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淺談無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)在低功耗開關(guān)柜中的應(yīng)用
點擊次數(shù)：1176 更新時間：2020-08-21

王蒙蒙

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

 

摘要：為了能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測高壓開關(guān)柜的溫度狀況，提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。設(shè)計的無線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)不僅解決了開關(guān)柜內(nèi)高溫、高壓、強電磁感應(yīng)等在惡劣環(huán)境下不易檢測的問題，而且從硬件選擇和軟件設(shè)計上實現(xiàn)超低功耗設(shè)計，能夠長時間實時監(jiān)測高壓開關(guān)柜溫度，很大程度上延長了無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)的壽命。

關(guān)鍵詞：開關(guān)柜；在線監(jiān)測；溫度；低功耗；無線

0 引言

       高壓開關(guān)柜作為發(fā)電廠及變電站中的重要設(shè)備，起到通斷、保護和控制等作用。[1]目前普遍使用小車式開關(guān)柜，開關(guān)柜與斷 路器之間均采用動、靜觸頭連接，在動、靜觸點接觸時，二者之間存在一個接觸電阻，電流流過會引起觸點的發(fā)熱。由于小車與開關(guān)柜因制造、運輸或安裝可能出現(xiàn)問題，或使用過程中發(fā)生氧化或腐蝕，都有可能引起觸頭接觸不良，造成接觸電阻增大等現(xiàn)象。過大的接觸電阻將導致觸頭溫度升高，發(fā)展到一定程度可能燒毀觸頭，造成停電，甚至引起火災等嚴重事故。在長期運行過程中，觸電和母線排連接處也可能因為老化或接觸電阻過大而發(fā)熱，而這些位置的發(fā)熱也有可能導致火災事故。

        綜上所述，及時發(fā)現(xiàn)并處理開關(guān)柜觸頭過熱問題是防止此類事故發(fā)生的關(guān)鍵。由于開關(guān)柜處于高壓環(huán)境、空間狹小、結(jié)構(gòu)復雜，人工巡檢存在很大困難和局限性，不能實時監(jiān)測和提前預警。因此開發(fā)一套結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，操作方便，成本低廉的開關(guān)柜觸頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時測量和監(jiān)視高壓開關(guān)柜內(nèi)的溫度變化，預測可能引起火災或故障的局部過熱情況， 在故障發(fā)生之前發(fā)出警報和檢修建議，是避免事故發(fā)生、控制故障惡化的有效手段，對于保證高壓開關(guān)柜的正常運行，提高電力系統(tǒng)運行的可靠性有著非常重要的意義。[2-3]為了解決上述問題，本文提出了基于超低功耗的無線測溫系統(tǒng)[4-6]，基于開關(guān)柜自身的特點設(shè)計了低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實現(xiàn)了超低功耗長時間工作的無線測溫系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

        系統(tǒng)分為兩個部分，即無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)和上位機監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。 

        無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：無線傳感器節(jié)點分為溫敏電阻傳感器節(jié)點與數(shù)字溫濕度傳感器節(jié)點兩種，溫敏電阻傳感器節(jié)點根據(jù)主節(jié)點分配的時隙進行定時發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)字溫濕度傳感器節(jié)點以相同時間間隔發(fā)送數(shù)據(jù)，兩種傳感器均通過無線芯片將溫度值發(fā)送給主節(jié)點，構(gòu)成一對多的星型網(wǎng)絡(luò)。

        上位機監(jiān)控系統(tǒng)：無線主節(jié)點通過RS232串口將數(shù)據(jù)發(fā)送位機，上位機軟件由LabVIEW開發(fā)，可監(jiān)控整個變電站中開關(guān)柜的溫度狀態(tài)，一旦出現(xiàn)溫度過高便進行聲光報警，并對數(shù)據(jù)進行存儲，方便管理和歷史查詢。

圖1 測溫系統(tǒng)總框圖

2 無線測溫節(jié)點設(shè)計

       從降低節(jié)點功耗和簡化節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)等角度考慮，本文基于低功耗處理器PIC16LF726和集成射頻芯片CC1101設(shè)計了溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。溫度傳感器采用溫敏電阻傳感器，該傳感器不受周圍電場、磁場等干擾，自身不需要電源供電，利用單片機IO 控制和AD采集傳感器分壓值監(jiān)測節(jié)點電壓。PIC16LF726對溫度傳感器進行采集，進行簡單的數(shù)據(jù)處理后由SPI發(fā)送至低功 耗集成射頻芯片CC1101，由CC1101進行無線數(shù)據(jù)傳輸。無線傳感器節(jié)點硬件框架如圖2所示。

