基于微網的線路無源智能測溫裝置研究與應用

劉延權

摘 要：在用電過程中，當電力供應不足而進行適當的擴容時，就不可避免地會引起輸電線路溫度升高。當溫度過高時，會引起短路或線路老化，甚至引發火災。這就需要實時監測線路溫度，以供供電部門合理調配。鑒于輸電線路處于高空環境，需要將更加智能化的測溫裝置應用于設備及電網線路的監測中。為此，設計了基于微網的線路無源智能測溫裝置。該裝置由輸電線直接提供能量，無需外加電源，可以取代人工巡檢監測電氣結點的發熱情況。這樣將大大提高電網的安全運行水平，防止事故發生。該測溫裝置具有體積小、安裝方便、無需人為維護、智能化、節能環保等優勢，可以實現對輸電線路組網式的溫度監測。

關鍵詞：微網；無源智能測溫裝置；溫度采集系統；傳感器

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.103

近年來，隨著國民經濟的持續增長，城鄉用電量猛增，在用電高峰期，線路供電負荷在極限附近運行或超極限運行的現象時有發生。當前，輸電線路高負荷運行越來越普遍，耐張塔上的引流板或者接續管處的接點溫度過高成為線路安全運行的“死穴”。因此，為了確保電網安全，通常要在用電高峰季來臨之前對高壓輸電線路的引流線夾進行全面的監測，防止因導線連接點發熱而影響電網的安全運行。考慮到輸電線路所處的環境及直接進行溫度測量的難度，需要將智能化組網式的溫度測量裝置應用于整個電網線路的溫度監測中。

該裝置采用物聯網技術，以在桿塔、輸電線和重要的高壓設備上部署的智能測溫傳感器組成測溫傳感器協同感知的無線傳感器網絡，通過傳感器采集導線溫度數據，利用無線通信方式將數據傳輸到巡檢儀。當參數出現異常情況時，該裝置就會自動報警，提醒值班人員和管理人員及時采取相關措施進行處理，以免發生事故。該裝置的電源為高壓電，即從高壓電線上取能，并將其轉換為適合該裝置工作的電源，無需外部另加電源。

1 系統總體設計

1.1 系統實現的功能

基于微網的線路無源智能測溫裝置主要是為了彌補傳統測溫方式實時性和可靠性方面的不足。借助這一裝置，工作人員只需在室內便可以實時監控輸電線路接頭處的溫度。本系統主要由兩部分組成，即溫度采集、發送裝置和溫度接收、上傳裝置。溫度采集、發送裝置包括電源部分、無線溫度傳輸部分、溫度數據采集部分，溫度接收、上傳裝置包括電源部分和無線溫度接收部分。該系統的數據收發都是通過無線網絡完成的，其中，溫度采集系統之間通過射頻網絡通信。當一個溫度采集器采集到溫度信息后，會在規定的時間內發送到對應的一個中繼接收器；中繼接收器將接收到的多個采集器發來的溫度值發送到巡檢儀，以供用戶查看。

該系統的一個顯著優點就是供電部分均由輸電線感應取電電源模塊負責提供能量，無需外接輸入電源。這樣，就避免了對使用外加電源的維護，也排除了因電池受使用年限或老化等因素的影響而給裝置的使用帶來不便。一旦將這一裝置安裝于輸電線上，在其使用的過程中基本不需要人工維護。

1.2 溫度采集系統設計方案

該套裝置中的溫度采集、發送裝置負責獲取導線表面的溫度，然后發送出去；溫度接收、上傳裝置以“一對多”的方式獲取采集裝置發來的溫度值，然后通過巡檢儀查看數據。

溫度采集、發送裝置主要負責采集被測點的溫度信息，并將其通過無線模塊發送到接收端。該裝置采用數字式溫度芯片DS18B20。這樣就可以將整個PCB板集中到磨具中，只需要在磨具背面開一小孔傳遞溫度即可。該溫度傳感器支持多點組網功能，一個測溫裝置可以對多點進行測量，既增加了測量點，又保證了測量的合理性。在采集溫度信息后，將其傳輸到終端的中繼集中器，再由接收端查看數據。

2 硬件設計

基于微網的線路無源智能測溫裝置作為線路狀態監測和各類相關數據集中展現的平臺，一方面能在發現線路隱患時及時預警，及時指導檢修處理工作的開展，避免線路發生事故；另一方面能對輸變電線路設備的運行狀態進行實時監測，為輸變電線路故障的分析、技術措施的研究和檢修處理方案的制訂等提供了有力的信息化數據，從而有效提高了輸變電線路的故障預防能力。

