高壓開關(guān)觸頭溫度實時無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案

高壓開關(guān)柜其內(nèi)部通常有六組動靜觸頭和多處母排接頭，它是發(fā)電廠和變電站的重要電器設(shè)備。由于這些連接部件長期處于高電壓、大電流的工作狀態(tài)，只要觸頭或接頭的接觸電阻有微小的增大，都將引起觸頭或接頭處溫度升高，如果沒有及時處理，將會產(chǎn)生惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致燒毀高壓開關(guān)柜，甚至直接影響電力系統(tǒng)正常供電而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對高壓開關(guān)柜中觸頭和接頭的溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，對于保障高壓開關(guān)柜的安全運行，乃至電網(wǎng)的正常運轉(zhuǎn)具有十分重要意義。

　　在高電壓、大電流環(huán)境下，實現(xiàn)溫度的在線監(jiān)測需要解決高壓隔離和抗強(qiáng)電磁干擾的難題?，F(xiàn)有高壓開關(guān)觸頭溫度在線監(jiān)測技術(shù)主要有多種：

　　(1)在母排接頭和開關(guān)觸點的表面涂一層隨溫度變化而改變顏色的材料(如感溫臘)，通過觀察其顏色變化來大致確定溫度范圍。這種方法準(zhǔn)確度低、可讀性差，不能進(jìn)行定量和實時測量，方法原始并對員工的要求高。

　　(2)利用紅外測量儀，操作人員定時手持儀器對準(zhǔn)母排接頭和高壓開關(guān)觸點進(jìn)行測量。這種方法在0～200℃之間的溫度值誤差小、準(zhǔn)確度高，但是，仍然無法做到實時測量，而且價格高、光學(xué)器件在高壓場合使用不便。

　　(3)采用光纖的方式，這種方法具體實現(xiàn)又分為兩種，一種是采用光纖光柵溫度傳感器，另一種是僅利用光纖傳輸溫度信號，兩者都利用了光纖耐高壓、抗腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)點，該技術(shù)的最大缺陷是被測高壓帶電體與測量設(shè)備需要通過光纖連接，因此不能解決污閃的問題，嚴(yán)格地說該技術(shù)的安全性值得商榷；本文采用無線通信技術(shù)使溫度變送器與數(shù)據(jù)集中顯示器之間實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，可不改變開關(guān)柜內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)，就很好地解決高壓隔離的問題，同時采用低功耗設(shè)計和屏蔽技術(shù)解決由此帶來了溫度變送器使用壽命和抗強(qiáng)電磁干擾的問題。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介

　　本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由若干無線溫度變送器(以下簡稱變送器)、數(shù)據(jù)集中顯示器(以下簡稱DI)、監(jiān)控中心的上位機(jī)和通信鏈路四部分組成。變送器貼附于母排接頭表面和接近開關(guān)觸頭的觸臂上，變送器通過無線通信方式將溫度數(shù)據(jù)傳送給DI；DI安裝于高壓開關(guān)柜面板上，收集來自各變送器的溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理、存儲、顯示和實現(xiàn)相應(yīng)的報警控制功能，所有DI通過RS 485總線與監(jiān)控中心的上位機(jī)構(gòu)成分布式監(jiān)測系統(tǒng)。

　　2 變送器設(shè)計

　　2．1 硬件電路設(shè)計

　　變送器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由MCU、溫度傳感器、無線模塊nRF905、電源電路和包裹有屏蔽層和絕緣層的外殼組成。變送器采用PIC16LF628A單片機(jī)作為處理器，該處理器具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、低功耗、體積小等特點。溫度傳感器選用DS18B20，其測量范圍為-55～125℃，精度±0．5℃，通過單總線傳送數(shù)字溫度信號，具有使用簡單、可靠、體積小等優(yōu)點。

　　變送器電路設(shè)計如圖3，溫度傳感器U3的輸出連接到單片機(jī)的RB5引腳，U3的地連接到單片機(jī)的RB4引腳，用于控制溫度傳感器工作狀態(tài)，當(dāng)單片機(jī)進(jìn)入休眠時，停止溫度傳感器工作，以降低功耗；無線模塊U4選用nRF905無線鏈路控制器設(shè)計，用于在變送器和DI之間建立無線數(shù)據(jù)傳輸通道，通過SPI接口與單片機(jī)連接。為了確保變送器可靠運行，必須保證變送器和無線模塊電源電壓的穩(wěn)定，采用3．6 V的高效鋰電池經(jīng)電容C1～C6濾波后給變送器供電。

