基于DS18B20的電纜設(shè)備電氣接點(diǎn)溫度預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

王 濤,吳素濃

(1.中海石油(中國)有限公司蓬勃作業(yè)公司，天津 300450；2.華東交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，江西 南昌 330013)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)以及人民生活的用電量都在急劇增加，在一定程度上加大了電網(wǎng)的輸電負(fù)擔(dān)[1]。由于輸電線路自身具有抗阻，導(dǎo)致其在傳輸電流時，將一定量的電能轉(zhuǎn)換為熱能，致使線路發(fā)熱。如果熱量過高，則易損壞輸電線路，嚴(yán)重時可能會引起大面積停電。在實(shí)際輸電的過程中，如果電纜較長，則需在一定間隔內(nèi)設(shè)置電氣接點(diǎn)。電氣接點(diǎn)是電纜設(shè)備的重要組成部分，若其存在接觸不良、壓接頭不緊、絕緣強(qiáng)度損壞等問題，均可能會造成電纜溫度升高[2-3]。由于目前的技術(shù)還難以避免電纜設(shè)備電氣接點(diǎn)的發(fā)熱問題，因此，對電纜設(shè)備電氣接點(diǎn)的溫度展開精準(zhǔn)監(jiān)測和預(yù)警，對于維護(hù)電纜設(shè)備的安全、平穩(wěn)運(yùn)行具有重要意義[4]。在發(fā)現(xiàn)電氣節(jié)點(diǎn)溫度過高后，可及時采取相應(yīng)的整修措施，從而避免電力故障的發(fā)生。

目前，已有專家學(xué)者針對電氣接點(diǎn)溫度監(jiān)測方案展開了研究。文獻(xiàn)[5]以ZigBee協(xié)議棧為基礎(chǔ)構(gòu)建了ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)，通過通用分組無線業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，實(shí)現(xiàn)對電纜接頭溫度的在線監(jiān)測。該系統(tǒng)雖然能夠監(jiān)測電氣接頭的溫度，但缺少預(yù)警步驟，而且電氣接點(diǎn)信息連接效率較低，導(dǎo)致其應(yīng)用性不強(qiáng)。文獻(xiàn)[6]利用上位機(jī)發(fā)布溫度監(jiān)測指定并實(shí)時顯示溫度信號變化，利用單片機(jī)、信息收發(fā)模塊和外圍電路建立下位機(jī)，在溫度超過額定閾值后通過觸發(fā)外圍電路實(shí)現(xiàn)防火預(yù)警。但該系統(tǒng)外圍電路觸發(fā)過程易受環(huán)境溫度的影響，沒有有效地降低干擾，清除無效數(shù)據(jù)等，導(dǎo)致其超溫誤警率偏高。文獻(xiàn)[7]利用ZigBee技術(shù)對電氣接頭溫度預(yù)警系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、邏輯框架和數(shù)據(jù)流展開整體設(shè)計，并在利用溫度傳感器采集溫度信息的基礎(chǔ)上，在軟件程序中設(shè)計了溫度顯示、溫度報警和表格數(shù)據(jù)庫。但該系統(tǒng)邏輯框架較為復(fù)雜，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集過程效率較低，無法有效開展監(jiān)測和預(yù)警。

針對傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的溫度數(shù)據(jù)采集用時長、超溫誤警率高、電氣接點(diǎn)信息連接效率較低、數(shù)據(jù)干擾等問題，本文提出并設(shè)計了一種新的電纜設(shè)備電氣接點(diǎn)在線溫度監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，以期促進(jìn)電纜設(shè)備的內(nèi)部連接，增強(qiáng)不同區(qū)域接點(diǎn)在線溫度的交流性能，降低誤差，節(jié)省時間。首先應(yīng)收集可靠的溫度信息數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行整理、調(diào)配，設(shè)計配置DS18B20型溫度傳感器，從而實(shí)現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的集中收集操作，從根本上增強(qiáng)溫度預(yù)警的準(zhǔn)確性。然后再根據(jù)實(shí)際情況信息判定溫度的安全范圍，進(jìn)而提升在線溫度監(jiān)測預(yù)警的有效性。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的溫度監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)針對電纜設(shè)備電氣接點(diǎn)的調(diào)節(jié)問題進(jìn)行整體審核，并設(shè)計不同的操作模塊調(diào)整系統(tǒng)的層次信息，包括監(jiān)控器模塊、內(nèi)部通信轉(zhuǎn)換模塊、預(yù)警模塊以及監(jiān)測預(yù)警實(shí)現(xiàn)流程。該系統(tǒng)使用了DS18B20型數(shù)字式溫度傳感器，單總線的接口方式實(shí)現(xiàn)雙向通信，速度更快，抗干擾性強(qiáng)，可將采集到的不同形式的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，再經(jīng)內(nèi)部通信轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)歸一化處理，從而有效縮短了數(shù)據(jù)采集和傳輸過程的時間，提高了數(shù)據(jù)的采集效率和準(zhǔn)確率。

