基于無(wú)線的高壓母線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

崔健　賈宇

摘 要：本文針對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜高電壓和強(qiáng)電磁場(chǎng)的工作環(huán)境，設(shè)計(jì)低端和高端溫度測(cè)量模塊接收模塊電路，使用無(wú)線電頻率傳輸模式可以解決高電壓信號(hào)隔離的問(wèn)題，并通過(guò)互感實(shí)現(xiàn)了溫度測(cè)量模塊的電源。該設(shè)計(jì)是基于高壓總線溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線傳輸，實(shí)現(xiàn)了溫度、實(shí)時(shí)報(bào)警和總線控制的功能。

關(guān)鍵詞：無(wú)線信號(hào)傳輸；高壓設(shè)備；測(cè)溫模塊；單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TM762 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）22-0169-02

1 前言

在智能電網(wǎng)建設(shè)中，國(guó)家對(duì)電力設(shè)備、信息采集和數(shù)據(jù)通信的監(jiān)控是最基本的功能。發(fā)電廠或變電站高壓總線工作很長(zhǎng)一段時(shí)間在大電流、高電壓、母線接觸點(diǎn)和各關(guān)節(jié)由于老化、松動(dòng)、氧化等原因會(huì)使接觸電阻增大，導(dǎo)致設(shè)備加熱、熔化、泄漏，如安全失敗，甚至引起火災(zāi)，所以高壓總線溫度監(jiān)測(cè)是非常重要的。目前，成熟的溫度測(cè)量方法有紅外測(cè)溫、分布式光纖測(cè)量方法、無(wú)線溫度測(cè)量等。紅外測(cè)溫是一種間接測(cè)量溫度的方法，但高壓設(shè)備部件可以相互遮擋，影響溫度測(cè)量結(jié)果。同時(shí)還需要紅外地圖識(shí)別，不利于推廣。光纖溫度測(cè)量方法，抗干擾能力強(qiáng)，但復(fù)雜接線，支持分析儀尺寸偏大，不易安裝，光纖使用易受污染很長(zhǎng)時(shí)間，雨腐蝕問(wèn)題也導(dǎo)致絕緣的減少。比較幾種主流的方法測(cè)量溫度，無(wú)線溫度測(cè)量方法是一個(gè)比較理想的溫度測(cè)量方案，其安裝簡(jiǎn)單、靈活的布局，無(wú)線溫度測(cè)量模塊是直接安裝在高壓母線的每個(gè)部分的聯(lián)合，測(cè)點(diǎn)的潛力，并通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)浇邮掌鞯木嚯x，因此，高壓側(cè)溫度測(cè)量模塊和接收方的低壓側(cè)電氣隔離，可以解決高壓絕緣問(wèn)題，但系統(tǒng)需要一個(gè)外部電源，電池壽命直接影響無(wú)線的長(zhǎng)期工作溫度測(cè)量模塊。總體而言，供電問(wèn)題一直制約著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)的工作原理

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

智能無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在物理和功能兩方面采用分層分布式結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)配置的靈活性和功能配置的便利性。系統(tǒng)分為三層：采集層、采集層和監(jiān)測(cè)層。第一層是由計(jì)算機(jī)組成的用戶監(jiān)視層。第二層是信號(hào)中的連接飛行，由無(wú)線電頻率收發(fā)器CC2430組成。第三層是溫度收集器，由數(shù)字溫度傳感器DS18B20、rf CC2430、天線和電池組成。

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式

無(wú)線溫度測(cè)量終端由高能鋰離子電池，使用數(shù)字作品，是附著在頭發(fā)的熱點(diǎn)溫度傳感器，和連接數(shù)據(jù)線和溫度測(cè)量主機(jī)（溫度傳感器和溫度測(cè)量主機(jī)無(wú)線測(cè)溫終端），終端在高壓電器附件，如潛在的監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。無(wú)線溫度傳感器將溫度信號(hào)無(wú)線發(fā)送到無(wú)線融合終端。無(wú)線收斂終端可以接收多個(gè)溫度測(cè)量終端的數(shù)據(jù)。對(duì)于無(wú)人值守站，通過(guò)RS232或以太網(wǎng)接收數(shù)據(jù)的無(wú)線采集終端，將溫度數(shù)據(jù)提交給調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)或視頻監(jiān)控系統(tǒng)，將信息集成在一起，構(gòu)建完整的監(jiān)控系統(tǒng)的無(wú)縫集成[1]。