　　2．2 軟件設(shè)計

　　變送器主要執(zhí)行溫度采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳送工作。為了保證變送器能可靠工作5年以上，變送器的低功耗設(shè)計是本系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)，除了硬件上選用低功耗元器件外，重點是變送器的工作機(jī)制。主程序流程如圖4所示，主程序運行一次循環(huán)后進(jìn)入休眠，采用單片機(jī)硬件“看門狗”喚醒機(jī)制，1 s喚醒一次，對看門狗復(fù)位次數(shù)進(jìn)行計數(shù)，由計數(shù)值可得到時間的累加，在一定時間間隔內(nèi)(約5 s)啟動溫度傳感器并采回其數(shù)據(jù)。

　　其中數(shù)據(jù)采集模塊包含溫度采集控制算法和溫度采集。由于溫度傳感器的轉(zhuǎn)換時間較長(約1 s)，分為兩步采集：第一步啟動并開始轉(zhuǎn)換；第二步讀取溫度并置相關(guān)標(biāo)志。有采集標(biāo)志時，單片機(jī)在第一次喚醒執(zhí)行第一步，在第二次喚醒執(zhí)行第二步，這樣單片機(jī)大部分時間處于休眠狀態(tài)，以降低功耗。當(dāng)不進(jìn)行采集時，通過抬高溫度傳感器的地，關(guān)斷其工作電源，進(jìn)一步降低溫度傳感器消耗的功耗。

　　其中數(shù)據(jù)處理模塊包含溫度數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示，當(dāng)前溫度若超標(biāo)或與之前一次的溫度數(shù)據(jù)比較差值(溫升)超標(biāo)，變送器立即向DI發(fā)送最新溫度值；否則，直到采集達(dá)到12次，再向主機(jī)發(fā)送溫度值，即60 s發(fā)送一次，這樣設(shè)計的目的是為了讓DI判斷變送器是否在線，又能降低變送器功耗。數(shù)據(jù)傳送中包含載波檢測、數(shù)據(jù)發(fā)送和發(fā)送超時處理，載波檢測可以防止處于同一頻道的多個變送器同時發(fā)送數(shù)據(jù)引起的沖突。

　　2．3 無線通信協(xié)議設(shè)計

　　無線通信容易受到干擾，發(fā)送的數(shù)據(jù)越長受到干擾的程度越大，同時功耗也越大，所以設(shè)計中遵循的原則是：即要滿足應(yīng)用需求又要保證數(shù)據(jù)的可靠和低功耗。對變送器無線模塊的配置：可配置頻道達(dá)170個，頻道的選擇與DI地址綁定，就可以確保各個DI所組成的網(wǎng)絡(luò)不沖突；工作頻段為433 MHz；發(fā)射功率為-10 dBm，實測傳送距離可達(dá)50 m，已滿足現(xiàn)場應(yīng)用需求；為了提高穩(wěn)定性，開啟自動重發(fā)功能；發(fā)送和接收地址都為1 B，發(fā)送和接收字節(jié)都為4 B；禁止參考時鐘輸出，以降低功耗；CRC校驗為8 b模式；雖然無線數(shù)據(jù)包中已經(jīng)包含了地址匹配和CRC校驗，但是為了數(shù)據(jù)傳輸更可靠，數(shù)字幀中加入DI地址和變送器地址作為數(shù)據(jù)包的識別碼；則變送器發(fā)送至DI無線數(shù)據(jù)包格式如表1所示。

2．4 低功耗設(shè)計

　　變送器中功耗最大的是無線模塊，其他器件耗電量很小，而且大部分時間工作在休眠狀態(tài)下。當(dāng)nRF905處于接收狀態(tài)時，工作電流約為9 mA；處于發(fā)送狀態(tài)時，工作電流約為12．5 mA(輸出功率為-10 dBm時)。如果無線模塊一直運行，那么電池很快就會被耗盡。為了降低功耗，同時又保證數(shù)據(jù)通信暢通，根據(jù)系統(tǒng)對溫度測量的需求，變送器只發(fā)送數(shù)據(jù)不接收數(shù)據(jù)，無數(shù)據(jù)發(fā)送時，無線模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)，無線模塊休眠時功耗小于2μA；發(fā)送數(shù)據(jù)采用間歇式工作，當(dāng)溫度數(shù)據(jù)無異常，1 min上傳一次數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度數(shù)據(jù)異常時，立即上傳數(shù)據(jù)；無線模塊的休眠至開始發(fā)送數(shù)據(jù)時間tstart-up<0．2 ms，前導(dǎo)碼發(fā)送時間tpreamble<0．2 ms，無線數(shù)據(jù)包長度N all="6" B，傳輸速率BR=50 Kb／s，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢至無線模塊休眠時間toff<0．2 ms，則發(fā)送一次數(shù)據(jù)包時間Tsend為：

