低壓合金電纜運行狀態在線監測系統設計

林文鍵 蔡曉榆 郭謀發 楊耿杰 梁佳昌

(1.福建省石獅電力有限責任公司，福建 泉州 362700；2.福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108)

隨著城鄉用電負荷的增加，低壓配電網使用的銅心電纜需求量增大，而近幾年銅資源緊缺，其價格也持續上升，減少電纜成本、降低線路損耗、提高性價比已成為選擇低壓電纜的重要因素。鋁合金電纜用于負荷傳輸和配送，提供了良好的強度和傳導率，可在滿足電氣性能的前提下大大降低成本。加鋁 Stabiloy 0.6/1kV鋁合金電纜在低壓配電網中逐步得到推廣和應用，在相同載流量下其重量僅為銅電纜的一半，其截面積為銅電纜的 1.5倍時兩者電氣性能一樣，同時可相應地降低安裝成本、減少設備和電纜的磨損；其次Stabiloy導體制造的電氣連接與銅導體制造的連接具有一樣的穩定性；其導體的合金成份大大改進了連接性能，尤其具有高強度抗蠕變性能，即使在長時間過載和過熱時也能保證連接穩定性[1-2]。

Stabiloy 0.6/1kV合金電纜剛進入市場不久，其在低壓配電網中的適應性應進一步研究，為驗證其導電能力、連接性能等情況，需對敷設于空氣中合金電纜的運行電壓、電流和接頭處溫度進行在線監測，并與傳統銅電纜做綜合比較，進而為低壓配電網電纜選型提供技術參考。電纜接頭的不良連接會造成接觸電阻過大，長期運行會因發熱過量而使絕緣逐步老化甚至燒穿，是最易發生的故障點[3]，因此，對合金電纜接頭溫度不間斷地監測和統計分析可有效驗證其連接性能，并結合電參數等數據可全面了解其運行狀況。常用的溫度監測方法有：紅外測溫、光纖測溫、無線測溫等。紅外測溫法為非接觸式測量方法，存在精度低、響應慢等缺點，且電纜敷設環境對測量準確度有較大影響[4]。光纖測溫為接觸式測溫，靈敏度好、響應快，但光纖系統的測量主機成本高、且需要布線，同樣易積塵的環境會影響光纖的絕緣性能[5]。無線測溫不受環境影響、靈活性強，適合于測量點多、集中性差的電纜接頭溫度測量。系統采用簡單、低成本的無線通信手段將電纜測量點溫度及相關運行參數上傳至供電所的監測計算機，實現合金電纜運行狀態的在線監測，可減少監測設備的維護，無需長期安排巡視檢查人員。

1 系統結構

結合實際情況，Stabiloy合金電纜在所選試點的公用變低壓側到綜合配電箱之間安裝，系統由無線測溫終端、電參數測量模塊，環境溫濕度監測模塊、通信管理模塊，以及監測計算機等構成，其結構圖如圖1所示。測溫終端與通信管理模塊之間采用基于 ZigBee協議棧的無線傳感網絡通信[6-7]，為2.4GHz Mesh網絡，該網絡容量大具有自組織、自愈能力強、網絡失效自恢復等特點；通信管理模塊與監測計算機間采用 GPRS網絡通信[8]，其核心是帶有通信接口的MCU和GRPS模塊，其中電纜運行的電壓、電流等電參數和環境溫濕度數據由通信管理終端獲取，電參數測量模塊選擇安裝在綜合配電箱處。綜合考慮合金電纜在所選試點的敷設位置，溫度傳感器可選擇安裝在銅與合金間的電氣接頭處，也可監測合金導線之間的連接點，通信管理模塊最多可接收9個測溫終端的溫度數據，分3個位置點監測3相電纜接頭溫度。

