基于低功耗的開關柜無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)研制與應用

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

關鍵詞：開關柜；在線監(jiān)測；溫度；低功耗；無線

作者簡介：何建鋒（1988-），男，甘肅平涼人，甘肅省電力公司檢修公司，助理工程師；王學敏（1985-），女，陜西扶風人，甘肅省電力公司檢修公司，助理工程師。（甘肅 蘭州 730000）

中圖分類號：TM591 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）23-0227-02

高壓開關柜作為發(fā)電廠及變電站中的重要設備，起到通斷、保護和控制等作用。[1]目前普遍使用小車式開關柜，開關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)并處理開關柜觸頭過熱問題是防止此類事故發(fā)生的關鍵。由于開關柜處于高壓環(huán)境、空間狹小、結構復雜，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)一套結構簡單，性能可靠，操作方便，成本低廉的開關柜觸頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時測量和監(jiān)視高壓開關柜內的溫度變化，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]，基于開關柜自身的特點設計了低功耗無線傳感網(wǎng)絡協(xié)議，實現(xiàn)了超低功耗長時間工作的無線測溫系統(tǒng)。

一、系統(tǒng)總體結構

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

無線傳感器網(wǎng)絡：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，構成一對多的星型網(wǎng)絡。

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)送至上位機，上位機軟件由LabVIEW開發(fā)，可監(jiān)控整個變電站中開關柜的溫度狀態(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。

二、無線測溫節(jié)點設計

從降低節(jié)點功耗和簡化節(jié)點硬件結構等角度考慮，本文基于低功耗處理器PIC16LF726和集成射頻芯片CC1101設計了溫度傳感器網(wǎng)絡節(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。

CC1101是美國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極端情況造成的安全隱患。

無線傳感器網(wǎng)絡采用一對多的方式構成星型網(wǎng)絡，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)送至上位機，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)絡上傳周期等參數(shù)。

三、低功耗實驗結果分析

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，防止產生泄漏電流。

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

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。

2.CC1101功耗分析

（1）掉電模式：關閉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轉換：轉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1.2K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+10dBm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，測試結果如表2所示。

測試表明，CPU運行速度越快，轉換速度越快，SPI速度越快，轉換速度越快。

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，調整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)點功耗最大的一部分，通過調整無線模塊的發(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永久性。當設備停電時，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。

四、結論

本文設計了一套在線監(jiān)測開關柜母線觸頭及環(huán)境溫度的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，針對開關柜特殊的構造環(huán)境設計了無線傳感器節(jié)點在開關柜中的布點方式，并本著縮小體積、延長使用壽命的原則設計了無線傳感器節(jié)點的硬件結構。針對開關柜溫度在線監(jiān)測的應用需要，對CC1101進行了合理的參數(shù)配置，并設計出一套簡單的通信協(xié)議，保證了無線通信的可靠性。

對單片機及無線芯片的功耗進行了詳細的實測及分析，得出一套最合適的配置方式，有效降低了功耗，延長了溫敏電阻傳感器節(jié)點的工作時間。

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（責任編輯：劉輝）