TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.7, July 201 4, pp . 4963 ~ 49 7 2   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i7.546 7          4963     Re cei v ed  De cem ber 2 3 , 2013; Re vi sed  F ebruary 28,  2014; Accept ed March 1 6 , 2014   Resear ch on Zigbee Network Temperature Sensor in  Intelligent High-voltage Switch Cabinet       Huan g Xin-b o Zhao Yan g * Zhao Xia o -hui, Liao Zhi-jun  Coll eg e of Elec tronics an d Informatio n , Xi ’an  Pol y t e chn i c U n iversit y ,   Xi ’a n 710 04 8, Shaa n x i Provi n ce, Chin a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : 9518 01 764 @ qq.com       A b st r a ct   T he contacts o f  high-vo ltag e sw itchgear w ill  heat an d caus e safe ty ha z a r d s due to  poor  conta c t   w h ile ru nn ing.  A Z i gb ee-b a se d w i reless  n e tw ork sensor   w a s d e sig n e d  by  the  authors  of  this p aper  for r eal - time  mo nitor i n g  of hig h  volta ge sw itchge ar w hen cont act temper ature ris e s. T h is pap er  first gives a b r ief   introd uction to  the Z i gb ee pr otocol, the  pro t ocol  stack a n d  the n e tw ork topol ogy, an d  then  mak e s a n   elaboration on the  system   fr am ework, hardware and soft ware designs   of the Zigbee  wireless sensor and  the des ig n of  hig h -volta ge  b ootstrap p o w e r  supp ly. In  the  end, th e fiel app licati on  an d an alysis  pro v es   that bas ed on t he Zigbee te c h nology,  the online monitor i ng system  of  the  t e mper at ure r i s e  for  high-voltage  sw itchgear is s t able  an d cap a b le  of  real-ti m e  reporti ng th e true te mp eratur e of the c ontac t.  T herefore, th e   desi gn has the  characteristics  of high stabil i ty, low  pow er  consu m ption, lo w  cost, as  w e ll  as high flexi b il it y   and sca la bility.     Ke y w ords :   Z i gbe e, Z i gb e e  pr otocol,  h i gh-v o ltag e s w it chgear, w i r e less  netw o rk  sens or, con t act  temp eratur e ris e     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  The mo nitori ng of safe o peratio n of th e high -voltag e  switch gea r has  bee n o ne of the  major  con c e r ns of the  safe  operation of  the pow er  system. Ho wev e r, it still has  not been  solv ed  as the m onit o ring  of co ntact tempe r at ure i s  co n s ta ntly influence d  by high  pre s sure, m e a s u r ing  point and th e  interference  of stron g  ele c tric fi eld. Nowadays, temp e r ature mea s u r eme n t syste m   mainly inclu d e s thre e kin d s of comm unication pr o g ram s : ordi n a ry cabl es, o p tical fibers  and   wirel e ss com m unication, among  whi c h the ordi na ry cable s   wil l  bring a bou t safety hidden  dang ers by  affecting el e c tri c al i s olati on of t he  switch gea r. O p tical fibe r t e mpe r ature  online  monitori ng d e vice i s  imp e r vious to hig h  pre s sure an d environme n t by usin g t he opti c al fib e r to  transmit sign als [1-3]. Ho wever, a s  the  optical  fibe can b e  broke n  off easily, cannot sta nd t h e   high tem pera t ure, an d can  be difficult to wire etc ., it i s  difficult to  meet the  req u irem ents  of  on- line monito rin g  of the hi gh-voltage switchgea r. In  con t rast, a s  Zig b ee wi rele ss n e twork  ha s th merits of lo co st, unli c en sed fre que ncy  band, l o w po wer con s um p t ion, no  wiri n g , no i m pa ct  on  the characte ri stics of el ect r icity  [4-5] a n d  so  on, it is i n  full complia nce  with th e requireme nts  of  the swit chb o a r d onlin e mon i toring.       2. Introducti on of Zigb ee Tech nolo g y  and the Feasibilit y   Analy s is of Application  to   S w i t chge ar Communica tion  2.1. Zigbee Protoc ol Ov er v i e w   and Pr otocol Sta c k   Zigbee, th e  stand ard t hat sti pul ate s   a se rie s  of  short - di sta n ce wi rele ss  netwo rk   comm uni cati on protocol  for tran smi ssi on  rate  of   data, is mai n ly applied  in sh ort-dist ance  wirel e ss data  transmi ssion .  The netwo rk stan da rd s of Zigbee, formulated by 8 02.15.4 worki n g   group est abli s hed by the IEEE,  are based on IEEE802.15.4 protocol  and empl oy the free gl obal  comm uni cati on fre que ncy  ban d to  co mmuni cate.  On the  whol e, it define s  three  fre q u ency  band s: 2.4G Hz, 9 15M Hz  and 8 68M Hz [6-7]. And th e num ber of  the freq uen cy band  ch an nels  has b een  set  when they a r e stipul ated  by the wo rki ng gro up. Fo r example, th e 2.4GHz ba nd   coul d offer  total of 16 ch annel s (ch a n nels  11-26 ) [8 -9], who s e d a ta tran sfer  rate is the fa st est - 250 kbp s ; the  915 M H z b and  coul d off e r a total  of  10 chan nel (ch ann els 1-10),  who s d a ta   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  4963 – 49 72   4964 transfe rate i s  40 kb ps;  wh ile the 86 8M Hz  ca n only  offer on e cha nnel  (ch ann el  0), an d its  d a ta   transmissio rate i s  2 0 kbp s   [10].  