PIC16F726的工作電壓范圍較寬，支持1.8V-3.6V的運行電壓，電容充放電壓電量不穩(wěn)的情況下也可以正常工作。在1MHz 待機電流典型值為60nA。

圖2 傳感器節(jié)點硬件框架

        CC1101是美TI公司推出的一款低功耗、體積小、靈敏度高、集成度高、多通道的無線收發(fā)芯片，CC1101芯片供電電壓為1.8V-3.6V，其靈敏度為-110dBm，在所有的工作頻段上，可編程輸出功率為-30～10dBm。CC1101還為數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、清除信道評估、連接質(zhì)量指示和電磁波激發(fā)提供廣泛的硬件支持。

       無線測溫節(jié)點采用超級電容與電池配合供電的方式，保證了傳感器節(jié)點可以長期穩(wěn)定工作，電容供電降低了對電池容量的要求。電池容量的降低不僅縮減了整個模塊的尺寸，還減少了電池爆破等情況造成的安全隱患。

       無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用一對多的方式構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)，由于無線溫度節(jié)點電源容量有限，大多數(shù)時間均處于睡眠狀態(tài)，平均發(fā)送周期較長，發(fā)送間隔由主節(jié)點分配。主節(jié)點長期處于接收狀態(tài)，實時接收溫敏電阻傳感器節(jié)點及溫濕度傳感器節(jié)點發(fā)送的溫濕度信息。當接收到溫敏電阻傳感器節(jié)點的信息后，主節(jié)點將根據(jù)當前的溫敏電阻傳感器節(jié)點數(shù)目及上個節(jié)點到來的時間為傳感器計算下次傳送的時隙，并向子節(jié)點發(fā)送包含時隙信息的應(yīng)答信息。當接收到溫濕度傳感器節(jié)點的信息后，主節(jié)點將回復應(yīng)答信息防止多次發(fā)送。

        主節(jié)點接收到節(jié)點上傳的溫度信息后立即通過RS232串口將數(shù)據(jù)發(fā)送位機，由上位機軟件統(tǒng)一進行顯示、存儲、報警。上位機還可向主節(jié)點主動發(fā)送命令信息，以改變網(wǎng)絡(luò)上傳周期等參數(shù)。

3 低功耗實驗結(jié)果分析

3.1 PIC單片機功耗分析

    （1）待機電流：-2.0V時典型值為60nA。

    （2）工作電流：32kHz、2.0V時典型值為7.0μA；1MHz、2.0V時典型值為110μA。

    （3）低功耗看門狗定時器電流：-1.8V時典型值為0.5μA。

    （4）看門狗消耗電流：500nA。

    （5）BOR消耗電流：8μA，睡眠可以關(guān)閉。

    （6）上拉電阻會消耗20多μA的電流，運行中注意合理配 置單片機內(nèi)置的上拉電阻—禁止上拉電阻。

    （7）下載引腳有一個10k電阻，需要合理配置RE3引腳， 防止產(chǎn)生泄漏電流。

     使能開門狗，關(guān)閉BOR，對單片機在不同工作速率下運行的功耗進行測試，測試結(jié)果如表1所示。

表 1  PIC 不同工作速率下運行的功耗

       測試表明，CPU運行速度越快，單片機功耗越大，適當降低CPU運行速度可降低單片機功耗。

3.2 CC1101功耗分析 

    （1）掉電模式：關(guān)閉XOSC，芯片寄存器值保存，此時功耗為0.2μA，在WOR狀態(tài)中的sleep階段，功耗為0.5μA。不關(guān)閉XOSC，芯片寄存器值保存，此時功耗為100μA。

    （2）IDLE模式：IDLE狀態(tài)為CC1101的過渡狀態(tài)，此時功耗為1.7mA。

    （3）由IDLE向RX或TX轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換過程中將進行自動頻率校準，平均功耗為8.4mA。

    （4）手動頻率校準：平均功耗為8.4mA。

    （5）發(fā)送/接收溢出狀態(tài)：平均功耗為1.7mA。

    （6）接收狀態(tài)（433M）：當接收速率為1. 2 K時，功耗為 15mA；當接收速率為38.4K時，功耗為15mA；當接收速率為250K時，功耗為15.7mA。

    （7）發(fā)送狀態(tài)（433M）：發(fā)送功率為+10 dBm時，功耗為29.2mA；當發(fā)送功率為0dBm時，功耗為16.0mA；當發(fā)送功率為-10dBm時，功耗為13.1mA。

