電力電纜智能溫度巡檢系統設計

崔 莉， 周宇浩， 張 益， 査申森

(1.南京工程學院 a.工業中心； b.電力工程學院，江蘇 南京 211167; 2.江蘇省電力公司鹽城供電公司，江蘇 鹽城 224000； 3.江蘇省電力設計院，江蘇 南京 211102)

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電力電纜智能溫度巡檢系統設計

崔 莉1a， 周宇浩1b， 張 益2， 査申森3

(1.南京工程學院 a.工業中心； b.電力工程學院，江蘇 南京 211167; 2.江蘇省電力公司鹽城供電公司，江蘇 鹽城 224000； 3.江蘇省電力設計院，江蘇 南京 211102)

針對電力電纜測溫不便、巡檢效率低、數據管理水平不高等不足，開發一種電力電纜智能溫度巡檢系統。系統由非接觸式溫度采集裝置、智能終端、巡檢數據管理平臺三部分組成。溫度采集裝置基于Arduino單片機開發，采用MLX90614紅外溫度傳感器實現非接觸式測溫，可同時采集目標溫度與環境溫度，采用藍牙通信協議將溫度信息自動發送至智能終端。基于Android移動平臺開發智能終端，具備3G通信和GPS定位授時功能，實現溫度與GPS信息的整合，并為巡檢人員提供巡檢線路導航。基于配電網地理信息系統(GIS)，構建了巡檢數據管理系統。

電力電纜； 紅外測溫； 巡檢系統； GIS

0 引 言

隨著城市和大中型企業的供電系統越來越多地采用電力電纜輸配電，電纜的運行狀態正影響著輸配電系統的穩定與安全。電力電纜的絕大部分故障，如：壓接點接觸不良、絕緣老化、過載、短路等，都會通過發熱的形式表現[1-2]，因此電纜的溫度是表征電纜運行狀態的重要指標[3]，通過定期的溫度巡檢能有效監控和預測故障的發生，可有效提高供電靠性。

電纜的溫度檢測系統主要分為在線監測系統和手持巡檢系統。在線監測系統能實時監控，適用于埋設于地下的電力電纜，一般是一條線路一個系統，無法實現對整個區域的監測[4-6]；且監測點無法覆蓋整條電纜，一般只對壓接點進行監測[7-8]；系統靈活性差，無法滿足故障檢修的要求。手持溫度巡檢系統也是電力電纜巡檢不可或缺的，可以彌補在線監測系統的不足，其特有的靈活性，可有效適應電纜的定期巡檢與故障檢修[9]。目前的手持溫度巡檢系統主要采用接觸式測溫，處于安全考慮電纜都鋪設于人員無法直接接觸的位置，因此測溫非常不方便，且直接接觸電纜存在觸電危險；對被測點的溫度信息、地理位置和時間，需手工輸入巡檢終端，手工輸入費時費力且容易出錯，降低了巡檢效率；終端中的數據需待巡檢完成后，使用數據線導入巡檢數據管理系統，所以巡檢終端與數據管理系統無法實現同步。

本文針對手持溫度巡檢系統的不足，設計了一種電力電纜智能溫度巡檢系統。基于紅外測溫技術、Arduino平臺、藍牙通信技術，設計了一種溫度采集器，實現非接觸式測溫。基于Android移動平臺，結合GPS技術、嵌入式GIS技術，開發了一種智能移動終端，實現溫度、地理坐標、時間信息的整合，實時回傳巡檢數據，GPS巡檢導航。基于配電網GIS系統， 構建了巡檢數據管理系統，實現電力電纜溫度數據的GIS管理，增強了數據的分析能力。

1 系統組成及工作原理

整個系統由溫度采集裝置、Android智能終端、巡檢數據管理系統三部分組成，系統結構見圖1。溫度采集器采集電纜溫度信息，并通過藍牙將溫度信息發送至智能終端；智能終端整合溫度信息與時間地理坐標，通過3G網絡將信息發送至巡檢數據管理系統，并可為巡檢人員提供導航；巡檢數據管理系統負責給智能終端發送巡檢任務，管理采集到的數據，并進行數據分析。

圖1 系統結構圖

2 溫度采集器設計

基于Arduino Mega 2560控制器開發，集成MLX90614紅外溫度傳感器、激光瞄準器、CZ-HC05藍牙模塊，實現非接觸式測溫、激光瞄準、與Android智能終端的藍牙通信。

2.1 硬件電路設計

溫度采集裝置的硬件原理圖見圖2。

圖2 溫度采集器電路原理圖

MLX90614紅外溫度傳感器采用金屬封裝，同時集成了紅外感應熱電堆探測器芯片MLX81101和專門用于處理紅外傳感器輸出信號的集成芯片MLX90302。由于集成了低噪聲放大器、17位模數轉換器和強大的數字信號處理芯片，使得溫度分辨率為達到0.01 ℃。MLX90614出廠校準的溫度范圍為：環境溫度-40～125 ℃，物體溫度-70～382.2 ℃。物距比為12∶1，測量的溫度為視場里所有物體溫度的平均值，MLX90614室溫下的標準精度為±0.5 ℃。計算所得物體溫度和環境溫度存儲在MLX90302的RAM單元，通過兩線SMBus兼容協議接口或是10位PWM模式輸出，本設計采用SMBus模式。SCL、SDA管腳對應連接Arduino的SCL、SDA接口，由于 MLX90614的輸入輸出接口是漏級開路結構，需要加上拉電阻。VDD電源端可直接連接3.3 V輸出端，VSS接GND[10-11]。

