高壓設備無線溫度監測系統的建設

摘要：如今，電能已成為人類社會不可或缺的能源。為了在遠距離輸電過程中降低傳輸線損耗，提高傳輸功率和距離，人們采用了高壓、超高壓，甚至特高壓輸電。在高壓傳輸設備中，如高壓開關、變壓器的某些部位，由于接觸松動、材料老化、接觸面不潔等多方面原因，有可能會導致該部位發熱升溫，若不及時解決，就會加速周圍絕緣材料的老化，甚至引起設備著火，引發事故。以往由于沒有可靠的手段實時檢測觸頭的溫度，而采用定期檢修的方式，因此偶爾會發生設備燒毀、大面積斷電等事故。因此，有必要對高壓輸電設備中的一些易升溫部位進行實時監控，一旦溫度出現異常，就可以迅速進行處理，預防事故的發生。

關鍵詞：高壓設備；無線溫度；監測系統

高壓設備無線溫度監測系統，適用于高壓輸配電系統中的導電觸頭、連接端頭的溫度監測。尤其適合于高壓開關柜、箱變、電容器和電氣柜等空間狹小的導電接觸部位上使用。還適合于室內外環境，斷路器的操作機構箱，高壓室等需要長期溫度監測的地方。高壓設備無線溫度監測系統是由無線溫度發射器、無線接收器、RS485網絡、遠程監測系統組成。將感溫元件緊貼在被測高壓物體的表面，通過無線發射器將溫度數據發送出去，再由無線接收器接收保存。當設備的運行溫度超過設定的溫度值時，及時發出報警，提醒運行人員應盡快采取適當的措施，防止發生事故。根據高電壓作業環境下溫度測量的特點，高壓電氣溫度測量裝置必須長期工作在高電壓環境。為減少高低壓之間的電氣聯系，采用全數字方式工作，抗干擾能力強、精度高、體積小的微功率無線發射裝置做為溫度數據傳輸的通道。測量的溫度數據通過無線方式傳送到地面接收裝置，以實現高壓和低壓電氣的隔離。由計算機對收到的數據進行處理，實現數據備份和溫度報警。

1、系統的工作原理

1.1 系統構成

無線溫度監測系統在物理上和功能上均采用分層分布式結構，保證了系統組態的靈活性和功能配置方便性。系統整體上分為采集層、收集層、監測層三層。第一層是由計算機等組成的用戶監測層作為上位機。第二層是信號中轉機，由射頻收發器CC2430構成母線溫度采集裝置作為信號中轉機。第三層是溫度采集器，由數字溫度傳感器DS18B20、射頻CC2430、天線及電池組成。

1.2 系統實現方式

無線測溫終端由高能鋰電池供電，采用全數字方式工作，溫度傳感器附著在發熱點上，并由一段數據線和測溫主機相連接（溫度傳感器和測溫主機合稱無線測溫終端），該終端附著在高壓電器上，等電位監測設備運行狀態。無線測溫終端把溫度信號通過無線的方式傳送給無線匯聚終端，無線匯聚終端可以接收多個測溫終端的數據。對于無人值守站，無線匯聚終端把接收到的數據通過RS232或通過以太網，把溫度數據轉發到調度自動化系統或者視頻監控系統，把信息整合在一起，搭建無縫集成的完整監控系統。

2、無線溫度監測儀

監測儀的原理如圖1所示。其中，單片機、無線收發電路和編碼開關的型號與功能都和節點相同。開關電源模塊就近采用220V直流或交流電源供電，經電壓調理電路輸出5V和3.3V浮地直流電源供系統使用。

圖1 無線溫度監測儀原理框圖

監測儀選用320×240點陣液晶觸摸屏作為人機界面，用以顯示各節點溫度數據、電池電量等信息，輸入運行、報警等參數。監測儀具有報警輸出功能，提供一個無源繼電器觸點輸出，常開、常閉觸點各一個。系統默認節點報警溫度閾值為70℃，溫度變化率閾值為10℃。若節點溫度或溫度變化率越限，則報警繼電器動作，同時觸摸屏對應顯示項目閃爍。

監測儀采用NXP半導體公司的CAN總線控制芯片SJA1000和收發器芯片PCA82C252與其他監測儀及監測主機聯通，構成 CAN 工業總線網絡。CAN總線較RS485總線更加先進。它在數據鏈路層就提供了CRC校驗功能，配合屏蔽雙絞線組成開環網絡，再采用符合ISO11519-2 標準的收發器芯片PCA82C252，不使用中繼器，網絡電氣長度就可達1km，其抗干擾性能極強。

監測儀一般安裝于開關柜的二次側柜門上，與所管理子節點組成星形拓撲結構，形成一個子網。為方便網絡管理，采用了蜂窩網絡結構，相鄰子網所用通信頻率不同，不相鄰子網可以使用相同頻率。

