0 引 言

配電柜是建筑物中重要的配電設(shè)備之一。配電柜安全、穩(wěn)定的運(yùn)行直接關(guān)系到正常的生產(chǎn)與日常生活。據(jù)統(tǒng)計(jì)，配電柜運(yùn)行過(guò)程中的主要安全隱患是電氣火災(zāi)。據(jù)公安部消防局統(tǒng)計(jì)，電氣火災(zāi)是引發(fā)火災(zāi)的首因，2017 年 1 ～10 月份，因電氣引發(fā)的火災(zāi)共有 7.4 萬(wàn)起，造成 370 人死亡，226 人受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失達(dá) 11.2 億元。這些電氣火災(zāi)大多由配電柜或配電柜外供線路引起。

電氣火災(zāi)具有某些特殊性，其主要機(jī)理為 ：故障的局部部分長(zhǎng)時(shí)間受熱，導(dǎo)致絕緣進(jìn)一步減少，最終導(dǎo)致線路短路并引起火災(zāi) ；線路中的電流瞬間增大，積聚熱量，溫度升高而發(fā)生火災(zāi)。

從上述原理可以看出，檢測(cè)溫度與剩余電流可預(yù)警電氣火災(zāi)的發(fā)生。因此，設(shè)計(jì)一種基于 ZigBee 技術(shù)的配電柜電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)具有重要意義。

ZigBee 技術(shù)主要適用于各種短距離設(shè)備之間的通信， 可工作在 2.4 GHz（全球流行）、915 MHz（美國(guó)流行）和868 MHz（歐洲流行）三個(gè)頻段上，分別具有最高 250 Kbit/s、40Kbit/s和 20Kbit/s的傳輸速率，其傳輸距離為 10～75m， 可繼續(xù)增加。作為一種無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee的技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括低功耗、低成本、高可靠性、大容量、小延遲、良好的安全性與兼容性等。同時(shí)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)功能， 可滿足不同環(huán)境下的組網(wǎng)需求。因此，應(yīng)用 ZigBee技術(shù)對(duì)配電柜內(nèi)的溫度及剩余電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是可行的。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 基本功能

監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能為 ：

(1) 可準(zhǔn)確監(jiān)控配電柜的內(nèi)部溫度，保護(hù)電路中的剩余電流值 ；

(2)可在短時(shí)間內(nèi)將真空斷路器的實(shí)時(shí)溫度與剩余電流值連續(xù)發(fā)送到配電柜的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng) ；

(3) 能自動(dòng)識(shí)別出異常數(shù)據(jù)，以警示值班人員 ；

(4)能在一段時(shí)間內(nèi)形成真空斷路器溫度變化曲線、剩余電流值。

當(dāng)配電柜內(nèi)電路的剩余電流或真空斷路器溫度值超過(guò)系統(tǒng)設(shè)置的閾值時(shí)，該檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)以保護(hù)用電安全。

1.2 總體方案

基于 ZigBee 技術(shù)的配電柜電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由配電柜內(nèi)溫度采集與處理部分、剩余電流采集與處理部分、數(shù)據(jù)通信部分和配電柜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。溫度檢測(cè)系統(tǒng)包括多個(gè)溫度傳感器節(jié)點(diǎn)。線路剩余電流檢測(cè)系統(tǒng)包括具有異常報(bào)警功能的多節(jié)點(diǎn) ZigBee 無(wú)線通信系統(tǒng)與電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。配電柜真空斷路器旁的溫度傳感器收集真空斷路器的溫度， 線路中的電流由安裝在線路上的剩余電流傳感器監(jiān)控。數(shù)據(jù)采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行處理，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)多節(jié)點(diǎn)ZigBee 無(wú)線通信技術(shù)上傳到配電柜電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。配電柜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理并判斷，根據(jù)來(lái)源對(duì)異常數(shù)據(jù)報(bào)警?？傮w設(shè)計(jì)圖如圖 1 所示。