Hen c e ,  the high er the  comm unication ba nd i s ,  the g r eate r  t he  transmissio data rate i s Ho wever, d u e  to the del a y  in the actu al data tra n sf er p r o c e ss, t h e   transfe r rate will be sli ghtly smalle r than  the spe c ified.   The Zigb ee stack con s ist s  of four la ye rs, and from the top down, they  are the   appli c ation l a yer, the MA C laye r, the  netwo rk la yer and  the p h ysical laye r re spe c tively. The   uppe r layer can acq u ire service s  an d relative dat a from its lower layer. The physical layer is  respon sibl e f o r the  setting  of the th ree  wo rki ng f r eq uen cy ba nd s and  their da ta tran smi ssi on  rate; the function of the MAC layer is  to mak e   s u re  th at a  set  of wi reless  co mmu nicatio n  d e vices  workin g in the sam e  sp ace can  sha r e t he frequ en cy band  without  prod uci ng si g nal co nflicts; the  appli c ation la yer ca n be  divided into  three p a rt s:  the device o b ject  (Z DO ),  the application  support sub-l a yer (APS), and the appli c ation objects .  Its protocol stack i s  shown in Figure 1.           Figure 1 Zig bee Stack      2.2. Zigbee Net w o r k T o p o log y  [11]  IEEE802.15.4 provide s  th ree types of  effectiv e network st ru ctures (clu ster type, mesh,  and sta r  sha pe) an d thre e  kind s of device op erat in g mode s (coo rdinators, full functio n  devices,  and red u ced function devi c e s ).  T he  red u ce fun c ti on  device  can  only be  used  as th e termi nal  sen s o r  nod e; the full function device can be take n as a termin al  sen s or no d e  as well a s  a   routing  no de;  the  coo r din a t or can  only  serve  a s  a  routing  node.  Thus,  Zigb ee -ba s ed  wi rele ss  sen s o r  netwo rks can ro ugh ly form three  basi c  topol ogi es, as  sho w in Figure 2:      Figure 2 Zig bee Netwo r Topolo g y Dia g ram       (1) T he  star-sha pe-ba sed  topology ha s a nat u r al di stribute d   p r o c e ssi ng capa bility  and  the routin g n ode of the  star shap e is t he dist ri bute d  pro c e s sing  cente r i.e. it posse sses  the  cap ability of data pro c e ssing and inte gration a s  well as a ro uting functio n . Each wi rele ss  terminal  se nsor no de  will transfe r the d a t a to t he ro uting no de of th e sam e  topol ogy, whe r e th data integration will be  co mpleted in a  simple a nd ef fective way a nd then the p r ocesse d dat a will   be tran smitte d. This ki nd o f  network to p o logy is ad op ted by this progra m Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re sea r ch on  Zigbee  Network T e m perat ure Sen s o r  in  Intelligent Hi gh-voltag e…  (Hu ang Xin - b o 4965 (2) Th e me sh -ba s ed  topol o g y, who s e  wi rele ss  sen s o r  nod es are  conne cted  into  a n e t,  can tran smit  data thro ugh  several routin g ch ann el si multaneo usly , which could  maintain hi g h   transmissio n reliability. The netwo rk of  this t opolog y is so powe r ful and ela s t i c that netwo rk  sep a ratio n  won’t happ en  whe n  seve ral  links a nd sen s or n ode s fail  to work.  (3) T he cl uste r-type-ba sed  topology, wh ose  sen s o r  n ode s are  con necte d in one  or more   chai ns  and  th e end  of e a ch chain i s   co nne cted  with  the termi nal  sen s o r  n ode.  In this  pro g ram  some te rmina l  node s will lo se conn ectio n  if intermedi ate node s lo se effects.     2.3. Feasibilit y  of Zigbee Wireless  Netw o r k A pplication in S w i t chgear  Online Monitoring   By employing  2.4GHz b a n d , Zigbee  ca n fully  meet the dem and f o r onli ne mo nitoring  of  the switchge ar. At first th e diel ectri c  p r ope rtie of t he m a terial  o f  the hig h -vol tage  swit chg ear  and its  semi -clo sed  stru ct ure m a ke it e quivalent to t he wavegui d e  in the hi gh  freque ncy  so  tha t   high-f r eq uen cy wirel e ss  si gnal s in  the  swit ch  ca bi ne t can  be  bett e r tran smitte d. Secondly,  the   size of the Zigbee wave length is much smalle than the obsta cle s   whi c h imped e  its sprea d . The  wirel e ss  sig nals  ca n b e  reg a rded  as the int egral  re sult  of the direct light,  diffractio n   and  refle c tion , which o c cu r in the spa c whe r e li ght is prevented from sp rea d ing .  