     CC1101發(fā)送功耗包括四個部分：配置寄存器狀態(tài)功耗、IDLE轉(zhuǎn)發(fā)送狀態(tài)功耗、時鐘自校準狀態(tài)功耗、發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)功耗。

      在這四個部分里，IDLE轉(zhuǎn)發(fā)送狀態(tài)時間較短，約為80μs， 自動時鐘校準時間不受PIC單片機運行速度影響，約占800μs， 功耗電流在10mA左右。

      配置寄存器狀態(tài)時間受CPU速度、SPI速度、發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)、前導碼字節(jié)數(shù)、同步字節(jié)數(shù)影響。將前導碼同步字與發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)固定，改變CPU與SPI速度，測試CPU與SPI速度對功耗的影響，測試結(jié)果如表2所示。

表 2 配置寄存器狀態(tài)時間（ms）

       測試表明，CPU運行速度越快，轉(zhuǎn)換速度越快，SPI速度越快，轉(zhuǎn)換速度越快。

       對于發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)而言，僅與傳輸頻帶與數(shù)據(jù)發(fā)送速率有關(guān)，調(diào)整CPU與SPI分頻基本不會影響其速度。

       無線發(fā)送狀態(tài)是節(jié)點功耗很大的一部分，通過調(diào)整無線模塊的發(fā)射功率，也可以進一步降低節(jié)點整體功耗。

       綜合以上測試結(jié)果，將本系統(tǒng)MCU速度配置為8M，SPI配置為4分頻，發(fā)射功率為階梯功耗發(fā)射模式。將CPU速度配置為8M是為了平衡CPU功耗與無線發(fā)送功耗，又保證了CPU工作 穩(wěn)定性。T波為梯形波，平均功耗低但通信效果好，符合低功耗要求。

       平均電流=（待機電流×時間+工作時間×電流+看門狗醒的時間×電流）/總時間 

       周期時間是12min，12×60×1000=720000ms；

       看門狗12分鐘醒30×12=360次，工作電流按照3mA計；

       PIC單片機工作時間：t=360×20us=7200us=7.2ms；

       CC1101工作時間：t=3.2ms，工作電流12mA計；

       總的時間電流積為：720000×0.01mA+7.2×3mA+3.2×12mA=7200+21.6+36.24=7257mA×ms

       平均電流：7257/720000=10.08uA

       由于無線測溫模塊供電是利用耦合線圈從母線上實時取電，之后存儲在超級電容里，從而保證了無線測溫模塊供電的可靠性和性。當設(shè)備停電時，可以利用無線模塊自身的電池供電，保證無線測溫系統(tǒng)在任何狀態(tài)下都能可靠工作。

4 安科瑞無線測溫系統(tǒng)介紹及選型

      安科瑞無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)當前無線測溫系統(tǒng)的要求，在廣泛征求用戶和專家意見的基礎(chǔ)上,充分吸收當前內(nèi)外廠家的成功案例，并結(jié)合安科瑞多年來的豐富經(jīng)驗，采用面向?qū)ο蟮姆謱臃植际皆O(shè)計思想，結(jié)合自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)而設(shè)計的一款專業(yè)的無線測溫軟件。

4.1 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

      Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)通過RS485總線或以太網(wǎng)與間隔層的設(shè)備直接進行通信（如圖2），系統(tǒng)設(shè)計遵循標準Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規(guī)約，安全性、可靠性和開放性都得到了很大地提高。

      Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)具有遙信、遙測、遙控、遙調(diào)、遙設(shè)、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能?？梢员O(jiān)控無線測溫系統(tǒng)的設(shè)備運行狀況，實現(xiàn)快速報警響應(yīng)，預防嚴重故障發(fā)生。

      Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)主要特點是開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件兼容性強，軟件移植性好，應(yīng)用功能豐富。該系統(tǒng)具有強大的處理能力，快速的事件響應(yīng)，友好的人機界面，方便的擴充手段。其軟件系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)軟件工程的設(shè)計規(guī)范,模塊劃分合理，接口簡捷明了，主要包括主控模塊、人機界面、圖形組態(tài)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、通信管理等幾大模塊。

圖2 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.2 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)功能

■實時監(jiān)測

       Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控軟件人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)及有關(guān)故障、告警等信息

■溫度查詢

      溫度歷史曲線（1分鐘、5分鐘、60分鐘可選）

■運行報表

      查詢各回路設(shè)備運行溫度報表.