圖 1 總體設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度檢測(cè)模塊

溫度檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)獲取配電柜內(nèi)真空斷路器的溫度數(shù)據(jù)并保證數(shù)據(jù)正確性。傳統(tǒng)電路控制方法是在配電柜中安裝真空斷路器。真空斷路器由于其滅弧介質(zhì)與滅弧后接觸間隙的絕緣介質(zhì)而以高電弧命名，具有體積小、重量輕、適合頻繁操作、無(wú)電弧放電、無(wú)需大修等優(yōu)點(diǎn)，且具有過(guò)載、短路與欠壓保護(hù)功能，以及保護(hù)線路與電源的功能，廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)系統(tǒng)。

當(dāng)線路中的真空斷路器出現(xiàn)絕緣老化與局部放電等故障時(shí)，斷路器的內(nèi)部溫度會(huì)發(fā)生異常。通過(guò)溫度檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的預(yù)判，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 真空斷路器溫度場(chǎng)模擬

真空滅弧室電弧室主要由殼體、觸頭、波紋管與護(hù)罩組成。在滅弧過(guò)程中，操作機(jī)構(gòu)控制動(dòng)態(tài)與靜態(tài)觸點(diǎn)電分離， 真空電弧在觸點(diǎn)之間燃燒。當(dāng)電流歸零時(shí)，電弧熄滅，產(chǎn)生大量的熱量，并且斷路器每個(gè)區(qū)域的溫度分布不同。該軟件可應(yīng)用于模擬溫度場(chǎng)并建立電弧室結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型。通過(guò)對(duì)模型材料、電動(dòng)勢(shì)、電流等的設(shè)定，可求解得出斷路器各區(qū)域溫度分布情況。斷路器溫度場(chǎng)模擬圖如圖 2 所示。從模擬圖中可以看出，移動(dòng)與靜止觸點(diǎn)的周?chē)子诎l(fā)熱，并且溫度趨于從接觸到外殼減小。因此，將溫度傳感器放置在靠近觸點(diǎn)的絕緣殼體附近可真實(shí)地反映斷路器的溫度變化。

2.3 剩余電流探測(cè)器

傳統(tǒng)電路保護(hù)產(chǎn)品（如過(guò)電流過(guò)載保護(hù)裝置）可防止電線之間金屬短路故障引起的火災(zāi)及長(zhǎng)期過(guò)載加熱或接地電弧短路故障，但基本屬于被動(dòng)預(yù)防。特別是對(duì)于金屬端子短路、過(guò)載故障或接地電弧故障引起的線路端子溫度上升、線路緩慢增加或漏電流緩慢增加，不能起到較好的效果。由于傳統(tǒng)電路保護(hù)產(chǎn)品在某些參數(shù)下運(yùn)行，因此無(wú)法及早預(yù)防。若故障電流未達(dá)到保護(hù)開(kāi)關(guān)的設(shè)置，則保護(hù)開(kāi)關(guān)將不工作，而在線路中安裝剩余電流檢測(cè)器可解決此類(lèi)問(wèn)題。

剩余電流檢測(cè)器安裝在低壓配電系統(tǒng)中，可用于檢測(cè)TN-C-S，TN-S 及本地 TT 系統(tǒng)中剩余電流電氣火災(zāi)產(chǎn)生的電氣參數(shù)。當(dāng)受保護(hù)線路中的當(dāng)前參數(shù)超過(guò)警報(bào)設(shè)定值時(shí)，可發(fā)送信號(hào)以消除由剩余電流引起的電氣火災(zāi)危險(xiǎn)。剩余電流檢測(cè)器的安裝接線如圖 3 所示。

剩余電流的處理是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中最重要的部分。剩余電流的準(zhǔn)確性與可靠性直接影響對(duì)系統(tǒng)的判斷，目前通用的做法是將數(shù)據(jù)由剩余電流檢測(cè)器測(cè)試。由于配電柜內(nèi)線路復(fù)雜，通信容易受到干擾，探測(cè)器失效的可能性較高，探測(cè)器自身質(zhì)量以及實(shí)際應(yīng)用中一些不可避免的因素都會(huì)導(dǎo)致探測(cè)出現(xiàn)較大誤差，因此可通過(guò)建立基于自適應(yīng)的加權(quán)算法降低誤差，提高準(zhǔn)確性。