The spread  of  UHF  b and  si gnal s in  the  swit chg ear  cabinet  hav more adva n tage s over that of the VH F or  lowe r ban d si gnal s.  Beside s, alth ough  the  2.4 G Hz b and  si gnal can  not  be  com p a r e d  with  50 1000M Hz  radio  si gnal in fading  pe rforma nce, the  intern al  di stance  of swit chgea r spa c e is  so sho r th at  the pro pag ation loss of th e sign als i s   within t he a c cepta b le ran ge. Mean whil e, given that the  2.4GHz ba nd  is a free fre quen cy ban d  without ap pli c ation, an d the po we r co nsum ption of  the   high-ban chi p , the  size  of  the ante nna  and th e volu me of the  wi reless  data m odule  are all  very  small, it is ve ry suitable to   use th e Zig b e e  of  the 2.4 G Hz  ban d a s  t he working  freque ncy b a n d  o f   the wirel e ss d a ta tran smission in the pre s ent sy stem.       3. The De sign of Temper ature Monitori ng Sy stem f o r High Voltage S w i t ch g ear   3.1. Sy stem  Frame w o r k   The  comm u n icatio n bet wee n  the hi gh-voltag switch gea co ntact an d t he ho st  comp uter  of station level  can  be a c hi e v ed by  mean s of Zig bee  wirel e ss n e twork, IEC6 1 850   proto c ol [12 - 1 3 ] and the RS -485 b u s [14],  as sh own in Figure 3.          Figure 3  System Frame w ork      Wirel e ss tem peratu r e m e a s ureme n t system co n s i s ts  of the followi ng five parts,  namely,  wirel e ss  sen s or no de s, wirel e ss  re ce iver mo d u le,  the monito ri ng ho st, inte lligent ele c tronic  device a nd th e host compu t er of the stat ion level, as shown in Figu re 3.  (1)  Wirele ss  sen s o r  no de s: As wireless sen s o r  no de s are set on  the co ntact a r m an temperature  sen s o r s a nd the co ntact a r m are in  go o d  conta c t, the real-time te mperature d a t a of  conta c ts  can  be gathe red  and sent out throu gh Zig b e e  netwo rk.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  4963 – 49 72   4966 (2) Wi rele ss re ceive r  m odule: In stall ed in  the  b a ck of th monitori ng  h o st, it’s  respon sibl e for colle cting the data  of te mperature  se nt by wirele ss sensor n o d e s an d upl oa ding   them to the monitoring hos t.  (3) The  moni toring  ho st: It’s respon sibl e for  setting  the ope ratin g  paramete r of data  receiving  terminal, receiving, saving,  a nalyzin g a n d  man aging  th e temp eratu r e data  u p loa ded  from e a ch  Zi gbee  network co ordi nator  etc. It ca n  al so  uploa d th e data to  IED throu gh the   RS- 485 bu s.   (4) Th e intelli gent el ect r oni c d e vice:  Th e intellig ent e l ectro n ic d e vice  re ceive s  t he d a ta   colle ction i n stru ction s   se nt by  the h o st  comp ute r  at a  fixed  time an d t hen  distri but es   corre s p ondin g  colle ction i n stru ction s  to  each m onito ring ho st thro ugh the RS -4 85 bu s. After the  monitori ng h o s t uplo a d s  th e tempe r atu r e pa ramete of each  cont act to the i n telligent el ectronic  device, the data will be  analyzed a nd pro c e s se d by the intelligent ele c troni c device, and   followin g  the  IEC6185 0 a g r eem ent, the s e th erm a st ate pa ram e te rs  as well a s   the pre-wa rni ng  and warning  messag es  wil l  be se nt ba ck to the ho st  comp uter of t he station l e vel to achi eve the  remote monitoring.   (5) T he ho st comp uter: in stalled in the control r oom o f  the station level, it is in charg e  of  stora ge an d d i splay of onlin e monitori ng  data.    3.2. Hard w a r e  Design o f  Zigbee Sens or Node s   Wirel e ss  co mmuni cation  modul e takes the  control chi p  M C 9 S 08QG 8  an d  RF  chip   MC13 192 [15 - 16] as its m a in com pon e n ts. The co ntrol chi p  MC9 S 08QG 8  in this mod u le can  cal c ulate th e  tempe r ature  of sw itch gea r conta c t by  1-wi re  digital  therm o mete r DS18B2 0 , a n d   throug h SPI  comm uni cate  with  RF  chip  MC1319 2,  which  can  se n d  out th wireless m e ssa ges  throug h ante nna. MC1 319 2 in wirele ss receiver mo d u le can recei v e the data throu gh ante n n a   and se nd out  them throug h SPI  to MC9S08Q G8, wh ich can sen d  data to the monitoring h o st  throug h a serial port. The  wirel e ss  com m unication m odule i s  co m posed of a wirele ss  se ndi ng  module  and  a  wirel e ss  re ceiver mo dule,  who s hard w are de sig n s are th e sam e , but differe nt in   prog ram m ing .  