■實時報警

       壁掛式無線測溫監(jiān)控設(shè)備具有實時報警功能，設(shè)備能夠?qū)囟仍较薜仁录l(fā)出告警。

■設(shè)備提供以下凡種告式：

       a.彈岀事件報驚窗口.

       b.實時語音報警功能，能夠?qū)λ惺录l(fā)出語音告警.

       C.短信吿警，可以向發(fā)送吿警信息短信（需選配）.

■歷史告警査詢

        Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ袇叹录涗涍M行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)和告警等事件進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

■用戶權(quán)限管理

       Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。

通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)的操作（如數(shù)據(jù)庫修改等）?？梢远x不同級別用戶的 登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

■定值設(shè)置

      用于修改高溫定值、超溫定值。

■WEB（可選）

      展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息， 設(shè)備溫度、通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。頁顯示場站的變壓器數(shù)量、回路個數(shù)、有功功率、無功功率、用電量、事件記錄等概況信息，可通過實時監(jiān)控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。

     實時數(shù)據(jù)曲線可監(jiān)測各個回路的測點溫度、電壓、電流、功率曲線信息。

     接線圖頁面通過一次圖實時反映電氣參數(shù)變化，包括測量量、信號量等信息（信號量 需要斷路器提供輔助觸點支持）。

能耗統(tǒng)計頁面顯示各回路的功率峰值和用電量峰值，功率、電能趨勢曲線，電能環(huán)比，用電。

運維管理\通信狀態(tài)顯示監(jiān)測接入系統(tǒng)設(shè)備的通信狀態(tài)。

■APP（可選）

      設(shè)備數(shù)據(jù)員面顯示各設(shè)備的電參量數(shù)據(jù)、溫 度數(shù)據(jù)以及曲線。

4.3 安科瑞ARTM系列無線測溫終端產(chǎn)品選型

       安科瑞電氣接點無線測溫方案由無線溫度傳感器、收發(fā)器、顯示單元組成。溫度傳感器直接安裝于斷路器動觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發(fā)熱接點，將測溫數(shù)據(jù)通過無線射頻技術(shù)傳至接收裝置，再由接收器485通訊至測溫終端或無線測溫系統(tǒng)（如圖3）。

圖3 電氣接點在線測溫結(jié)構(gòu)圖

4.3.1 安科瑞無線溫度傳感器

      無線溫度傳感器共有5種，分別對應(yīng)螺栓固定、表帶固定、扎帶捆綁、合金片固定等安裝方式。針對不同的變電站要求，可根據(jù)傳感器供電方式以及安裝位置的不同，考慮安裝方便的因素，選擇相匹配的傳感器。

 

4.3.2 安科瑞無線收發(fā)器

       無線測溫收發(fā)器共有3種，通過無線射頻方式接收溫度數(shù)據(jù)。收發(fā)器根據(jù)不同的傳感器型號進行匹配，同時傳感器的傳輸距離決定接收裝置能否多柜接收。

4.3.3 安科瑞顯示終端

      顯示裝置通過RS485連接收發(fā)器，可嵌入式安裝于柜體上，若柜體開孔不便，也可選擇壁掛式安裝于配電室內(nèi)。方便操作人員現(xiàn)場及時查看電氣節(jié)點實時溫度的同時，也可以通過RS485或以太網(wǎng)通訊的方式在后臺系統(tǒng)查看現(xiàn)場情況。

 

5 結(jié)語

       在高壓輸電線路架設(shè)成功之后不能盲目投入使用，要對前面提到的分支工程一一進行檢測，及時發(fā)現(xiàn)線路中出現(xiàn)的問題。在投入使用之后也要時刻注意電力傳輸過程中出現(xiàn)的問題，并及時解決，做好記錄，總結(jié)經(jīng)驗，完善線路設(shè)計和施工方案。高壓輸電線路的設(shè)計與施工仍然需要深入研究，如何合理、經(jīng)濟進行線路施工仍需要經(jīng)驗的總結(jié)和不斷的學習，這樣才能推進電力事業(yè)的進步。

 

【參考文獻】

       [1]徐東晟,許一聲.高壓開關(guān)柜觸頭溫度在線監(jiān)測的研究 [J].高壓電器，2001，37（1）：54-55.

       [2]何建峰，王學敏.基于低功耗的開關(guān)柜無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)研制與應(yīng)用.

       [3]安科瑞用戶變電站綜合自動化與運維解決方案   2020.05版

 

作者簡介：王蒙蒙，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事無線測溫系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。