高壓開關柜無線溫度監測系統的研究

劉芷馨，徐建，郝沛健，劉先梁

（湖北民族大學 智能科學與工程學院，湖北 恩施 445000）

0 引 言

高壓開關柜的主要作用是接收電能和分配電能，主要由開關設備、測量儀器、保護電路、連接母線以及相關輔助設備等構成，在電力系統中有著至關重要的作用。在實際運行中，其對輸電、配電等過程都起到了有效的控制與保護的作用。但是與此同時，高壓開關柜也存在著許多常見的安全問題，這些問題將影響電力系統的可靠運行，甚至在一些嚴重的情況下還會產生一定的安全隱患。因此需要對高壓開關柜的運行狀態進行合理的監測，以確保整個電力系統能可靠運行。

高壓開關柜過熱是最常見的問題，然而導致這一問題的原因有很多，比如高壓開關柜的安裝工藝存在問題、設備的試驗和檢修人員未能認真履行工作職，許多設備超期服役、元件老化變形問題突出、運行操作人員沒有掌握高壓開關柜的操作要領、電力負荷的突然變化、環境條件產生的不利影響等都會導致高壓開關柜過熱的現象。高壓開關柜最容易出現發熱故障的部位是其手車觸頭，尤其是氣溫較高的夏季，用電負荷大幅度增加，開關柜內高壓觸頭及母線接頭部位常常發生過熱、有時甚至存在爆炸的風險。設備過熱故障一旦發生，不僅需要花費比較長的時間對設備進行檢修，而且有可能直接造成設備的損毀，從而造成巨大的經濟損失。因此，對高壓開關柜的溫度進行監控可以有效減少故障的發生和經濟的損失。然而，常見的光纖測溫、遠紅外測溫已經不能滿足大規模的對高壓開關柜進行溫度監測的工作。楊希提出的光纖測溫雖然可以連續準確地監測高壓開關柜內部接觸點的運行溫度，但是安裝費用和后期的維護費用十分高昂；光纖感溫面很容易發生老化出現脫落的情況，進而影響溫度采樣的準確性；光纖溫度監測是散點測溫，難以獲得設備的整體溫度分布狀況。劉東明等提出的遠紅外測溫對于封閉的高壓開關設備而言，由于紅外線無法直接穿透金屬的外殼，測溫的精度不高。本文針對以上缺陷，設計了一種基于紅外無線測溫的高壓開關柜超遠距離溫度監測系統，將實現不受距離限制實時地進行溫度數據采集，然后將采集到的數據上傳至信息共享平臺進行數據處理和分析，最終根據分析結果給出處理建議。本系統基于DS18B20 溫度傳感器和LoRa 無線傳輸機制實現變電設備溫度的無線遠程傳輸，能夠實現檢測多點溫度，打破了溫度監測的單一性；同時也能實現無線測溫，并且在對溫度數據進行分析之后實施遠程控制動作。

1 總體設計方案

高壓開關柜的溫度監控系統主要包括溫度采集模塊、無線傳輸模塊、數據處理模塊三部分。系統首先通過DS18B20 搭建的溫度采集模塊采集溫度信息，而后LoRa無線傳輸模塊采用輪詢機制對轄區內的各個節點進行訪問，收集溫度信息，并將溫度信息傳輸至信號處理模塊進行數據的處理、存儲和預判等工作。系統整體結構圖如圖1所示。

圖1 系統整體結構圖

2 系統硬件設計

系統硬件總框圖如圖2所示

圖2 系統硬件總框圖

2.1 溫度采集模塊

溫度采集模塊是用于采集高壓開關柜關鍵位置的運行溫度數據，主要由DS18B20 數字型溫度傳感器搭建構成。DS18B20 數字型溫度傳感器能夠測量的溫度范圍很大且是單總線形式，這就意味著不用再另外接入電源線。但是與此同時，單總線形式的特點也使得此傳感器對控制器讀取時間的要求比較嚴格。每個DS18B20 都有獨立唯一的64 位ID，此特性決定了它可以將任意多的DS18B20 掛載到一根總線上，通過ROM 搜索讀取相應DS18B20 的溫度值。此刻的溫度數據會以16 位二進制數的形式通過DS18B20 返回。這16 位二進制數的高五位數據表示的是正負，若其全部為1，則代表返回的溫度值為負值，若其全部為0，則代表返回的溫度值為正值。后面的11 位數據代表溫度的絕對值，將其轉換為十進制數值之后，再乘以0.062 5 即可獲得此時的溫度值。DS18B20 溫度傳感器具備直接把溫度值轉化成數字值的功能。

2.2 無線傳輸模塊

系統采用了LoRa 無線傳輸技術，LoRa 作為低功耗廣域網的一種，顧名思義具有功耗低的特點，與此同時LoRa還能實現網絡信息的超遠距離傳輸。系統將采用以LoRa 技術為基礎的SX1278 無線傳輸模塊實現終端節點的無線通信功能。SX1278 僅實現對傳感數據的傳輸，并不具備存儲數據的功能，因此，可實現低功耗傳輸。LoRa 通信技術可以進行星形組網，能夠實現多終端的節點接入，避免節點故障引起的網絡癱瘓； 攜帶6 組不同的擴頻因子，隨著擴頻因子的變化，傳輸數據在對應頻帶范圍內進行傳輸，避免傳輸帶數據干擾。STM32 與LoRa 通信模塊的連接圖如圖3所示。

圖3 STM32 微控制器與LoRa 通信模塊連接圖

2.3 數據處理模塊

系統采用STM32F103ZET6 單片機作為主控制器。STM32 系列單片機由于片內程序是模塊化的所以對于數字信號的處理速度迅速，同時還具備低功耗、低電壓運行的特點，可以通過較為簡單的操作實現一些復雜的功能。