Its block dia g ram i s  sh own in Figure 4:        Figure 4. Internal Stru cture s  of Zigbee  Wirel e ss Sen s or  Nod e     The M C U (MC9S0 8QG 8 ) an d M C 13 192  can  a c h i eve the ex chang e of inf o rmatio throug h SPI.  The pri n ci ple  of the wirele ss co mmuni ca tion module i s  illustrated in  Figure 5.       Figure 5. Sch e matic Di ag ram of a Wirel e ss Com m uni cation Mo dul IR Q / R S T 1 B KGD/ M S 2 VDD 3 VS S 4 EX TA L 5 XT AL 6 TP M C H 1 /S S 7 MI SO 8 MO S I 9 SP SC K 10 T XD/ ADP 5 11 R XD/ ADP 4 12 S DA/ ADP 2 14 S C L / ADP 3 13 ADP 0 / AC M P + 16 AD P 1 / A C M P - 15 U1 MC 9 S 0 8 Q G RF I N - 1 RF I N + 2 NC 3 NC 4 P AO+ 5 P AO- 6 SM 7 GP I O 4 8 GP I O 3 9 GP I O 2 10 GP I O 1 11 RS T 12 RX T X E N 13 AT T N 14 CL K O 15 SP I C L K 16 MO S I 17 MI S O 18 CE 19 IR Q 20 VDDD 21 VDDI NT 22 GP I O 5 23 GP I O 6 24 GP I O 7 25 XT AL 1 26 XT AL 2 27 VDDL O2 28 VDDL O1 29 VDDVC O 30 VB A T T 31 VDDA 32 U2 MC 1 3 1 9 2 C1 10 UF C3 104 C2 104 VDDA C7 1 0 4 C8 1 0 4 C1 0 9P F C1 1 104 C9 9P F VC C VC C GND VDDA VD DA GND GND RF I R Q SP I C E MI SO MO S I SP I C L K A TTN R TEN RF R S T GND GND GND C1 3 18P F C1 4 18P F C1 5 0.5P F C1 2 22 0P F GND C1 6 0. 5P F L1 6. 8N H C1 7 220P F GND V DDA R3 470 K VC C RF I R Q MS VC C GND A TTN RT E N SP I C E MO S I MI SO SP I C L K TX D RX D R4 8. 2K C1 8 1 0 4 VC C GND MS RF I R Q VC C GND VC C GND VC C RF RS T 1 3 4 2 Y1 16M PE N RX D TX D PE N 1 2 3 4 5 J1 C ON5 CL K O C4 104 1 2 J2 BK G D 片信 低有 SP I     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re sea r ch on  Zigbee  Network T e m perat ure Sen s o r  in  Intelligent Hi gh-voltag e…  (Hu ang Xin - b o 4967 3.3. Zigbee Wireless  Co mmunicatio Module Soft w a re Proc e ss De sign   In orde r to re duce the po wer con s umpti on of the wireless commu nicatio n  mod u le, this  prog ram  ado pts a mo re  simplified Zigb ee protoc ol stack  and a  communi catio n  proto c ol. T he  temperature   of the inte rn a l  mea s u r ing   point  within t he  swit chg e a r   can  be  coll ected  by  wire less   sen d ing mo d u le on ce eve r y 10 se con d s , sent out wirele ssly an d  uploade d to the monitori ng   host M C U through th e seri al po rt by the  re ceiv ing m odule. T he  communi catio n  protocol ha s a   total of 5  p a rts:  start  bit (FE), th e a ddre s hi gh  (1 byte ), the  add re ss lo w (1 byte ),  the  temperature   value (1 byte ) an d the  CRC pa rity bi ts  (1  byte). T he flo w   cha r t of the  wi rel e ss  sen d ing m o d u le is  demo n s trated  in Fig u re  6, and th e flow  cha r of wireless  re ceiver mod u l e  is  displ a yed in  Figure 7.            Figure 6. The  Flow Ch art o f  Temperature  Colle ction of the Wirele ss  Sending M o d u le   Figure 7. The  Software Flo w  Ch art of the  Wirel e s s  R e c e iv er Mod u le                                           3.4. Design  of High -v oltage Boo t s t ra p Po w e r Sup p ly   The  po wer su pply de sig n  i s  a  cruci a l p a rt  of  thi s  p r og ra m. Wi rele ss  sensor net works can  adopt two p o w er source  m ode s: ba ttery  power  or  bo otstrap  po we r [17]. As the  power fail ure   o f   high-volta ge  swit chg ear won’t o ccu d u ring  op erati on an d it i s   impossibl e to  exch ange  the  battery, the  b a ttery po we can’t  gua rant ee the  lon g -t erm  wo rk of  n ode s. Th eref ore, thi s   pro g r am  adopt s the  b ootstra p p o wer  sup p ly, which  mea n a sm all  cu rre nt obtain ed f r om th cont act  according  to the ele c troma gnetic th eo ry will go   thro ug h the front-e n d  impa ct p r ot ection  mod u l e rectifie r filter module, over-v oltage an d over-cu r rent prote c ti on mo dule, step -do w n mod u le, and   DC/ DC mo du le, who s e sy stem block dia g ram i s  sh own in Figure 8. Since ca st a nd pa ckage d in  epoxy  re sin and  then set arou nd  the contact  a r m,  the boot stra power  sup p ly module i s   safe   and reli able.         Figure 8  Hi gh-p r e s sure self with the powe r  syste m  block dia g ra Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  4963 – 49 72   4968 (1) T he Ha rd ware De sig n  of the Current  Tran sform e   The ove r all  d e sig n   con s i s ts of th ree  pa rts:  the  cu rre n t  tran sforme r,  the p o st-pro ce ssi ng   prote c tive ci rcuit an d the  battery charg e  and   disch a r ge m odul e. Its blo c k diag ram is  sh own  in   Figure 8. In the de sign of  the cu rre nt transfo rm e r , a m orp hou s m a terial i s  ch o s en fo r the iron   core, which i s  retra c tabl e. The  cu rrent  tran sfor m e r is in stalle in the p r ima r y side  of hig h   pre s sure, an d the current  prod uced by  the mut