1.1 監(jiān)控器模塊

傳統(tǒng)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集的過程中，各接點(diǎn)溫度信息的連接效率較低，耗時長，本文針對此問題，設(shè)計監(jiān)控器模塊配置DS18B20型溫度傳感器，具備多點(diǎn)組網(wǎng)功能，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫，同時，接口采用單總線方法，可完成實(shí)時快速采集電氣接頭的溫度信息。與應(yīng)用范圍較廣的感應(yīng)式溫度傳感器不同，DS18B20輸出的溫度信息為數(shù)字形式，能夠有效節(jié)省溫度分析與處理資源，也有效解決了電路構(gòu)造復(fù)雜的問題[8-10]，極大縮減了溫度數(shù)據(jù)采集過程耗時和后續(xù)的預(yù)警反應(yīng)耗時。

此外，溫度信息監(jiān)控模塊搭載有750 MHz QCA9563 CPU以及QCA 9882無線設(shè)備，具備128 TiB RAM，能夠擴(kuò)大溫度數(shù)據(jù)存儲空間，在優(yōu)化數(shù)據(jù)研究范圍、強(qiáng)化系統(tǒng)可操作能力同時，提升電纜設(shè)備各電氣接點(diǎn)信息連接效率和溫度監(jiān)測有效性。

綜上所述，建立監(jiān)控器模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 1 監(jiān)控器模塊結(jié)構(gòu)

圖1中，在監(jiān)控模塊終端增加DS18B20型溫度傳感器，利用DS18B20型溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時擴(kuò)展存儲空間，使原有的監(jiān)控器模塊的功能更加完善，效率更高。

1.2 內(nèi)部通信轉(zhuǎn)換模塊

在實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控器模塊的配置后，構(gòu)建內(nèi)部通信轉(zhuǎn)換機(jī)制。通過內(nèi)部通信轉(zhuǎn)換，在實(shí)現(xiàn)監(jiān)控器數(shù)據(jù)管理和溫度預(yù)警的同時，將電纜設(shè)備電氣接點(diǎn)溫度信息傳遞至軟件部分的中央控制模塊[11-12]。內(nèi)部通信轉(zhuǎn)換模塊主要利用不同傳導(dǎo)通道弱化數(shù)據(jù)間差異信息，促進(jìn)數(shù)據(jù)格式歸一化處理，并及時清除溫度監(jiān)測過程中產(chǎn)生的噪聲數(shù)據(jù)和無效數(shù)據(jù)，保證溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)募儍?，也可有效縮短傳輸時間。

本文通過在內(nèi)部通信轉(zhuǎn)換模塊中應(yīng)用具有串口數(shù)據(jù)采集功能的標(biāo)記控制器，其中含有多個信息傳導(dǎo)通道，可集信號輔助處理、繼電器控制、通信于一體[13-15]，提高數(shù)據(jù)通信轉(zhuǎn)換成功率，消除干擾。內(nèi)部通信轉(zhuǎn)換模塊中，溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程可表示為

(1)

式中：R為內(nèi)部通信轉(zhuǎn)換模塊輸出的溫度數(shù)據(jù)；b為轉(zhuǎn)換信道的損耗；T0為采集的電纜設(shè)備電氣接點(diǎn)在線溫度信息；T為轉(zhuǎn)換后的溫度信息，t為采樣時間；?為數(shù)據(jù)歸一化系數(shù)；ω(t)為溫度數(shù)據(jù)發(fā)送增量的權(quán)重系數(shù)。

1.3 預(yù)警模塊

在系統(tǒng)探知電纜設(shè)備電氣接點(diǎn)在線溫度后，需啟動預(yù)警模塊實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警。預(yù)警模塊中設(shè)置有多個檢測探頭，能進(jìn)行多點(diǎn)集中感知，可以實(shí)現(xiàn)對電氣接點(diǎn)溫度的實(shí)時接收和分析，從而精確分析溫度數(shù)據(jù)狀態(tài)，有效保障電纜設(shè)備的運(yùn)行安全。