以各剩余電流探測(cè)器某一時(shí)刻測(cè)量值為前提條件，運(yùn)算 得到總均方誤差最小的測(cè)量值（且總均方誤差小于單個(gè)探測(cè)器的均方誤差），可在一定程度上提高數(shù)據(jù)精度。設(shè)各傳感器的測(cè)量值為 A1，A2，…，An，每個(gè)探測(cè)器的加權(quán)因子為W1，W2，…，Wn，估計(jì)真值為 X，組合均值和加權(quán)因子滿足 ：

通過(guò)計(jì)算加權(quán)剩余電流探測(cè)器數(shù)值可得到精確的電流值。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基于 IEEE 802.15.4 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中定義了全功能設(shè)備（FFD）與精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD）。FFD 既可作為終端節(jié)點(diǎn)也可作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器使用 ；RFD 只能作為具有單個(gè) FFD 的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。ZigBee 具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，包括星型、網(wǎng)狀與集群拓?fù)?。本文利?ZigBee 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建星型網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。

網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口和信號(hào)讀取器與 CC2530 通 信，收集斷路器的溫度數(shù)據(jù)及線路中剩余的電路數(shù)據(jù)，并與ZigBee 協(xié)調(diào)員溝通以完成信息傳輸。

ZigBee 協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立通信網(wǎng)絡(luò)，上電后執(zhí)行信道掃描，選擇適當(dāng)?shù)男诺?，設(shè)置協(xié)調(diào)器短地址并選擇 PAN ID 以構(gòu)建新網(wǎng)絡(luò)。初始化網(wǎng)絡(luò)后，等待其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括上位機(jī)顯示界面與網(wǎng)關(guān)軟件。網(wǎng)關(guān)軟件主要由主程序和 ZigBee 協(xié)調(diào)器子程序組成。引導(dǎo)完成后，ZigBee 協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與新終端節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)，并將接收到的斷路器溫度信息與剩余電流信息發(fā)送到監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電柜內(nèi)溫度與剩余電流遠(yuǎn)程監(jiān)控與集中管理的目的。斷路器溫度傳感器或剩余電流傳感器收集配電柜中的過(guò)電流或熱量等異常狀態(tài)，通過(guò)與預(yù)設(shè)的報(bào)警閾值進(jìn)行比較，當(dāng)剩余電流與溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)報(bào)警，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)脫扣斷電，避免電氣線路出現(xiàn)過(guò)流、發(fā)熱等故障。軟件流程如圖 5 所示。

4 實(shí)驗(yàn)通電運(yùn)行

配電柜的電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝完成后，配電柜內(nèi)真空斷路器的溫度變化曲線如圖 6 所示。

配電柜線路與電氣設(shè)備中存在正常的剩余電路，整個(gè)配電系統(tǒng)中固有的剩余電流值不固定，其與配電系統(tǒng)中的電氣設(shè)備數(shù)量、線路運(yùn)行時(shí)間、實(shí)時(shí)濕度等相關(guān)。實(shí)際測(cè)量后，固有剩余電流值與線路長(zhǎng)度及接入系統(tǒng)中電氣設(shè)備的數(shù)量有關(guān)。系統(tǒng)需將所測(cè)得電流值減去固定電流值，并將結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，判斷剩余電流值是否異常。測(cè)得的220 V 線路固有電流見(jiàn)表 1 所列。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于 ZigBee 技術(shù)的配電柜電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)比較測(cè)量溫度及剩余電流值與設(shè)定的閾值，可在超過(guò)設(shè)定值時(shí)提示工人并報(bào)警。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，成本低，具有一定的推廣價(jià)值。