3 無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)軟件

監(jiān)控程序是一種實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)測(cè)軟件，其功能是解析無(wú)線終端發(fā)送的數(shù)據(jù)包，信息提取的溫度，實(shí)時(shí)溫度曲線繪制歷史記錄或存儲(chǔ)，溫度報(bào)警閾值可以提前設(shè)置，具有溫度報(bào)警功能。不同版本的監(jiān)控軟件可以同時(shí)收到，數(shù)據(jù)可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或以太網(wǎng)直接接收。還可以按級(jí)別上載數(shù)據(jù)級(jí)別，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到主席團(tuán)數(shù)據(jù)中心，作為歷史數(shù)據(jù)的備份。您可以隨時(shí)檢查數(shù)據(jù)歷史曲線。

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 測(cè)溫模塊電路

溫度測(cè)量模塊電路由單片機(jī)模塊、測(cè)溫傳感器、無(wú)線發(fā)射機(jī)模塊和電源組成。采用STC12LE5402AD低功耗、強(qiáng)抗干擾單片機(jī)，其工作電壓為2.4V-3.8V，內(nèi)部供電系統(tǒng)不畏懼功率抖動(dòng)通過(guò)特殊處理。用戶程序區(qū)域?yàn)?K，有系統(tǒng)可編程ISP/在應(yīng)用程序可編程IAP函數(shù)中，可通過(guò)串口RXD/TXD（J2接口）下載程序，并集成MAX810特殊復(fù)位電路和監(jiān)視電路。

使用DSl820溫度傳感器，傳感器測(cè)量范圍從55+125，可以在1s轉(zhuǎn)換為數(shù)字溫度，溫度可以設(shè)置9，10，11和12的二進(jìn)制轉(zhuǎn)換精度，系統(tǒng)選擇12轉(zhuǎn)換精度，傳感器和單片機(jī)的DQ結(jié)束P1.0相連，通過(guò)單總線的軟件模擬DS18B20的時(shí)機(jī)。多個(gè)DS18B20傳感器可與單總線連接，實(shí)現(xiàn)同一總線上的多點(diǎn)測(cè)溫。除了從發(fā)射功率、接收靈敏度、外圍器件、穩(wěn)定性、低功耗、數(shù)據(jù)傳輸速率等方面考慮外，還有許多類型和數(shù)量的無(wú)線收發(fā)芯片。還有考慮其生產(chǎn)成本，設(shè)計(jì)中無(wú)線發(fā)射模塊采用MRF02，該模塊可工作在433、868、915MHZ三個(gè)頻段，和MRF01無(wú)線接收FSK模塊配對(duì)使用，組成一個(gè)完整的收發(fā)系統(tǒng)。MRF02還集成了SPI數(shù)字接口，它與MCU內(nèi)部集成的SPI接口相連接，可以通過(guò)軟件設(shè)置精確地調(diào)整各種射頻參數(shù)。在這個(gè)系統(tǒng)中，使用了433M頻段，傳輸速率為9600BPS，當(dāng)發(fā)射許可時(shí)，無(wú)線發(fā)射位時(shí)鐘在模塊的NIRQ pin上輸出，數(shù)據(jù)位輸入模塊的SDI引腳。天線采用50歐元的螺旋天線[2]。