圖1 系統構成圖

2 硬件設計

2.1 無線測溫終端設計

合金電纜安裝于低壓用戶側，其運行的環境均未提供低壓工作電源，考慮測溫終端應對電纜接頭溫度長期監測以及安裝的方便性，宜選用電池供電方式。測溫終端硬件結構如圖2所示，由CPU、測溫元件、供電電源、無線通信模塊等組成。以低功耗單片機PIC16F690為CPU，該CPU帶1個UART接口和具有掉電保持功能的256字節EEPROM存儲器，該存儲器用于保存測溫終端的惟一地址編號。測溫元件的選取要求應能將溫度檢測、轉換和處理集成于一體，TI公司帶 SMBus接口的低耗電數字測溫元件TMP102采用I2C總線方式與CPU連接，可測溫度范圍-40～125℃，全量程測溫誤差為±1℃，在-25～+85℃范圍內測溫誤差為±0.5℃，分辨率為0.0625℃。其正常工作模式下的最大靜態電流為10μA，關機模式下則為1μA，工作電壓范圍寬，可選1.4～3.6V。終端的工作電源由兩節1000mAh鋰電池供應，受電池容量限制，應在設計過程中充分考慮低功耗設計，盡可能確保電池的使用壽命[9-10]。ZigBee無線通信模塊選用Digi公司的XBee ZB模塊，該模塊具有基于Mesh網的固件XB24-B、功能強大、性能穩定等優點，其工作電壓范圍為 2.1～3.6V，并可支持引腳休眠、定時休眠，其休眠電流小于1μA。XBee ZB模塊發送數據時功耗為1.25mW（+1dBm），傳輸距離可達100m。該模塊通過UART接口與CPU通信，數據通過無線通信模塊的輸入、輸出引腳以異步串行信號傳輸。

圖2 測溫終端結構圖

無線測溫終端的組裝采用黃綠紅3色高壓絕緣熱縮套管恢復絕緣，測溫元件TMP102用環氧樹脂整體封裝于紫銅管中構成測溫探頭，通過耐高溫導線與終端主電路板相連[11]。測溫探頭緊貼電纜接頭，可降低由空氣或外界對流引起的散熱，同時應對測溫終端進行固定，防止由于電纜熱膨脹引起測溫終端與電纜脫離。

2.2 通信管理模塊設計

通信管理模塊負責接收所選試點的電纜接頭溫度數據、獲取電纜運行電參數、監測環境溫濕度及數據集中后上傳至監測計算機，要求應具有多個通信接口，可采用的方案有 MCU擴展串口模塊或使用多串口 MCU模塊。綜合考慮了開發周期、成本及穩定性等因素，選用Rabbit公司的高性能微處理器—RCM 6760，該模塊的主要硬件資源有：6個（可配置）高速CMOS兼容的串口，1個以太網口、1MB程序 FLASH、4MB串行數據 FLASH，1MB快速SRAM，32個 GPIO，看門狗等，與外圍電路的接口采用 M iniPCI。通信管理模塊硬件結構如圖 3所示，RCM 6760的3個UART通過芯片MAX1487及光耦PC817提供3路帶隔離的RS485通信接口，1路同電參數測量模塊通信，1路同環境溫濕度監測模塊通信，1路作預留。

圖3 通信管理模塊硬件結構圖

圖3中與UART3連接的XBee Pro ZB為通信管理模塊的無線通信接口，考慮到電纜的敷設距離選用了增強型無線通信模塊XBee Pro ZB，該通信模塊功耗為60MW(+18 dBm)，傳輸距離可達500m，通過UART接口接收所選試點的多個測溫終端溫度數據，其參數設置同XBee ZB模塊。與UART4連接的 ME3000 GPRS為 GPRS模塊，該模塊與RCM 6760通信采用雙線模式，由 CPU的數字 I/O口線通過三級管放大驅動 GPRS模塊復位、啟動/關閉，其通信波特率可達115200bit/s,外圍電路主要包括 GPRS模塊供電與 SIM 卡。需要注意的是，GPRS模塊在工作時需要較大電流，為保證供電電流的穩定應使用專用供電芯片，如 M IC29302等，另外電路板的設計應考慮抗干擾等問題。