ual i ndu ctan ce  would g o  thro u gh the front-end  impact p r ote c tion modul e, the re ctifier filter mo dul e, th e over-voltag e  and ove r -cu rre nt prote c ti on  module, the  antihyperte nsive module a nd the  DC/DC mod u le. When the  cu rrent throu gh t h e   prima r y side  of high pre ssure is  so sma ll that  the induce d  voltage can not meet the requi rem ent  of the operati ng voltage of  the  m onitori ng equipm ent , the design  of the  circuit  will automatically  swit ch into the battery power to meet the deman ds; while the current throug h the prima r y si de of  high p r e s sure is so big that the indu ced volt ag e is more than  the operatin g voltage of the   monitori ng e quipme n t, the stabl e an d  safe o p e r ati on of the m onitorin g  eq u i pment  can  be  maintaine d  b y  the over-vol tage and ove r -curre nt  prot ection mo dul e, i.e., it can cha r ge a nd st ore  power for the  battery with the cha r ge a nd disc ha rg e  module so t hat it can be  used when t h e   indu ced  po wer i s  not a d e quate e nou g h . If short  ci rcuiting  occu rs in th e pri m ary si de, tra n s ient  curre n t may reach ten s  of  kA and i n rush cu rrent  will  be produ ce d i n  the current  transfo rme r but  with m u ltiple  prote c tion  of  front imp a ct   prote c ti on  ci rcuit a s  well  as th e foll owi ng  circuit s , DC  voltage of 5V can b e  output  completely a nd stably.   The st ru ctura l  desi gn of th e rea r   stage  prote c tion p o r tion is  sh own in Figu re 9.  The rear  stage  processing  mod u le i s   con n e c ted t o  the  cu rre nt transfo rme r  a nd  the   re ar st age prote c tio n   portion  co nsi s ts of a fro n t-end im pa ct prote c tion  m odule, the re ctifier filter m odule, the ov er- voltage over-curre nt prote c tion mod u le,  the  buck mo dule an d DC/ DC mo dule.  The front -imp act  prote c tion  m odule co mpri se the ca pa citor C1   and   the TVS tube  D1  and  D2; the re ctifier fil t er  module i s  m ade u p  of the re ctifier  b r idge  by  dio de D3, D4,  D5 a nd  D6,  and el ectrol ytic   cap a cito rs  C2 and C3 to achi eve the AC-to-DC  co nversi on; the  buck mo dul e, formed by the   voltage conv ersi on  chip and resi sto r R1 a nd R2 , make s the  co nversi on from  voltage 6V-7 5V  to 5V; the  DC/ DC mod u le, compo s ed of th ca pacito r   C4,  C5, di ode  D7 an d el ectrolytic  cap a cito r C8,  can stably o u tput DC voltage of 5V;  th e over-voltag e  and over -current prote c t i on   module, conn ected to the output te rmin al of the rectifier bridg e   an d the output terminal of the   DC/ DC m o d u le, provid es the prote c ti on for it self and the m o n i toring e quip m ent. The o v er- voltage  a nd over-cu r rent prote c tion   m odule   is ma d e  up  of  diod e D8-D13,  re sisto r R3-R12,  cap a cito rs C7 an C8, th e MOS tu be  T1, o peratio nal am plifier  U1  and  U2 t o  a c hieve  ov er- voltage and o v er-curre nt protection.       Figure 9. Backsta ge Prote c tion Circuit       4. Testing o f  Sy stem Performance    4.1. Experiments a nd Da ta Analy s is o f  High-v o ltag e Boo t strap  Po w e r   The physi cal  map of obtaining po wer from t he curre n t transfo rme r  is sho w n in  Figure   10,  in whi c h the  sensors and  hi gh -voltage b ootst ra p po we r pa ckag e is cast  and p a cka g e d  in   epoxy resin   and th en  set  around  the   conta c t a r m.  Amorph ou material  is chosen fo r th e  iro n   core, who s circula r  unit s  are 61/7 0 /10,  and the diam eter of enam eled wi re is 0. 23mm.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re sea r ch on  Zigbee  Network T e m perat ure Sen s o r  in  Intelligent Hi gh-voltag e…  (Hu ang Xin - b o 4969 The primary side  current  of t he intelligent substation is  so  unstable  that current  may  vary from  do zens of am ps to t hou sa nd of amp s . In o r de r to m a ke  the wi rele ss  netwo rk sen s ors  work prope rly with th sm all current  an d p r event th e  dam age  to t he  wirel e ss n e twork sen s o r becau se of the high volta ge of  the seconda ry side current, the  testing ha s bee n carried o u t on  the se con dary side cu rrent  voltage in mutual indu ct a n ce in the la b o rato ry, to make  sure wh e t her   the wirel e ss n e twork temp e r atur e se nsor can still wo rk stably and re liably when th e prima r y sid e   curre n t rea c h e s 40A -15 0 0 A . The experi m ental site  of  mutual indu ctance i s  sh own in Figure 11           Figure 10. Physical Ma p of the Curre n t Fiel d   Figure 