在節點控制軟件基礎上，監測儀的軟件增加了觸摸屏控制和CAN 總線通信部分。觸摸屏模塊控制較簡單，這里不再贅述。監測儀收到節點發送的有效數據后，馬上返回一個響應幀給對應節點，然后將溫度數據轉發到 CAN 總線網絡上。CAN 總線協議規定每幀的數據最多為8個字節，因此監測儀轉發的數據幀格式定義為：傳感器編號（4Byte）；溫度數據（2Byte）；節點狀態（1Byte）；LRC校驗碼（1Byte）。其中 LRC 為縱向冗余校驗，即前7個字節的異或。若CAN 總線網絡上存在監測主機，則自動接收這幀數據，校驗無誤后，用于顯示、判斷、存儲等工作，程序流程如圖 2 所示。

圖2 監測主機接收數據流程圖

3、系統總體建設分析

基于無線無源的高壓設備溫度監測系統主要是由智能溫度監測系統以及警報系統構成，智能溫度監測系統是通過傳感器進行溫度實時監測，在進行傳感器的安裝前期會對在設置一個標準值，假若內部溫度高于標準值就會觸發警報系統，假若內部溫度沒有高于標準值，那么警報系統還是處于休眠狀態。鑒于高壓設備是有很多零部件所組成的，所以在進行智能溫度監測系統的建設的時候，就必須對高壓設備中容易產生溫度過高的幾個點進行了解，比如高壓設備的觸點、接口母線或者電路電阻等零部件，在對故障點進行明確之后就可以將設置到標準值的傳感器安裝在各個部分。

在傳感器安裝完畢之后，就需要通過對高壓設備無源無線溫度監測系統進行最低值的設置，只要高壓設備內部溫度超過了這個設置的最低值，那么高壓設備無源無線溫度監測系統就會發生警報，在系統中并沒有專門安裝警報系統（如圖3）。通過對高壓設備進行傳感器監測模塊以及警報系統的建設，可以對高壓設備過熱進行很好的控制，在一定程度上可以節約部分人力資源，對于高壓設備的溫度監測成本也是一種降低。

4、系統軟硬件建設分析

高壓設備無線無源溫度監測系統在運行的過程中使用的主要硬件是SAW 傳感器、無線傳輸（天線）以及溫度采集器。SAW傳感器是一種溫度傳感器，會因為外界溫度的變化而導致表面固有諧振頻率的變化，從而對溫度實行測量。這種傳感器最為核心的部分就是表面波諧振器，在高壓設備的材料基片中央位置放置一個交叉換能器，在其兩側配置兩組周期性組成的多種條件反射器，這樣的設計會使得交叉換能器既可以作為輸出模塊，還可以在有電磁波進入的時候作為接收模塊。通過合理選擇叉指換能器幾何尺寸、基片晶體材料及切向，可以使溫度系數的高階項近似為零，實現固有諧振頻率與溫度的近似線性關系，只要獲得固有諧振頻率就可確定其溫度。當有入射波進入設備內部的時候，在入射波消失之后就會產生一種逐漸衰減的震蕩信號，從而進行溫度檢測，所以SAW傳感器可以作為高壓設備的無線無源溫度監測系統中的監測器件。

無線傳輸部分是利用天線來進行傳輸的，天線可以看成是一種溫度變換器，將高壓設備內部溫度進行傳輸，將其和前文所述的溫度傳感器進行連接，就可以使高壓設備內部溫度通過天線傳輸到溫度傳感器，一旦溫度過高就會觸發后面的警報結構，使之發出警報聲。但是這種傳輸方式也存在一定的不足，天線自身在進行溫度傳輸的時候會消耗部分熱能，會導致溫度傳感器最終接受的溫度和高壓設備內部溫度存在部分誤差。溫度采集器在高壓設備無線無緣溫度監測系統中主要是負責接受來自溫度傳感器發出的溫度數據，并且通過對應的科技手段將這些數據傳輸到溫度監測中心，這樣就可以使得工作人員隨時隨地的對高壓設備內部溫度進行精確掌握，對于高壓設備溫度平衡也可以進行很好的調節。編程開發工具是利用QT平臺來進行程序的編寫的，在進行程序編寫的時候不需要重新編寫源代碼，只需要對應用程序進行一次性開發，就可以實現高壓設備無源無線溫度監測系統實現其功能，QT通過其強大的強大的控制功能，對空間資源進行比較方便的控制。

5、結語

本文設計的測溫系統，采用了無線傳輸的方式，解決了高壓設備和低壓測量端信號的隔離問題。同時，該系統具有功耗小、成本低、可靠性高以及體積小和易于安裝等特點，適用于目前國內現有電網。此外，通過數據共享，智能電網系統也可以進行電網的分析與監控，從而保障電網的正常運行。