圖3中未畫出的1個UART口通過SP3232芯片實現RS232電平轉換，作為程序下載及調試接口，以太網接口可作預留，同時還擴展了2路帶隔離的開關量輸出，用于電纜接頭溫度越限告警。

2.3 電參數及溫濕度模塊設計

電參數測量模塊采用寧波三星電表，具體參數為：3×220/380V，三相四線，3×1.5(6)A，DTS(X)188(B)，精度：有功1級、無功2級，帶RS485通信接口，其通信協議采用DL/T 645-1997。

環境溫濕度的監測可采取將溫濕度傳感器直接與通信管理模塊的CPU連接，由RCM 6760一并完成傳感器溫濕度數據的采集。考慮到通信管理模塊已在設計上預留了多個通信接口，環境溫濕度監測模塊應獨立設計。選擇使用Microchip公司的16位單片機PIC24FJ64GA002作為CPU，該CPU帶有兩個UART接口，1個作為通信接口，1個作預留。傳感器選擇瑞士Sensirion公司生產的集溫濕度傳感器、放大電路、A/D轉換電路及存儲器于一體的數字傳感器芯片SHT11[12]，該芯片為二線數字接口，完全數字量輸出、無需微調，與CPU直接連接，外圍電路簡單，具有體積小、運行穩定性好等特點，其溫度可測范圍為-40～120℃，溫度測量精度為±0.4℃，濕度可測范圍為 0～100%，濕度測量精度為±0.3%。CPU的 1個 UART通過芯片 MAX1487及光耦PC817提供帶隔離RS485接口，能方便與通信管理模塊連接，485通信線加電源線可將溫濕度監測模塊外引，便于選擇適當的監測點。

3 軟件設計

3.1 無線通信模塊的軟件配置

ZigBee無線網絡由協調器、路由器和終端3種通信節點組成，通信管理模塊與各測溫終端的數據傳輸根據電纜的敷設距離可決定是否啟用路由器，該網絡應用于多試點多測量點的電纜頭溫度監測可相應地降低硬件成本，同時該協議使用方便，其復雜度低。通過Digi公司的配置軟件將通信管理模塊的XBee Pro ZB設置為協調器，測溫終端的XBee ZB模塊設置為終端節點，起路由功能的節點使用XBee ZB模塊并設置為路由器（可選擇不加入網絡）。無線通信網絡由協調器創建，當選擇一個PAN ID和信道后該網絡啟動并允許其他通信節點加入，已加入的通信節點為子節點，允許子節點加入的通信節點為父節點。利用配置軟件對 XBee模塊的通信模式及其他參數進行合理配置，主要的參數內容包括：網絡、地址、射頻RF接口、串行接口、休眠方式、I/O設置等。以下為系統用到的主要參數設置，其中通信模塊的數據傳輸方式均配置為API模式。

1）掃描信道。在創建網絡時，協調器首先進行通道的能量掃描，找出不同通道的 RF活動水平，避免協調器在高能量通道區組網，共有16個通道可設置，XBee Pro ZB模塊支持其中的14個。同樣，路由器和測溫終端加入網絡時，也要進行同樣的通道掃描。信道的掃描時間越久，功耗越大，通過禁掉一些不用的通道可縮短信道掃描時間，降低測溫終端的功耗。

2）目標地址。XBee模塊在出廠時已固化了一個64位的物理地址，在測溫終端成功加入網絡后，網絡會自動為其分配一個16位的網絡地址。

3）串口通信參數。包括：波特率、校驗方式、數據流控制等，數據通信波特率設置為9600bit/s，幀格式為8位數據位、無奇偶校驗位、1位停止位。

4）休眠模式。測溫終端采用電池供電應考慮其通信模塊的休眠控制，有4種模式供選擇，即不休眠、引腳休眠、定時休眠、定時+引腳休眠。本設計選擇引腳休眠，并由CPU控制。