11. Mutual Indu cta n ce Ele c tri c al   Tran sfo r mer                                             After a peri o d of experim ental ob se rva t ion, it  is foun d that with th e gra dual i n crea se of  the prima r y side cu rre nt, the mutual in ducta nce co il  tends to be saturate d. Hence, it can be   inferred that, whe n  the pri m ary sid e  cu rre nt is  too bi g, the temperature  sen s o r  of the wirel e ss  netwo rk will  n o t be  dam ag ed. It pr oves that  the wirel e ss  n e two r t e mpe r ature sensor ca n wo rk   stably an reliably when  the intellig e n t su bstatio n  take s p o we r with  the m u tual ind u cta n ce  module. System perfo rm ance testin g  of po wer- ta king  with m u tual ind u cta n ce  ca n be  is  illustrated in Table 1.        Table 1. Mutu al Inducta nce  Electrical Te sting Data   Primar y  cur r ent () A/AC   Secondar y  side c u rrent  (mA/AC)   Secondar y  side v o ltage  (V/AC)   Remark   20 45.2  1.44  The secondar y side of the  30 ohm resistor i n  series  60 110.25   2.98  100 136.85   3.23  150 172.5   3.67  200 189.2   3.85  300 223.25   4.36  400 242.76   4.74  500 264.3   4.98  600 279.63   5.28  700 300.26   5.52  800 314.51   5.74  900 330.34   6.01  1000  342.43   6.20  1100  351.58   6.35  1200  358.8   6.49  1300  361.35   6.57  1400  365.13   6.72  1500  367.26   6.79      4.2. Wireless  Temperatur e Sensor Te mperatu r e M easur e ment  Accu racy  Ex periments   In order to a c hieve the cov e rag e  of the m easurement  points of the prima r y equip m ent o f   the entire hig h -voltage  swi t chge ar, the  wirel e ss  tem peratu r sen s or  accu ra cy testing mu st be   carrie d out.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  4963 – 49 72   4970 In the experiment, three wireles s  temper ature  sensor  mod u l e s (em p loye in  th e   temperature  acq u isitio a nd  tra n smi s si on) and a  sin k  no de  (u sed  to re ceive  3-way temp erat ure  data an d to  sen d  to the  compute r) a r e  involved to netwo rk  with  a star to polo g y to simulat e  a  small  wirele ss temp erat ure sensor net work, in   whi c h wi rele ss te mperature  se nso r   can  be  put  into the high  and lo w temp eratu r e te st chambe after  taking  po wer,  and the tem peratu r of the   test cha m be r ca n be ad justed by th e cont rolle r on it after 3 0  minute s  for tempe r atu r e   stabili zation  and then the  data of the wirele ss tem p e r ature se nsor can b e  ob se rved. Figu re  12  sho w s the hi gh and lo w te mperature m onitorin g  te st cham be r, an d Figure 13 i s  Zigbe e wi re less   receiver m o d u le, in whi c h  the tempera t ure data  acquire d from t he co nver ge nt note of a sin k   node  and a  USB circuit b oard  ca n be  sent to the  USB  serial  boa rd throug h the se rial p o rts,  the   then the tem peratu r data  will be t r an smitted to  the  comp uter th rough  a USB  port. In this  way,  the quality of wirele ss temperature  se nso r  as  we ll  as the accu racy of wi rel e ss tempe r at ure   sen s o r will b e  tested by o b se rving the  operati on of the Zigbe e wi reless re ceive r  modul e.            Figure 12. Hi gh and L o w T e mpe r ature Modul e   Figure 13. Zigbee  Wirel e ss Re ceive r   Monitori ng of the Test Cha m ber                                  Table  2  sh ows the  temp erature  value s   uploa ded  by t h ree  wi rel e ss tempe r atu r sen s o r in the hig h  an d low te mpe r ature te st cha m ber  (No.1,  No.2 a nd  No. 3 ). The  temp eratu r rang e  of  the high and  low tempe r ature is  -50 Ԩ ~1 20 Ԩ . Wi th the calibration of the wirel e ss net work  temperature  sen s o r , it turns out to be preci s e an d the  measu r em en t erro r is lowe r than 1° C.       Table 2. Tem peratu r e Me a s ureme n t Dat a   Test Chambe Temper ature ( Ԩ The 1st monitori ng  temperatu r e ( Ԩ The 2nd Mo nitoring  Temper ature ( Ԩ The 3rd  Monitori ng  Temper ature ( Ԩ -40  -40.2   -39.8   -39.8   -20  -20.1   -19.9   -19.6   0 -0.4   0.3  0.2  20 19.9  20.0  20.4  40 40.1  40.6  40.5  60 60.2  59.4  60.8  80 80.3  79.8  79.6  100 100.2   100.5   100.7       4.3. Testing  Experiments  on Zigbee Wirel ess  Ne tw o r k Tra n s m ission Packet Lo ss Ra te   In ord e r to m easure th e transmi ssion  d i stan ce of th e wi rele ss m odule  accu rat e ly, the   test  on   com m unication d i stan ce between points  of wirele ss  netwo rk tem peratu r e  sen s or,  con s id erin g the influen ce of the external  environmental fa ctors,  is co ndu cted,  wh ose   experim ental  appa ratu s a nd process  are the  sam e   as the te st  on the a c cu racy of  wirel e ss  temperature   sen s o r . The   test sh ows t hat the pa cket loss rate i s  smalle r th an 2%  withi n   a   distan ce of 1 00 meters. T he re sults a r e  sho w n in Ta ble 3.