該裝置功能的實現主要由以下三部分完成：①電源部分。在該裝置工作的過程中，無需提供外部電源，系統工作所需的電能通過轉換直接從輸電線上獲取。②溫度數據采集部分。裝置采用DS18B20數字式溫度傳感器獲取輸電線表面溫度。③無線傳輸部分。處理器將采集到的溫度值處理后經CC1101無線模塊發送到中繼集中器。

2.1 電源部分

電源是任何電子產品能量的核心，采用良好的供電方式不僅能節約成本，還能提升整個產品的使用性能。線路無源智能測溫裝置的無源性源于無需外部電源供電，系統工作所需的能量直接從輸電線上獲取，從而避免對電池的維護和使用造成污染，符合節能環保的要求。

2.1.1 輸電線取電原理

針對高壓電網中測量裝置的供電問題，相關人員研發了一種電場感應式電源，用于為測量裝置供電。其基本原理是利用高壓設備攜帶的高電壓電場獲取能量，在電網電壓穩定時就能為裝置穩定供電。這樣，不僅節省了電能，還避免了因使用電源而造成的污染。由于高壓輸電線中的電流是以正弦波的方式變化的，因此其產生的磁場也是變化的。由法拉第“電磁感應定律”可知，當磁通量發生變化時，就會在穿有鐵芯的線圈上產生感應電動勢，其大小為：

在電磁耦合方式下，線圈感應輸出端近似等效于恒流源，隨著一次側電流的增加，二次側感應輸出的電流也在增加。此時，如果二次側保持負載不變，則二次側回路上的電壓會因電流對濾波電容器的充電而升高。當升高到一定范圍時，就會因過壓而損壞器件。本次設計將取能線圈獲取的交流電再次降低，并在裝置后作防浪涌和過壓保護處理。通過保護電路對幅值降低的正弦電壓進行整流、濾波和穩壓處理，并將穩定后的電壓信號用于為裝置供電。

對整個取電過程進行理論分析，初步假設初級線圈和次級線圈為全耦合電磁感應，忽略初級和次級繞組線圈漏感，根據電磁學基本理論，則可以得出以下方程：

式（2）（3）（4）（5）中：u1為初級繞組感應電動勢；u2為次級繞組感應電動勢；N1為初級線圈匝數；N2為次級線圈匝數；Φ為磁通量；i1初級為線圈電流；i2次級為線圈電流；H為磁場強度；l為磁路長度；B為磁感應強度；A為鐵心截面積；ur為鐵芯的相對磁導率。

線路無源智能測溫裝置具有低功耗特點，其工作電壓為3.3 V，設計時，根據一次側高壓線上電流的大小確定線圈的匝數。在實際應用過程中，可根據高壓導線中流過的電流的大小和導線截面積的大小等來設計合適的線圈匝數，以得到符合要求的u2.

考慮到高壓電線復雜的電磁環境及電流的大幅變化，確保供電的抗干擾能力及穩定性是需要解決的首要問題。如果設計得不好，不僅會影響裝置的正常工作，還可能會給輸電線造成意想不到的危害。因此，在從高壓線上取能后，要在使用的前端加入保護電路，以保證裝置供電的穩定性和可靠性。

2.1.2 防浪涌電路

任何用電設備都存在供電電壓的允許范圍，超出范圍將可能會對設備造成災難性的損壞，有時即便是很窄的過電壓沖擊，也會造成設備電源損壞，尤其是一些敏感的微電子設備，有時很小的浪涌沖擊就可能會對其造成致命的損壞。在輸入電路合閘瞬間，由于電容上的初始電壓為零，會形成很大的瞬時沖擊電流，特別是大功率開關電源，其輸入采用較大容量的濾波電容器，沖擊電流可達100 A以上。線路無源智能測溫裝置安裝于戶外高空高壓線上，引入防浪涌電路能有效避免雷擊危險，保護裝置不會因瞬間的電流變化而受損，使裝置有一個穩定的電源供電環境。

2.1.3 過壓保護電路

將過壓保護電路引入電路中，可以有效預防因拉閘、合閘引起的輸電線電流變化、雷擊等偶然因素而導致的電路過壓，預防電壓瞬間變化而造成設備不能正常工作，甚至損壞設備，有效保護供電的穩定性和安全性。

2.1.4 整流濾波穩壓電路

該系統的工作電壓為3.3 V，因此，要將從高壓輸電線上獲取的交流正弦電壓先轉換成低幅值的正弦電壓，然后對此電壓信號進行整流、濾波、穩壓處理，轉換成可供測溫裝置使用的直流電壓。