單片機片內時鐘信號由晶體振蕩器輔助產生。

向STM32 復位引腳持續輸入5 個以上的振蕩周期，便可以達到單片機復位的效果。

2.4 溫度顯示模塊

顯示模塊采用的是LCD1602 液晶顯示屏，在主機上設置4 個按鍵（確認、返回、+、-）來進行操作。主頁面顯示“設置報警溫度”和“查看從機溫度”度兩個選項，可以用“+”“-”來選擇當前操作按確認鍵進入，按返回鍵退出。當選擇“設置報警溫度”時，屏幕顯示“高溫報警溫度”和“低溫報警溫度”兩個選項，用“+”“-”選擇相應的待設置溫度，再用“+”“-”進行溫度調節，設置好確認保存并退出；當選擇“查看從機溫度”時，屏幕顯示從機編號且顯示當前從記得當前溫度，用“+”“-”選擇從機編號進行查看。

2.5 聲光報警模塊

聲光報警功能由蜂鳴器和發光二極管組合完成。當蜂鳴器和發光二極管收到指令后，蜂鳴器發出警報，同時發光二極管發光。采用PNP 型的三極管進行報警電路的驅動，當P26 端為低電平時，三極管的基級電壓低于發射機電壓，此時處于導通狀態，也就是說蜂鳴器支路電流導通，與此同時，發光二極管也導通發光，完成報警動作，在此之后，手動復位回到初始狀態，下一次報警動作時再次運行。

3 系統軟件設計

程序設計從初始化開始，初始化的目的是初始化各種功能函數，使其進入低功耗模式，接著掃描鍵盤的狀態，對是否有按鍵按下進行判斷。如果判斷結果為有按鍵按下，則執行相應的按鍵功能，然后進行無線傳輸數據的讀取；如果判斷沒有按鍵按下，則直接對無線傳輸的數據進行讀取。檢測主機的LoRa 網關以輪詢的方式依次向轄區內的節點采集溫度信號然后實時上報給監控服務終端，此動作在收到停止命令后終止。如果在信號采集的過程中有一個傳感器采集到的溫度異常，那么對應節點向終端服務器報警的同時其他節點仍然保持采集數據的動作。采集到無線傳輸的數據之后，判斷是否超出設定的溫度閾值，如果采集的溫度超出設定溫度閾值，則蜂鳴報警器和發光二極管同時執行動作進行報警，然后將異常溫度與LoRa 從機編號顯示在液晶顯示屏上，如果沒有超出所設定的溫度閾值則直接將溫度顯示在顯示屏上。程序流程如圖4所示。

圖4 系統軟件總流程圖

3.1 數據采集模塊

在確定系統中存在DS18B20 溫度傳感器之后，即為初始化成功，開始下一步的讀寫操作。DS18B20 溫度傳感器的溫度轉換過程需要一定的時間，即在接收到溫度轉換命令到讀取出溫度轉換值中間有一定的時間間隔，時間間隔大概750 毫秒，所以系統中采用了延時1 秒的子函數，這樣就可以順利完成溫度轉換過程。接著就可以通過DQ 端將數據傳送給單片機進行處理。單片機從DS18B20 中讀數時，DS18B20 是以字節為單位向單總線發送數據，先發送低位，后發送高位。經過相關的處理和運算后再把溫度值送到LoRaSX1278。數據采集模塊的工作流程圖如圖5所示。

圖5 數據采集模塊工作流程圖

3.2 LCD 液晶顯示模塊

啟動顯示屏顯示顯示“設置報警溫度”和“查看從機溫度”度兩個選項。在設置閾值菜單下顯示最高報警溫度和最低報警溫度兩個選項，用“+”“-”來選擇當前操作按確認鍵進入，按返回鍵退出。在“查看從機溫度”菜單下顯示從機編號和當前溫度，利用“+”“-”按鍵完成所選擇從機的操作。在“設置報警溫度”菜單時，屏幕顯示“高溫報警溫度”和“低溫報警溫度”兩個選項，用“+”“-”選擇相應的待設置溫度，再用“+”“-”進行溫度調節，設置好確認保存并退出。在出現溫度警報時，屏幕顯示溫度異常的從機編號。

3.3 聲光報警控制模塊

在設置了高溫報警溫度和低溫報警溫度之后，系統根據采集到的溫度與設定的溫度閾值進行比較的結果，判斷出是高溫報警還是低溫報警，然后執行相應的報警動作。報警動作在人為關閉后復位，進入下一次報警邏輯循環判斷，從而控制蜂鳴器和發光二極管的狀態，發揮聲光報警的作用。

4 結 論

本文提出了一種基于LoRa 無線傳輸的大規模高壓開關柜的無線溫度監測系統的設計。本設計將無限物聯網LoRa技術應用至高壓開關柜溫度的智能采集系統上，極大地縮短了采集響應時間，提升了采集成功率，為電力系統的安全運行提供了有效的支撐。本文用STM32 單片機作為核心控制器，將DS18B20 溫度傳感器采集到的數據通過LoRa 無線通信技術統一傳輸到服務器中，進行數據存儲與顯示，同時對溫度數據進行判斷，超出設定溫度閾值即啟動報警動作。本文從系統整體結構、硬件的設計和軟件的設計三方面闡述了高壓開關柜無線溫度監測系統的研究，此系統將使工作人員即使在很遠的地方能清楚地掌握轄區內高壓開關柜的所有動態溫度狀況，如果所監測的高壓開關柜溫度有任何異常，工作人員可以及時地接收到報警信號并進行處理解決，大大提升了工作效率，有效地保障高壓開關柜的安全運行狀態。