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re sea r ch on  Zigbee  Network T e m perat ure Sen s o r  in  Intelligent Hi gh-voltag e…  (Hu ang Xin - b o 4971 Table 3. Co m m unication Di stan ce Te st Data   Tes t   distance  Packet  length  Send the packag e   number   No. 1, packet loss  rate   No. 2, packet loss  rate   No. 3, packet loss  rate   10  20B y t es   500  0%  0%  0%   30  20B y t es   500  0%  0%  0%   50  20B y t es   500  0%  0%  0%   70  20B y t es   500  0%  0%  0%   90  20B y t es   500  0.3%  0.2%  0.2%   110  20B y t es   500  0.4%  0.5%  0.5%       It can  be  dra w n f r om th test of th e a c cura cy  and   the tra n smi ssion di stan ce   of the   wirel e ss tem peratu r sen s or th at the wirel e ss  tem peratu r sen s or  ca n a ccu rately monito r th e   measured te mperature  st ate, and m a in tain a go od  a nd sta b le  co mmuni cation  efficien cy wit h in a  distan ce of  100 mete rs t o  meet the deman ds  of  the online te mperature m onitorin g  of the   intelligent sub s tation eq uip m ents for the  accura cy an d  the stability of data commu nicatio n s.       5. Running  Resul t s and  Data   This syste m  has bee n su cce ssfully  a ppl ied  in  T ang  Shan Hon gqi ao  sub s tation who s e   operation is  stable and  reli able. Its insta llation is  sho w n in Fig u re  14 and Fi gure 15. Each  switch   cabi net layou t s 9 Zigbe e sensor no de s for testin the temperature  of the joint co nne cting swit ch  conta c t with  busbar, an d all the Zigbe e sen s o r  nod es in the dist ribution  room  form the Zigbee   netwo rk. Zi gb ee sen s or  no de is i n  the d o rma n t st ate i n  most  of the  time, and it  woul d be  awake  every 10  se cond s (th e  int e rval  can  be  set) to   re ad  the sen s or tempe r ature v a lue s  an d se nd   them o u t. Th e wi rele ss  re ceiver mo dul e can  re ceiv e an sen d   out the  data   to the m onito ring  host through t he se rial po rt.            Figure 14. Zigbee Sen s o r   Nod e s In stall a tion   Figure 15. Monitorin g  Ho st Installation                          Figure 16. Th ree Te mpe r at ure Data of Switch gea r A, B, C  34 .0 0 34 .5 0 35 .0 0 35 .5 0 36 .0 0 36 .5 0 37 .0 0   2 0 12- 9-1   2 0 12- 9-1   2 0 12- 9-1   2 0 12- 9-1   2 0 12- 9-1   2 0 12- 9-1   2 0 12- 9-1   2 0 12- 9-1   2 0 12- 9-1   2 0 12- 9-1   2 0 12- 9-1   2 0 12- 9-1   2 0 12- 9-1   2 0 12- 9-1   2 0 12- 9-1   2 0 12- 9-1   2 0 12- 9-1   2 0 12- 9-1 M o n i t o r i n g     t i m e T e m p errat u re( ℃) Li n e  A  p h a s e  b u s b ar  t e m p er at u r e L i ne  A  pha s e  ou t g oi ng  b u s b a r t e m p er at u r e 34. 00 34. 50 35. 00 35. 50 36. 00 36. 50 37. 00  2 012- 9-10    2 012- 9-10    2 012- 9-10    2 012- 9-11    2 012- 9-11    2 012- 9-11    2 012- 9-12    2 012- 9-12    2 012- 9-12    2 012- 9-13    2 012- 9-13    2 012- 9-13    2 012- 9-14    2 012- 9-14    2 012- 9-14    2 012- 9-15    2 012- 9-15    2 012- 9-15   M o ni to r i n g    ti me T e m p e r atu r e( ℃) L i ne   B  pha s e  b u s b a r   t e m p e r a t u r e L i ne   B  pha s e  ou t g o i ng  b u s b a r t e m p er at u r e 34.00 34.50 35.00 35.50 36.00 36.50 37.00  20 12-9 -10   20 12-9 -10   20 12-9 -10   20 12-9 -11   20 12-9 -11   20 12-9 -11   20 12-9 -12   20 12-9 -12   20 12-9 -12   20 12-9 -13   20 12-9 -13   20 12-9 -13   20 12-9 -14   20 12-9 -14   20 12-9 -14   20 12-9 -15   20 12-9 -15   20 12-9 -15  M oni t o r i ng   t i m e T e m p er at u r e (℃) L i ne  C  pha s e  b u s b a r  t e m p e r a t u r e L i ne  C  pha s e  ou t g oi ng  b u s b a r t e m p er at u r e Zigbee  Sensor   nodes  Monitoring   host  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  4963 – 49 72   4972 Run n ing in m o re than on e year, Zigbee  wirel e ss com m unication m odule can a c curately  transmit data ;  monitorin g   host  can  re ceive proc ess  and u p loa d  the data  to th e ho st comp uter;  and the ho st comp uter exp e rt so ftware  works prope rl y. Figure 16 i s  the interfa c e diagram of the  recorded tem peratu r e ri se  curve.      