本文設(shè)計的電纜設(shè)備電氣接點(diǎn)在線溫度預(yù)警系統(tǒng)，可以通過指示燈變色提醒和語音告警實(shí)現(xiàn)溫度預(yù)警功能。通過指示燈變色提醒模式使預(yù)警方式更加直觀、簡單[16]，電纜設(shè)備管理人員無需時刻在工作站前檢查電纜設(shè)備電氣接點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，可以有效節(jié)約人力資源[17-18]。當(dāng)電纜設(shè)備電氣接點(diǎn)在線溫度處于安全狀態(tài)時，預(yù)警模塊的指示燈顯示為綠色；當(dāng)電氣接點(diǎn)在線溫度超過額定閾值時，預(yù)警模塊的指示燈顯示為紅色，并通過語音提醒管理員檢查電氣設(shè)備。預(yù)警模塊如圖2所示。

圖 2 溫度預(yù)警模塊

1.4 預(yù)警實(shí)現(xiàn)流程

綜合上述分析，構(gòu)建電纜設(shè)備電氣接點(diǎn)在線溫度預(yù)警實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖 3 溫度預(yù)警實(shí)現(xiàn)流程

圖3所示的流程中，集中強(qiáng)化數(shù)據(jù)過程在內(nèi)部通信轉(zhuǎn)換模塊中完成，對監(jiān)控器模塊采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，并對電氣接點(diǎn)溫度異常發(fā)生的地址碼進(jìn)行監(jiān)控，查找不同節(jié)點(diǎn)間溫度數(shù)據(jù)的聯(lián)系，從而確保溫度預(yù)警的準(zhǔn)確性。

在此基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)采集云平臺進(jìn)行標(biāo)號處理[19-20]。在獲取相應(yīng)的標(biāo)號數(shù)據(jù)后，將記錄的溫度數(shù)據(jù)存儲至系統(tǒng)中心管理器中。

在數(shù)據(jù)通信轉(zhuǎn)換模塊中，對控制云臺下達(dá)控制命令，同步控制數(shù)據(jù)，對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，實(shí)現(xiàn)綜合性數(shù)據(jù)操控，即可通過云臺監(jiān)控裝置實(shí)現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的及時掌控。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)計

為檢驗(yàn)上述電纜設(shè)備電氣化接點(diǎn)在線溫度預(yù)警系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用效果，設(shè)計實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)平臺為Matlab，操作系統(tǒng)為Windows 10。采用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器如圖4所示。

圖 4 DS18B20型溫度傳感器裝置

利用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20采集溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣比特序列大小為2 000，各端電壓幅值均為220 kV，調(diào)壓平臺為Virtual Machine。

對比環(huán)境：為避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果的單一性，將傳統(tǒng)的電纜接頭溫度及防火預(yù)警系統(tǒng)(文獻(xiàn)[6]系統(tǒng))和基于ZigBee的電氣接頭溫度預(yù)警系統(tǒng)(文獻(xiàn)[7]系統(tǒng))作為對比，與本文系統(tǒng)共同完成系統(tǒng)性能的驗(yàn)證。

2.2 對比指標(biāo)設(shè)計

實(shí)驗(yàn)選用溫度數(shù)據(jù)采集用時和超溫誤警率2項性能指標(biāo)對3種系統(tǒng)加以檢驗(yàn).

溫度數(shù)據(jù)采集用時：該指標(biāo)可反映不同系統(tǒng)對溫度數(shù)據(jù)的采集效率，耗用的時間由Matlab平臺高精度統(tǒng)計。

超溫誤警率:該指標(biāo)可反映不同系統(tǒng)對溫度預(yù)警的精準(zhǔn)性，結(jié)合溫度數(shù)據(jù)采集耗時和系統(tǒng)響應(yīng)耗時可判斷不同系統(tǒng)的工作效率。誤警率W可表示為

(2)

式中：f為錯誤的預(yù)警次數(shù)；N為總預(yù)警次數(shù)。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