2.2 溫度數據采集及無線傳輸部分

2.2.1 控制器選取

線路無源智能測溫裝置采用的處理器芯片為意法半導體公司的超低功耗STM8L051單片機，其配置完全能夠滿足本次系統設計的要求，超低功耗的設計更加符合本產品設計的理念。考慮到復雜的電磁環境，在控制系統中加入了看門狗復位電路，在裝置因意外死機后可自動重啟。

2.2.2 溫度數據采集部分

隨著用電負荷的變化，受載流量熱穩定限額等技術的限制，原有輸電線路的輸送容量大大降低，已經難以完成送電任務，不能滿足電力用戶的需要，尤其是在用電高峰期、檢修狀態下或發生故障等情況下，線路互通容量不足將會形成壓限負荷，導致電網運行的經濟性和可靠性下降。因此，有必要對輸電線輸送能力的提高進行研究。

研究表明，線路的輸電能力與導線的運行溫度有直接的關系，因此，實時關注輸電線的溫度變化，能夠為供電部門監控輸電線以及對電力進行分配、調度提供依據。測溫裝置貼近輸電線表面，利用傳感器獲取輸電線表面的溫度信息，并在處理器內計算處理后通過無線模塊發送出去。

線路無源智能測溫裝置的溫度傳感器采用的是DS18B20數字溫度傳感器，測量溫度范圍為-55～125 ℃，固有測溫誤差為1 ℃。該傳感器支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯在唯一的三線上（最多只能并聯8個），實現多點測溫。如果數量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸不穩定。該傳感器體積較小，可在一個測溫裝置內對導線進行多點測量，并對測量數據進行綜合分析和評估，從而使測量結果更為合理。另外，該傳感器是單總線接口，可以將采集到的溫度信號直接輸入到單片機中，無需加入AD轉換，對信號的處理來說比較方便。

2.2.3 溫度的無線傳輸部分

線路無源智能測溫裝置運行中的一個關鍵環節就是將采集到的輸電線上的溫度值通過無線模塊發送到中繼集中器上。采用無線傳輸的優勢在于可以使信號的傳輸更加簡便，組網更加容易，同時，有多個溫度采集點將采集到的溫度值發送到同一個接收器中（中繼集中器）。每個采集裝置都有自己的地址，便于故障定位。由此可見，采用無線組網方式既可以節約成本，又方便集中管理。

該裝置使用的無線收發模塊為極低功耗單片無線收發器芯片CC1101無線模塊。該模塊可通過SPI接口與STM8L051單片機通信，其主要被應用于工業、科研和醫療（ISM）以及短距離無線通信設備（SRD）中。CC1101可提供對數據包處理、數據緩沖、突發傳輸、接收信號強度指示（RSSI）、空閑信道評估（CCA）、鏈路質量指示和無線喚醒（WOR）等的硬件支持，且在代碼、封裝和外引腳方面均與其他模塊兼容，可被用于全球最為常用的開放式、頻率低于1 GHz的RF設計中。與WiFi、BlueTooth和Zigbee相比，采用CC1101無線模塊操作更簡單，給成本更低。

2.2.4 接收部分

該套裝置采用短距離無線技術的系統通信組網方案，各采集裝置定時將采集到的溫度發送到接收裝置上，實現測溫接收端與溫度測量發送端的組網通信。

3 系統軟件設計

線路無源智能測溫裝置發送溫度信息的方式為：每隔10 min讀取一次溫度值，到1 h時，對獲取的6個溫度值取平均值，然后由無線模塊將其發送到對應的接收端。由于每個裝置都有自己的地址，因此，中繼集中器接收的溫度值也都有一個對應的地址。這樣，一旦出現溫度異常，就可以根據地址定位到異常點，方便工作人員及時監控并找出故障原因。

本系統溫度采集、發送部分軟件的工作流程主要為：采集、處理溫度值，并使用無線模塊發送出去，實現溫度信息的采集。

4 總結

綜上所述，線路無源智能測溫裝置是一種較為實用的新型線夾溫度在線監測裝置，其無線溫度傳感器采用低功耗設計，運行于低功耗模式下，在密封情況下由動態取電進供電（無電或者停電時，啟用備用鋰電池供電），使用壽命長達10年，且具有體積小、質量輕、便于安裝、測量準確（誤差小于1%）和無線數據傳輸靈活等特點，可作為“紅外測溫儀”的替代品。該裝置的推廣和應用不僅有利于及時發現線路線夾早期燒毀故障，還可以大幅降低檢修人員巡視查看的勞動強度，節省人力、物力，可靠性高，對線路的安全供電起著重要的作用。

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〔編輯：劉曉芳〕