　　無線模塊的平均工作電流(μAh)=發(fā)送電流·Tsend·次數(shù)+休眠功耗=12．5×1．46×60／3 600+2=2．31μAh

　　單片機(jī)休眠時功耗小于2μA，變送器的靜態(tài)平均電流小于4．31μA，因此若變送器平均工作電流以5μh計算：

　　使用時間(年)=電池容量(Ah)／365(天)／24 h／平均電流(μAh)×1 000 000=1／365／24／5×1 000 000△22．8(年)

　　因此，理論計算用1 Ah的電池可供變送器工作22．8年。

　　經(jīng)實測，變送器發(fā)送一次數(shù)據(jù)的總時間T總=喚醒時間+Tsend+進(jìn)入休眠時間=1．6 ms，發(fā)送數(shù)據(jù)時的電流為14 mA，靜態(tài)時的平均電流為5．5μA，則1 Ah的電池可供變送器工作19年，已滿足設(shè)計需求。

　　2．5 抗電磁干擾設(shè)計

　　變送器貼附于母排接頭表面和接近開關(guān)觸頭的觸臂上，而母排或觸臂上有大電流流過，會形成較大的電磁場，對變送器造成很大的電磁干擾，因此，必須采取一定的屏蔽措施來保證變送器的可靠運行。變送器的實物剖面圖如圖6所示，除天線外接，其他所有電路包裝于一屏蔽的盒內(nèi)，最大程度減少電磁輻射對變送器的干擾；溫度傳感器貼附在導(dǎo)熱片上，變送器的導(dǎo)熱片一面貼于被測量的監(jiān)測點上，盒內(nèi)空間全部灌膠；為了提高絕緣性能，用熱縮管包裹整個變送器。

　　3 數(shù)據(jù)集中顯示器(DI)的設(shè)計

　　DI主要完成對各變送器的數(shù)據(jù)收集、處理、存儲、LCD顯示、報警信號輸出和與監(jiān)控中心通信等功能。其結(jié)構(gòu)如圖7所示，處理器選用具有ARM7內(nèi)核的32位高性能微處理器LPC2136；存儲模塊用于存儲系統(tǒng)的配置信息和各種數(shù)據(jù)；實時時鐘為系統(tǒng)提供精確時間；ID設(shè)置用于設(shè)置本機(jī)ID；無線模塊nRF905實時偵聽是否有變送器的數(shù)據(jù)；電源適配器將220 V市電轉(zhuǎn)換成+12 V和+5 V，給DI供電；RS 485用于與監(jiān)控中心的PC機(jī)通信；系統(tǒng)報警輸出所需的聲光報警經(jīng)繼電器隔離實現(xiàn)；LCD人機(jī)交互用于顯示當(dāng)前各變送器的溫度數(shù)據(jù)信息和DI的重要信息，現(xiàn)場用戶可執(zhí)行輸入、輸出操作，如變送器信息查詢和設(shè)置，DI運行日志查詢和配置等。為了實現(xiàn)對各種功能方便可靠操作，軟件設(shè)計上移植了實時性較好的μC／OS-Ⅱ作為操作系統(tǒng)。

　　4 應(yīng)用效果

　　監(jiān)控中心PC機(jī)客戶端軟件監(jiān)控主界面如圖8所示，從圖中可以看出實時刷新溫度值均在33℃左右。圖9為DI管理界面，可修改DI的基本信息、控制信息和配置信息；圖10為歷史數(shù)據(jù)查詢曲線圖，為高壓柜101的A相接觸點250條歷史記錄曲線。

　　5 結(jié) 語

　　本系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用條件，采用鋰電池供電和無線數(shù)據(jù)傳輸方式，并且采取了絕緣和抗電磁干擾措施，很好地解決了高低壓隔離、低功耗和抗強(qiáng)電磁干擾的技術(shù)難題，使本系統(tǒng)在可靠性、擴(kuò)展性、成本低和安裝維護(hù)方便等方面均具有突出優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于高電壓環(huán)境的溫度在線監(jiān)測領(lǐng)域。