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基于ZigBee和NB-IoT的箱式变电站

火灾监测系统设计

关键词：箱式变电站；火灾监测；ZigBee；NB-IoT；无线传感

器网络

一、引言

随着电力工业的不息进步和电力系统的不息完善，箱式变电站

已经成为了电力系统中不行或缺的一部分。箱式变电站具有结

构紧凑、便于安装、挪动和维护等优点，越来越广泛地应用于

城市建设、工业生产和民生设施等领域。然而，由于其自身存

在的一些内部缺陷，如电缆、接线端子、开关等设备的老化、

损坏、意外短路等状况，箱式变电站发生火灾的危险性也越来

越大，给电力系统的安全带来了极大的恐吓。

目前，国内外对于箱式变电站火灾监测系统的探究与开发也逐

渐增多。但是，由于箱式变电站的特殊性，加之其所处环境的

困难和复杂，以往开发的系统不行防止地存在着一些难以解决

的问题，如监测范围不全、响应速度慢、传输成本高等。因此，

本文基于ZigBee和NB-IoT技术，设计了一种高效、精准、可

靠的箱式变电站火灾监测系统，以期能够更好地保障箱式变电

站的安全运行。

二、探究背景

箱式变电站的主要结构由高压室、低压室、变压器室和电力柜

室等若干部分组成，每个部份内部布设有大量的设备和设施，

能源输入输出端口等的传感器信息具有着极其重要的意义。现

有的箱式变电站火灾监测系统通常接受有线的方式进行传输和

监测数据的收集，这种方式的特点是可靠性较高，但安装过程

繁琐、成本振奋，且容易在数据传输方面遇到困难。

ZigBee作为一种低功耗、低速率的自组织、多跳传输的无线

网络协议，具有着轻便、低功耗、信号稳定等特点，能够将多

个传感器节点组成一个具备灵活可扩展性的星型网络，从而实

现对箱式变电站内部多个参数的实时监测。同时，NB-IoT通

信技术作为一种冲破传统通信网络局限的新技术，具有很好的

冲破障碍物带来的干扰、信号遮盖范围广等特点，能够在通讯

速率和传输距离方面满足箱式变电站火灾监测的需求。

三、系统设计

箱式变电站火灾监测系统的设计方案主要包括物理节点的安置、

网络拓扑结构的设计、通信协议的确定、软件界面的开发等几

个方面。

1.物理节点的安置

针对箱式变电站内部的复杂环境，本文选择将各节点分为控制

节点、采集节点接受分布式安置，分别进行实时的数据采集、

传输和处理。其中，控制节点部署在箱式变电站主控板上，具

备较高的控制能力，能够实现对采集节点的协调控制，以及数

据的汇聚和传输任务。

而采集节点则部署在箱式变电站的各个部分，将每个部件的状

态信息采集到一个统一的数据汇聚节点进行分析处理，从而完

成对系统运行状况和参数的全面监测和数据传输。同时，为了

提高监测系统的可靠性和准确度，本文还设计了备用节点和故

障恢复机制，能够在节点失效或损坏后，自动启用备用节点进

行数据采集和传输。

2.网络拓扑结构的设计

在网络拓扑方面，本文接受星型网络结构进行设计，将控制节

点作为网络的中心节点，毗连各个采集节点。在星型结构中，

控制节点作为网络通讯的中心，能够快速、准确地接收和发送

数据，统一控制各节点的状态和数据，并对异常数据进行监测

和处理。同时，每个采集节点都拥有自己的通讯单元，能够实

现与控制节点的数据汇聚和沟通，完成对局部参数的监测和数

据传输任务。

3.通信协议的确定

在通信协议方面，本文选择了ZigBee和NB-IoT技术进行结合。

ZigBee能够通过无线传感器网络，实现对箱式变电站内部的

各个参数进行监测和传输，尤其适用于监测范围大、场景复杂

的环境。而NB-IoT则能够将节点采集的数据快速、准确地传

输至数据汇聚节点，实现全面实时的数据监测和传输，提高了

系统的可靠性和计算能力。

4.软件界面的开发

在软件界面设计方面，本文接受了C#语言进行开发，实现了

程序的数据处理、图表绘制和数据输出等功能。该软件能够直

观、最全面、全方面地展示箱式变电站内部各种参数的运行状

况，从而对箱式变电站的状态进行全面监控和实时预警。

四、试验结果分析

为了验证本文所设计的箱式变电站火灾监测系统的实际效果和

性能参数，我们进行了一系列试验，得出如下结论：

1.ZigBee模块的性能测试结果表明，其信号稳定、传输速度

快、噪声抗干扰能力强、网络扩展性强等优点，能够满足箱式

变电站火灾监测系统的需求。

2.节点部署试验结果表明，对于复杂的箱式变电站环境，接

受星型网络结构进行节点安置，能够实现全方位的数据监测和

传输，保证了箱式变电站的安全运行。

3.软件界面的开发试验结果表明