Acco rdi ng to t he ab ove an a l ysis of th e o per atin g data,  the ap plicati on of Zig bee  netwo rk  sen s o r s i n  th e intelligent  high-volta ge  swit chg ear   can effectively  solve  the problem of switch  cabi net data  commu nication. It has the ch ara c te ri stics of thorough i s ol atio n, stron g  an ti- interference ability,  low cost,  si mple  structure and strong stabili ty etc. to achieve real -time  monitori ng  of high -voltage  switch gea conta c ts an d  insi de tem p eratu r e, a n d  acquires th e   function  of g i ving ea rly warnin gs and   alarm s   so  a s  to u pgrade  the safe op eration  of th e   swit chg ear.       6. Conclusio n   In view of the  urgent  dema nd of  tempe r ature   monito ring of  the  hig h -voltage   swi t chge ar  and the  cha r acteri stics  of  the proje c t fie l d, a  wi rele ss  tempe r ature monitori ng system  b a sed on   Zigbee te ch n o logy is p r e s ented in thi s  pape r to co ndu ct the monitorin g  of key points in  the   swit ch  ca bin e t so  that th e o c curren ce  of ma j o r a c cide nts  ca be p r eve n ted  effectively.  The  system i s   of low  co st, ea sy installation,  low  po wer consumption  i n  the te rmin al nod e, sta b l e   operation, an d stron g  eng ineeri ng  practicality and marketing va lue. In this prog ram, Zigb ee   netwo rk com m unication  works a s  the  core  of the   wi reless te mpe r ature  se nsor  netwo rk an in   combi nation  with a star t opolo g y network  stru ct ure, it provides the stabl e an d reliabl e da ta   transmissio n.    Referen ces   [1] L  Bal gar d L  Lun di n. Mon i torin g  Primar y C i rcuit T e mperatur e a nd  Breakers  Co n d itio n in  M V   Substations.  ABB Review.  19 93; (3): 21-26.   [2]  Z heng  Da oh o ng, L i u  Ni an,  Z hou  Lo ng xi a ng. H i gh   vo lta ge s w i t chg ear  contacts  opti c al fi ber sm art   temperatur e.  High-v o ltag e el e c trical ap pli anc es.  1995; 3 1 (4) :  37-39.   [3]  Cai W e i. Optic a l fib e r Brag gratin g temp erature  se nsor te chno log y  r e se arch. Master T hesis. W u h a n .   W uhan U n iver sit y  of T e chnol og y. 200 4.   [4]  Hua ng  Xi nb o. On-lin e mon i to ring  and f ault d i ag nosis  of tra n smissio n  l i ne.  F i rst Edition.  Beiji ng: C h in a   Electric Po w e r Press. 2000: 5- 15.   [5]  Den g   L e i-l e i, Z hang  Xi an. Z i gbe T e chn o lo g y   i n  Inte lli gent E l ectric   Leak ag e Prote c tion S y st e m   Applied Research.   T E LKOMNIKA Indo nes i an J our nal  of  Electrical  En gi neer ing .  20 13;  11( 8): 4 291- 429 5.  [6]  HAN L i -na. Z i g bee- base d  the  mine  perso nn el ma nag eme n t  s y stem d e sig n . Master thes i s . Shang ha i .   T ongji Univ ersi t y . 200 7.  [7]  X u  Rende. Researc h  and design of  w i r e less video access control s y stem bas ed on Zigbee  techno lo g y . Ma ster thesis. Na njin g. Nan jin Univers i t y . 2 0 0 8 [8]  W ang R an. Z i gbe w i r e l e ss  net w o rk ing t e c hno log y  t o   ac hiev e. Master  thesis, Jil i n. Jil i n U n ivers i t y ;   200 7.  [9]  Z hu Jia n h ua.  Z i gbe e 2 006 r e searc h  a nd a pplic atio of th e protoc ol stac k.  Master T hesis .Shan gh ai .   East Chin a Nor m al Univ ersit y ;  2007.   [10]  Z hang  Ho ngta o , Xul i an  Min g , Z han g Yi- w e n .  Ke y te ch nol o g ies  an d s y ste m  ap plic ations   of Internet  o f   T h ings. F i rst Editio n. Chin a Machi ne Press. 201 1: 30-4 5 .   [11]  Liu  Qing,  So ng  Li jun.  Stud o n  Z i g b e e  W i re l e ss Se nsor  Ne t.  Co mputer  D e vel o p m e n t a n d Ap plic atio n 200 8; 44(6): 44 -48.  [12]  Yin Z h il ian g , Li u W an-shu n  Y ang Qi xu n.  Process bus c o mmu n icati on r e searc h  bas ed  on IEC61 8 5 0   standar d.  Proceed ing  of the CSEE. 2005; 25( 8): 84-89.   [13]  W u  Z a i-Jun, HU Min-qi ang.  R e searc h  on a substatio n  auto m at ion s y stem base d  on lEC  618 50.  Power   System  Technology.  200 3; 27(10): 62- 65.   [14]  W ang Ra n, T a ng Do ng yi. Ach i ev em ent of Masterslav e Co mmunicati on A r chitecture Bas ed on  RS48 5 .   Moder n electro n ics T e chn i qu e .  2003; 24: 67- 71.   [15]  W u  Xia o  ran. Desig n  of  Z i gb ee S y st em Ba sed on MC 131 92.  Industria l Contro l Co mp uter.  2007;  2 4   (4): 19-20.   [16] Z heng hu Xi n,   Hong   L i Li an g y i Hu.  T he  R e searc h  on C C 25 30 No des  Commun i cati n g   w i t h   E a ch   Other Based  o n  W i reless.   T E LKOMNIKA Indon esia n Jo urnal  of El ectrica l  Engi ne erin g.  201 3; 11(1) :   430- 435.   [17]  Sha Yuz h o u , Qiu Ho ngh ui,  Xi on g Yin g . D e sig n  of Se lf-supp l y in g Po w e r Sour cu e Ap plie d i n  Hi g h   Voltag e Electro n ic S y st em.  High Volta ge Ap paratus.  20 07;  43(1): 21- 24.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.