基于WSN的母線接頭溫度實時監測系統研究

張業成　陳金龍

摘 要：母線是電力輸送設施的關鍵部件，同時也是容易發生故障的設備。母線接頭溫度的異常變化與母線故障的發生密切相關，因而其溫度的監測對于及時發現母線故障具有重要意義。文中首先給出了基于無線傳感器網絡（WSN）的母線接頭溫度實時監測系統整體設計方案，然后提出了一種基于ESP8266 WiFi芯片通信模塊與DSB18B20溫度傳感器模塊的母線接頭溫度實時監測系統，運用STM32F103控制2個模塊實現設備運作。針對母線高溫環境無法使用電池供電的問題，采用直接從母線供電進行電壓轉換的方式解決。實驗測試表明，該監測系統具備了測溫的準確性與穩定性，對母線故障監測與診斷具有重要意義。

關鍵詞：無線傳感器網絡（WSN）;模塊設計;母線接頭溫度;實時監測;控制;通信

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）07-00-03

0 引 言

隨著我國經濟的發展，各行各業用電量迅速增加[1]。在大電流輸送時，母線具有很大的優勢，其應用也越來越廣[2]。母線運行的可靠性成為重要的工業研究課題。母線接頭處采用螺栓連接，一旦出現接頭螺栓未擰緊或發生熱脹冷縮和氧化現象，都會使母線接頭阻抗快速增大[3]。因而，母線接頭高電阻連接是母線運行中最常見的故障之一[4]。電路中的高電阻連接會導致母線接頭局部過熱和供電電壓不平衡[5]，從而使配電系統及電動機的效率降低，甚至還會造成意外停機，引起不必要的經濟損失[6]。因此，母線接頭溫度監測對于工業設備的可靠、高效和安全運行至關重要[7]。

1 監測系統硬件結構

母線運行狀況在線監控系統是由無線傳感器節點、匯聚節點及上位機終端組成。其中，無線傳感器節點A（1）～

A（n）安裝在A號干線的母線接頭上，B（1）～B（m）安裝在B號干線的母線接頭上，由各干線母線接頭上的無線傳感節點在傳輸信息過程中形成了無線傳感網絡（WSN），最后可通過匯聚節點把各節點上的溫度、電流信息傳送給上位機終端。母線運行狀況在線監控系統物理結構如圖1所示。

1.1 WSN節點

無線傳感器節點位于母線接頭處，主要由4個模塊組成，分別為傳感器模塊、控制器模塊、無線通信模塊、電源模塊。其中，傳感器模塊采用A，B，C三相母線溫度傳感器，電源模塊包含銅柱觸頭與電源獲取組件，控制器模塊與無線通信模塊安裝于節點支撐板的另一側。WSN節點母線接頭溫度采集結構如圖2所示。

1.1.1 傳感器模塊

傳感器模塊負責采集母線接頭表面中心點處的最高溫度，可以結合流過母線的電流強度選擇相應測量溫度范圍的傳感器。本設計中溫度采集模塊采用DSB18B20測溫傳感器，定時采集母線接頭溫度，測量精度誤差為±1 ℃。DSB18B20測溫傳感器模塊如圖3所示。

1.1.2 控制器模塊

控制器模塊作為系統控制與調度的核心，主要完成如下任務：

（1）負責控制傳感器模塊，使其定時采集和處理溫度數據;

（2）負責控制無線通信模塊，實現采集溫度數據的收發;

（3）負責監聽上位機終端指令，按照上位機終端的要求提取傳感器模塊采集的母線接頭表面溫度數據。

目前，控制器芯片廠商有索尼、東芝、恩惠浦、德州儀器與意法半導體公司。根據母線接頭溫度監測系統需求，本設計采用性價比高的意法半導體公司生產的STM32F103，母線接頭溫度采集控制流程如圖4所示。

1.1.3 無線通信模塊

無線通信模塊聯系其所在WSN節點與上位機終端，負責數據的無線收發：

（1）在大電流、強磁場的母線工作環境中，無線通信模塊需具有良好的穩定性與可靠性;

（2）實時在線傳輸，具備母線接頭表面溫度實時收發能力;

（3）面向多系統多平臺應用的兼容性，無線通信模塊的選取關系著系統運行的實時性與可靠性。

通過對國內外多家廠商的比較，我們選取樂鑫公司生產的ESP8266芯片作為WiFi模塊，該模塊體積小、重量輕，安全性和穩定性較好，內置32位處理器，睡眠模式下功耗可忽略不計。ESP8266芯片WiFi模塊如圖5所示。

1.1.4 電源模塊

考慮到母線工作的高溫環境不適合WSN節點常采用的電池供電方式，可以使用母線上220 V電壓供電。由于監測系統中的WSN節點采用直流5 V電源供電方式，且其正常工作的電壓為直流3.3 V，因此需要將220 V母線電壓轉換為系統所需的5 V和3.3 V電壓，轉換電路如圖6所示。

2 監測系統通信協議

本設計采用2.4 GHz IEEE 802.15.4協議，傳輸的數據幀格式如圖7所示[8]。其中，母線接頭溫度數據存放于MAC載荷內，MAC層數據幀的最后兩個字節用于幀校驗，發送數據時存放CRC冗余碼，接收數據時存放RSSI值、CRC以及LQI值。通過讀取MAC層數據幀的最后兩個字節，提取LQI值即可實現發射端到接收端無線鏈路質量的監測。

3 實驗測試

依照介紹的母線接頭溫度監測系統WSN節點設計方案，制作如圖8所示的測溫節點，并安裝在基于3D打印制作的塑料保護面板上。

測溫系統的測試分別通過兩組實驗完成。一組通過監測系統的WSN節點進行A相母線接頭溫度采集，每6 min完成一次母線接頭溫度檢測并上傳至上位機，再將其保存到數據庫。另一組實驗在WSN節點進行A相母線接頭溫度采集的相同時刻，使用溫度測量儀精確測出A相母線接頭溫度的實時數據。實驗耗時10 h，分別獲得100組A相母線接頭溫度數據。

實驗結束后，將母線接頭溫度監測系統WSN節點采集的數據從數據庫導出，并與溫度測量儀記錄的數據進行比較，通過MATLAB繪制出如圖9所示的溫度曲線。