CZ-HC05是一款高性能的主從一體藍牙串口模塊，可以同各種帶藍牙功能的電腦、藍牙主機、手機、PDA等智能終端配對，該模塊支持非常寬的波特率范圍：4 800～1 382 400，并且模塊兼容5 V或3.3 V單片機系統，通信距離10 m。在該系統中使用從模式，Android智能終端作為主機。RXD、TXD依次連接Arduino的TXD和RXD，VCC連接3.3 V輸出端。

激光瞄準器為紅色點狀定位，波長650 nm，功率5 mW，供電電源5 V，驅動電流小于40 mA；VCC、GND分別連接Arduino的5 V電源輸出端與GND。

工作原理：打開電源開關K1，Arduino控制器上電開始工作，程序開始執行。Andriod智能終端搜索藍牙設備，選中CZ-HC05藍牙模塊，輸入密碼配對成功。調整溫度采集器與物體的距離，以保證視場不會超出被測物體的大小。調整好距離后按下觸發按鈕，此時激光瞄準器會發出激光，將激光點對準被測物體，由于激光瞄準器與MLX90614安裝在一起，此時激光點就是MLX90614視場的中心，按住觸發按鈕持續幾秒鐘，溫度采集器每隔200 ms采集一次溫度，并通過藍牙發送至Andriod智能終端。

2.2 軟件設計

Arduino的編程語言是基于C/C++語言而開發的，其實質是基礎的C語言，Arduino語言只不過把AVR單片機相關的一些寄存器參數設置等都函數化了，不用我們去了解它的底層，因此使用非常方便。溫度采集器的主程序如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

在初始化的過程中完成變量的定義、端口和波特率的設置等。程序不斷地檢測是否有觸發信號，只有檢測到了觸發信號，才會使MLX90614開始測溫，并讀取溫度數據。MLX90614中的溫度數據分為高字節(DataH)和低字節(DataL)，需要對這兩個字節的數據經過一定的運算才能得到真實的攝氏溫度，計算公式如下：

Data=[(DataH&0X007F)<<8]+DataL

TempData=[(Data×0.02)-0.01]-273.15

得到攝氏溫度后執行藍牙發送程序，由于藍牙模塊和Arduino是通過串口相連，因此藍牙發送程序與串口輸出程序是一致的。完成一次測溫后，延遲200 ms重新循環執行，由程序可知測溫的次數是由觸發按鍵被按下的時間決定的。

多個MLX90614可以用于一個系統中，通過不同地址區分器件。因此在多MLX90614系統中，需要給每個MLX90614分配一個不同的地址，器件默認的地址為5AH。讀取數據的流程如圖4所示。從MLX90614讀取數據是以Byte為單位進行的，讀取每個Byte的數據操作程序流程如圖5所示。每次發送1個字節(按位發送，發送8個bit就是一個Byte)，然后判斷對方是否有應答，如果有應答，就接著發送下一個Byte；如果沒有應答，多次重發該Byte，直到有應答，再發送下一個Byte，如果多次重發后，仍然沒有應答就結束。

圖4 讀取數據流程

圖5 每個字節數據操作流程

3 Andriod智能終端開發

該智能終端是基于Andriod移動平臺而開發，其功能結構如圖6所示。藍牙模塊接收溫度采集器的溫度的信號，這些溫度信號的時間間隔是200 ms，考慮溫度采集器進入和退出采集程序時的穩定性，因此剔除首尾不穩定的信號，對剩余信號作均值處理。GPS模塊接收地理位置信息，一方面，用于整合溫度、地理坐標和時間；另一方面，結合嵌入式GIS數據庫中的輸電線路圖，將巡檢人員實時位置標注在巡檢圖中，實現為巡檢人員導航的功能[12,13]。整合后的信息，一方面，存入嵌入式GIS數據庫，標注在輸電線路巡檢圖上，使巡檢人員一目了然；另一方面，利用3G模塊發送至巡檢數據管理系統。考慮到智能終端的內存有限，無法容納所有線路的巡檢圖，因此根據每次任務的不同，利用3G網絡從巡檢數據管理系統下載巡檢圖。