首先統(tǒng)計不同系統(tǒng)的溫度數(shù)據(jù)采集用時，結(jié)果如圖5所示。

圖 5 不同系統(tǒng)的溫度數(shù)據(jù)采集用時對比

從圖5可以看出，在多次迭代中，文獻(xiàn)[7]系統(tǒng)和本文系統(tǒng)的溫度數(shù)據(jù)采集用時整體呈現(xiàn)上升趨勢，而文獻(xiàn)[6]系統(tǒng)的溫度數(shù)據(jù)采集用時無明顯變化規(guī)律。文獻(xiàn)[6]系統(tǒng)在第30和第50次迭代時的溫度數(shù)據(jù)采集用時低于文獻(xiàn)[7]系統(tǒng)，但其最高用時可達(dá)到10 s。相比之下，本文系統(tǒng)的溫度數(shù)據(jù)采集用時更少，其溫度數(shù)據(jù)采集用時始終少于6 s，且上升速度較緩，電氣接點(diǎn)在線溫度數(shù)據(jù)的采集效率最高。

本文系統(tǒng)和文獻(xiàn)[6-7]系統(tǒng)在30 min內(nèi)，對20個監(jiān)控點(diǎn)同時進(jìn)行溫度監(jiān)控，分析對比是否有效預(yù)警，結(jié)果如表1所示。

表 1 相同時間不同系統(tǒng)的預(yù)警點(diǎn)對比

從表1可以看出，在30 min內(nèi)，本文系統(tǒng)采集到10個預(yù)警，實(shí)際發(fā)生10個預(yù)警，而且每個時間段的預(yù)警個數(shù)和實(shí)際發(fā)生的預(yù)警個數(shù)均一致。文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]的系統(tǒng)均沒有第一時間發(fā)現(xiàn)所有預(yù)警，并且在第30 min的時候，沒有發(fā)現(xiàn)所有監(jiān)控點(diǎn)的預(yù)警個數(shù)。因此，本文系統(tǒng)能夠有效地在最短時間內(nèi)進(jìn)行預(yù)警。

在此基礎(chǔ)上，以誤警率為檢驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)一步對不同系統(tǒng)的應(yīng)用性能加以驗(yàn)證，得到結(jié)果如表2所示。

表 2 不同系統(tǒng)的誤警率對比結(jié)果

從表2可以看出，在多次迭代中，文獻(xiàn)[6]系統(tǒng)的超溫誤警率先增加后下降，最高值和最低值分別為11.18%和9.73%；文獻(xiàn)[7]系統(tǒng)的超溫誤警率更高一些，且呈現(xiàn)不斷上升的態(tài)勢，其最高誤警率可達(dá)到16.62%;相比之下，本文系統(tǒng)的超溫誤警率更低一些，最小誤警率僅為4.27%，誤警率最大值也處于7%以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對比的現(xiàn)有方法。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可表明本文系統(tǒng)對電氣接點(diǎn)在線溫度變化情況的預(yù)警精準(zhǔn)性較高。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因在于該系統(tǒng)在預(yù)警模塊中設(shè)置了多個監(jiān)測探頭，能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度信息的多點(diǎn)集中、實(shí)時感知，從而精確分析溫度數(shù)據(jù)狀態(tài)，并利用預(yù)警指示燈顏色的變化發(fā)出預(yù)警信息，有效降低了錯誤預(yù)警率。

3 結(jié) 語

本研究提出并設(shè)計了一種新的電纜設(shè)備電氣接點(diǎn)在線溫度預(yù)警系統(tǒng)，分別設(shè)計了監(jiān)控器模塊、內(nèi)部通信轉(zhuǎn)換模塊和預(yù)警模塊。通過具體的溫度預(yù)警實(shí)現(xiàn)流程，在精準(zhǔn)預(yù)警電纜設(shè)備電氣接點(diǎn)溫度的基礎(chǔ)上，對超溫數(shù)據(jù)進(jìn)行告警，實(shí)現(xiàn)了有效預(yù)警，有效維護(hù)了電纜設(shè)備的安全。

研究中發(fā)現(xiàn)，對不同傳導(dǎo)信道的數(shù)據(jù)展開歸一化處理有利于查找不同節(jié)點(diǎn)間溫度數(shù)據(jù)的聯(lián)系，基于此可對電氣接點(diǎn)溫度異常發(fā)生的地址碼進(jìn)行監(jiān)控，從而縮短數(shù)據(jù)傳輸用時。

在接下來的研究中，將考慮從減少預(yù)警耗能的角度進(jìn)一步優(yōu)化該系統(tǒng)，促進(jìn)電力系統(tǒng)的綠色、協(xié)調(diào)發(fā)展。