5）I/O口設置。關閉測溫終端的XBee ZB模塊不用的引腳和復用功能。并通過軟件設置使CPU的I/O口狀態與XBee ZB模塊休眠時I/O口的實際狀態相一致，避免不必要的電流流動。

3.2 測溫終端軟件及溫濕度采集

考慮到 Stabiloy合金電纜的工作溫度不超過90℃，測溫終端軟件應結合電纜運行的情況設計合理溫度檢測及數據發送流程，并進一步考慮低功耗的設計。CPU采取每隔30s采集一次電纜接頭溫度，正常情況下設置5m in上傳一次數據，在滿足3種情況的任一條件下數據為即時傳輸，即當當前值比上次的溫度值高 2℃時上傳一次數據；或溫度超過80℃時立即上傳一次當前采樣值，后面仍為 5m in上傳一次；若溫度超過90℃時進入預警狀態，并設置為每完成一次溫度采集則立即上傳。為降低終端的運行功耗，CPU采用指令休眠，看門狗定時 30s喚醒，在滿足數據發送條件后通過 I/O引腳喚醒XBee ZB模塊，數據發送完成后自動轉入休眠模式。低功耗設計還考慮了關閉CPU端口未使用的功能，并將CPU未使用的引腳全部接地并置為輸入。測溫終端采用發送/無響應方式向通信管理模塊主動傳送數據，通信幀設計的內容主要包括4個字節的測溫終端地址，2個字節的溫度數據，以及用于判斷通信是否丟幀的1個字節幀計數器。

環境的溫度濕度信號由傳感器SHT11轉換成脈沖信號，通過I2C總線直接輸出數字量，并由CPU處理后按照一定的格式打包，CPU采取每3s采集一次溫濕度數據，并更新最近采集的10次數據做平均值計算，當收到通信管理模塊讀數據命令后取更新后的平均值作為應答。傳感器的工作時序及采集流程實現較簡單，在此不做詳述。

3.3 通信管理模塊軟件

通信管理模塊需完成多個通信口數據的組織處理，包括電纜接頭溫度、電參數等數據的采集、存儲和傳輸，若程序采取按固定的順序運行，則缺乏靈活性，任一通信數據異常都可能影響程序的執行效率，特別為通信管理模塊以等待接收的方式獲取電纜接頭溫度。采用μC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統可方便實現多任務編程，各任務相互獨立并支持互相通信，可提高軟件開發效率[13]。通信管理模塊采用Dynam ic C設計，該編譯軟件已移植好μC/OS-Ⅱ，開發時可減少設計的工作量。基于μC/OS-Ⅱ操作系統的應用設計需進行任務劃分和優先級分配，優先級范圍為 1～64，數字越小，表示優先級越高，各任務均使用獨立的堆棧空間，其堆棧的大小則根據各任務的數據處理量分配。多任務的設計按通信管理模塊實現的功能劃分，其軟件框圖如圖4所示，各任務之間通過全局變量、信號量等機制通信。

1）與測溫終端通信任務。該任務通過 ZigBee無線網絡接收9個測量點上傳的數據幀，解析后保存測溫終端的地址及對應的的溫度信息，并更新上一次溫度數據，若某一測量點未安裝測溫終端，則將其地址設置為0xFFFFFFFF。

圖4 通信管理模塊的軟件框圖

2）電參數采集任務。獲取三星電表的基本數據，包括3相電壓、電流、有功功率、無功功率及功率因素，該任務設置每3m in執行一次數據采集。

3）溫濕度采集任務。主要實現電纜運行環境的溫濕度數據采集，由通信管理模塊按照一定的協議幀格式下發讀數據命令，同樣為每3m in完成一次。

4）GPRS通信任務。負責與監測計算機通信，接受監測計算機的命令幀，如溫度召測、地址召測、地址設置、溫度越限設置、對時設置等。正常情況下，該任務采取15m in上傳一次所有電纜接頭溫度數據、電參數數據及環境溫濕度數據。