圖6 Andriod智能終端功能結構圖

4 巡檢數據管理系統設計

基于配電網GIS系統，結合Android智能終端接口模塊和溫度數據分析模塊，構建了巡檢數據管理系統[14-15],如圖7所示。

圖7 巡檢數據管理系統

配電網GIS系統是整個系統的核心，管理所有該配網中電力電纜的溫度巡檢數據。Android智能終端接口模塊具有3G通信功能，智能終端可通過該模塊訪問配電網GIS系統，下載GIS巡檢地圖；實時接收智能終端采集到的巡檢信息，存入配電網GIS系統。客戶監控終端可以調取配電網GIS系統中的每條電力電纜的巡檢記錄，數據以巡檢地圖的方式呈現，按照不同的地理坐標，將巡檢信息直接標注在電力電纜線路上，一目了然。監控人員如需對巡檢數據進行深入分析，可調用數據分析模塊。數據分析模塊可以實現對某一點坐標數據按時間的縱向對比，并繪制出溫度變化趨勢圖；也可實現對整條線路按地理坐標的橫向對比，標注出溫度異常點。

5 結 語

本文設計了一種電力電纜紅外溫度采集器，開發了智能移動終端，并基于配電網GIS系統構建了巡檢數據管理系統。實現溫度的非接觸式檢測，自動整合溫度、地理坐標和時間信息，自動上傳巡檢數據，并能為巡檢人員提供GPS導航。為巡檢人員提供了更便捷更安全的測溫裝置，提高了巡檢的效率和數據的管理水平。

[1] 王 瓊, 任麗麗, 李 建. 電力電纜監測與預警系統的研制[J]. 儀器儀表與分析檢測, 2008(4): 13-17.

[2] 楊文英. 電力電纜溫度在線監測系統的研究[D]. 吉林:東北電力大學, 2008.

[3] 羅俊華. 電力電纜線路運行溫度在線檢測技術應用研究[J]. 高電壓技術, 2007, 33(1): 169-172.

[4] 李 軍, 卞 超, 吳 珺. 電力電纜光纖光柵測溫在線監測系統[J]. 江蘇電機工程, 2005, 24(1): 6-8.

[5] 彭 超, 趙健康, 苗付貴. 分布式光纖測溫技術在線監測電纜溫度[J]. 高電壓技術, 2006, 32(8): 43-45.

[6] 樓開宏, 秦一濤, 施才華, 等. 基于光纖測溫的電纜過熱在線監測及預警系統[J]. 電力系統自動化, 2005, 29(19): 97-99.

[7] 肖 洪, 潘貞存. 電力電纜接頭運行溫度的在線監測[J]. 自動化儀表, 2002, 23(10): 31-34.

[8] 王運生. 紅外技術診斷電纜頭過熱缺陷[J]. 高電壓技術, 2004, 30(S1): 105-106.

[9] 陳啟卷, 毛慧和, 肖志懷, 等. 便攜式電力設備巡檢裝置[J]. 電力系統自動化, 2001(2): 61-63.

[10] MLX90614 DataSheet[Z]. Melexis Corporation, 2007.

[11] 張日欣. 基于MLX90614的非接觸式體溫測量系統設計[J]. 軟件導刊, 2009, 8(3): 105-107.

[12] 王 言, 王偉東. 基于GPS/GIS/GSM技術的電力線路巡檢手持儀[J]. 電信技術, 2005(1): 84-86.

[13] 高 艷．GIS/GPS 在電力巡檢系統中的應用[J].武漢冶金管理干部學院學報,2004(12):73-75.

[14] 周 晨. 基于GSM的電力線路巡檢管理系統[J]. 低壓電器, 2008(9): 36-38.

[15] 孫俊杰. 智能巡檢管理系統在電力線路巡檢中的應用[J]. 安徽電氣工程職業技術學院學報, 2011, 16(3): 93-99.

Design of Power Cables Intelligent Temperature Inspection

CUILi1a,ZHOUYu-hao1b,ZHANGYi2,ZHAShen-sen3

(1a. Industrial Center; 1b. School of Electric Power Engineering, Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167, China; 2. Yancheng Power Supply Company Jiangsu Electric Power Company,Yancheng 224000, China; 3. Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102, China)

In order to solve the problems of power cable such as inconvenience of temperature measurement, low inspection efficiency, lack of data management, a power cables intelligent temperature inspection is designed. The system consists of non-contact temperature measurement devices, intelligent terminal, and inspection data management platform. Based on Arduino microcontroller, a temperature measurement devices is developed. MLX90614 infrared temperature sensors is used in non-contact temperature measurement, acquisition target temperature and ambient temperature. Temperature information is automatically transmitted to the intelligent terminal by bluetooth communication protocol. Based on Android mobile platform, smart terminal is developed with 3G communications and GPS positioning timing functions. It can achieve the integration of temperature and GPS information, and provide for the inspection personnel inspection line navigation. By GIS-based distribution network system, inspection data management system is also built.

power cables; infrared temperature measurement; inspection system; GIS

2015-10-23

江蘇省產學研聯合前瞻性項目(BY2015009-05)；南京工程學院科研基金項目(QKJB201411)

崔 莉(1980-)，女，河南洛陽人，碩士，實驗師，主要研究方向:信息技術在電力系統中的應用。

周宇浩(1990-)，男，江蘇蘇州人，碩士生，主要研究方向：光伏發電與電能質量治理。E-mail:z_yuhao1213@126.com

TM 755

A

1006-7167(2016)04-0078-04