传感网络在变电站监测系统中的应用[J].华北水利水电学院学报.2010,31(01):53-56
[8]辛颖,谢光忠,蒋亚东.基于Zig Bee协议的温度湿度无线传感器网络[J].传感器与微系统,2006,(07):82-88.
[9]吴键,袁慎芳,殷悦.基于ZigBee技术的无线传感器网络及其应用研究[J].测控技术,2008,27(1):13-15,20.
[10]Modbus通讯协议[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/1861869.htm.
（责任编辑：刘辉）