5）數據解析任務。主要完成與監測計算機通信的數據幀解析，其操作對象為各通信口的接收緩沖區，4個通信口分別設置4個接收緩沖區，當通信口有數據到達時設置對應的全局標志位，數據解析任務則輪詢各標志位狀態，一旦發現某個緩沖區有數據待處理則立即將數據按照一定的通信幀格式構造數據幀，然后清此標志位。已構造數據幀供GPRS通信任務調用。

6）動作開出任務。該任務根據判斷測量點的溫度分合閘開關量信號，作為溫度的越限報警。

7）定時任務。為其他通信任務執行數據采集或傳輸提供準確的時間間隔。

8）運行狀態信號燈指示任務。

GRRS模塊提供了 AT指令接口，可方便與RCM 6760進行通信，該通信模塊上電后以接收短信的方式獲取監測計算機的IP地址。當通信鏈路建立后，GPRS傳輸采用打包定時傳輸和越限即時傳輸模式，考慮到15m in上傳一次數據的時間間隔較長，采取以每隔3m in的心跳包維護通信鏈路。通信管理模塊與監測計算機間的通信幀格式見表 1，其中數據均以4個字節的單精度浮點數格式傳輸，數據單元標識則用于區分通信幀類型。

表1 通信幀格式

4 監測計算機軟件

根據集中監測的原則和設計思路，將數據采集、保存、分析、越限報警和數據顯示查詢等功能集中于監測計算機軟件。軟件可分為4個部分：通信服務、數據分析處理、數據庫及實時曲線顯示。通信服務模塊以TCP連接多個測試點的通信管理模塊，監測計算機作為通信鏈路的服務端，采用window s Sockets非阻塞編程模式實現各試點的通信管理模塊數據的集中，并經協議解析、標度變換后將合金電纜頭溫度及相關運行信息寫入數據庫。數據分析處理模塊主要實現系統的數據查詢及溫度越限報警等。數據庫還用于保存系統的參數配置，主要含有5個表：所選試點信息表、通信管理模塊信息表、測溫終端信息表、合金電纜信息表以及實時信息表。實時信息表包括各個測量位置同一時間點的溫度值、電參數等數據。

合金電纜運行狀態在線監測主要為溫度負荷曲線實時顯示，并提供靈活的歷史數據查詢及報表生成等功能，具體包括：各測量點的電纜接頭溫度曲線、實際負荷電流曲線、線路電壓曲線以及實際環境溫度下的載流量曲線等。合金電纜的運行環境溫度是制約其載流量的一個因素，其選型根據標準環境溫度選擇，載流量曲線根據電纜運行的實際環境溫度對長期允許載流量進行修正，并由導體發熱理論推導出的式(1)計算。

式中，θc為電纜導體長期運行工作溫度，Stabiloy 0.6/1kV鋁合金電纜的工作溫度最高的θc值為90℃；θstd和Istd表示為環境溫度在θstd時的允許載流量Istd；θr和Ir表示為實測環境溫度在θr時的允許載流量Ir。

5 結論

所設計系統可實時監測低壓合金電纜的運行情況，采用了具有自組織、自愈能力的ZigBee無線網絡及GPRS通信網絡，免于接線同時保證了通信的穩定性；測溫終端的軟硬件設計采取多種措施降低電池供電的整體功耗；通信管理模塊采用基于μC/OS-Ⅱ的操作系統設計，便于程序功能的擴展。所述方案已在福建某沿海地區選定的幾個臨海村鎮試點運行，對在公用變低壓出線端至綜合配電箱進線端的合金電纜運行狀態實時監測，該系統提供了直觀的溫度負荷曲線實時顯示等功能，具有低成本、使用方便、測溫精度高、溫度越限上報準確等優點。

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