溫度測(cè)量模塊在高壓母線30KV終端工作。由于高電壓的存在，不能使用外部電源，高壓側(cè)必須提供電源。利用互感功率可以解決這個(gè)問(wèn)題。設(shè)計(jì)電流互感器安裝在高壓總線上，通過(guò)改變變壓器次級(jí)線圈匝數(shù)，在50初級(jí)線圈電流、二次線圈的感應(yīng)獲取10v交流電壓，工作電流變化很大，為了保證感應(yīng)線圈能提供穩(wěn)定的電源，選擇合適的芯材，采用磁飽和的核心原理，小鐵芯是正常勵(lì)磁電流，大電流鐵心飽和，提供較小的功率變化。再次與交流斬波電壓調(diào)節(jié)的方法，由大功率晶閘管開(kāi)關(guān)迅速、斬波電路可以控制通過(guò)控制開(kāi)關(guān)時(shí)間負(fù)載電壓，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的流量和壓力調(diào)節(jié)的目標(biāo)，然后通過(guò)橋式整流，濾波電路對(duì)溫度測(cè)量模塊電路提供了一個(gè)良好和穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

4.2 接收模塊電路

接收模塊電路由MCU模塊、無(wú)線接收模塊和rs-485通信接口組成。MRF01無(wú)線接收模塊用于接收來(lái)自6通道發(fā)射模塊的信號(hào)，該模塊由SPI接口和MCU連接。射頻參數(shù)可通過(guò)軟件設(shè)置進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)模塊的FIFO接收緩沖區(qū)接收數(shù)據(jù)時(shí)，它的NIRQ引腳電平就會(huì)降低，MCU通過(guò)SPI接口讀取數(shù)據(jù)，而引腳電平會(huì)變得更高。使用發(fā)光二極管和蜂鳴器來(lái)指示溫度報(bào)警點(diǎn)。

接收模塊與主機(jī)之間的通信采用rs-485接口。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，單片由光電耦合器和MAX485連接分開(kāi)，并使用單獨(dú)的電源。在A和B中，將電視機(jī)添加到線路中，可以瞬間吸收高電壓干擾脈沖，進(jìn)一步提高抗超壓能力。信號(hào)輸出的A和B MAX485系列102Ω阻力，減少本機(jī)硬件故障影響整個(gè)總線的通信。考慮到設(shè)計(jì)的RS485總線接口芯片設(shè)計(jì)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信和控制的穩(wěn)定性和可靠性，該芯片通過(guò)光電耦合器逆變驅(qū)動(dòng)器MAX485 TE側(cè)實(shí)現(xiàn)了邏輯的控制，這樣就可以使CPU的控制引腳為高或者異常復(fù)位時(shí)使MAX485始終處于接收狀態(tài)，因此，從硬件上可以有效地避免節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響[3]。

5 智能無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)的比較

工作過(guò)程的智能無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，因?yàn)樾枰O(jiān)控設(shè)備的組件安裝在熱組件，該系統(tǒng)將有助于推進(jìn)實(shí)時(shí)精確的連續(xù)監(jiān)測(cè)設(shè)備部分，根據(jù)每一刻的溫度數(shù)據(jù)變化得出結(jié)論，電力設(shè)備在不同部位的溫度變化規(guī)律，從而幫助監(jiān)測(cè)人員，以確保電力設(shè)備的正常運(yùn)行，以避免造成的問(wèn)題的溫度設(shè)備停止工作，確保員工的安全。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出并開(kāi)發(fā)了基于無(wú)線通信的高壓設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，適用于高壓系統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)，也適用于高壓系統(tǒng)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)。主要介紹了無(wú)線溫度測(cè)量模塊的前端設(shè)計(jì)，成功地解決了棘手突出的無(wú)線溫度測(cè)量系統(tǒng)供電問(wèn)題很長(zhǎng)一段時(shí)間，延長(zhǎng)電池壽命周期，這種電源基礎(chǔ)上收集能量法可以應(yīng)用于很多的低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序環(huán)境。本研究將為建立高壓電力系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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[3]朱俊杰，李美成.無(wú)線傳感器微能源自供電技術(shù)研究[J].可再生能源，2012，（11）：55-57.