趙娜
 

　　安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
 

　　摘要：為了能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測高壓開關(guān)柜的溫度狀況，提出種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。設(shè)計的無線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)不僅解決了開關(guān)柜內(nèi)高溫、高壓、強電磁感應(yīng)等在惡劣環(huán)境下不易檢測的問題，而且從硬件選擇和軟件設(shè)計上實現(xiàn)超低功耗設(shè)計，能夠長時間實時監(jiān)測高壓開關(guān)柜溫度，很大程度上延長了無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)的壽命。
 

　　關(guān)鍵詞：開關(guān)柜；在線監(jiān)測；溫度；低功耗；無線
 

　　0 引言
 

　　高壓開關(guān)柜作為發(fā)電廠及變電站中的重要設(shè)備，起到通斷、保護(hù)和控制等作用。[1]目普遍使用小車式開關(guān)柜，開關(guān)柜與斷 路器之間均采用動、靜觸頭連接，在動、靜觸點接觸時，二者之間存在個接觸電阻，電流流過會引起觸點的發(fā)熱。由于小車與開關(guān)柜因制造、運輸或安裝可能出現(xiàn)問題，或使用過程中發(fā)生氧化或腐蝕，都有可能引起觸頭接觸不良，造成接觸電阻增大等現(xiàn)象。過大的接觸電阻將導(dǎo)致觸頭溫度升高，發(fā)展到定程度可能燒毀觸頭，造成停電，甚至引起火災(zāi)等嚴(yán)重事故。在長期運行過程中，觸電和母線排連接處也可能因為老化或接觸電阻過大而發(fā)熱，而這些位置的發(fā)熱也有可能導(dǎo)致火災(zāi)事故。
 

　　綜上所述，及時發(fā)現(xiàn)并處理開關(guān)柜觸頭過熱問題是防止此類事故發(fā)生的關(guān)鍵。由于開關(guān)柜處于高壓環(huán)境、空間狹小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，人工巡檢存在很大困難和局限性，不能實時監(jiān)測和提預(yù)警。因此開發(fā)套結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，操作方便，成本低廉的開關(guān)柜觸頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時測量和監(jiān)視高壓開關(guān)柜內(nèi)的溫度變化，預(yù)測可能引起火災(zāi)或故障的局部過熱情況， 在故障發(fā)生之發(fā)出警報和檢修建議，是避免事故發(fā)生、控制故障惡化的有效手段，對于保證高壓開關(guān)柜的正常運行，提高電力系統(tǒng)運行的可靠性有著非常重要的意義。[2-3]為了解決上述問題，本文提出了基于超低功耗的無線測溫系統(tǒng)[4-6]，基于開關(guān)柜自身的特點設(shè)計了低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實現(xiàn)了超低功耗長時間工作的無線測溫系統(tǒng)。
 

　　1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
 

　　系統(tǒng)分為兩個部分，即無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)和上位機監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
 

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：無線傳感器節(jié)點分為溫敏電阻傳感器節(jié)點與數(shù)字溫濕度傳感器節(jié)點兩種，溫敏電阻傳感器節(jié)點根據(jù)主節(jié)點分配的時隙進(jìn)行定時發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)字溫濕度傳感器節(jié)點以相同時間間隔發(fā)送數(shù)據(jù)，兩種傳感器均通過無線芯片將溫度值發(fā)送給主節(jié)點，構(gòu)成對多的星型網(wǎng)絡(luò)。
 

　　上位機監(jiān)控系統(tǒng)：無線主節(jié)點通過RS232串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機，上位機軟件由LabVIEW開發(fā)，可監(jiān)控整個變電站中開關(guān)柜的溫度狀態(tài)，旦出現(xiàn)溫度過高便進(jìn)行聲光報警，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，方便管理和歷史查詢。
 

圖1 測溫系統(tǒng)總框圖
 

　　2 無線測溫節(jié)點設(shè)計
 

　　從降低節(jié)點功耗和簡化節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)等角度考慮，本文基于低功耗處理器PIC16LF726和集成射頻芯片CC1101設(shè)計了溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。溫度傳感器采用溫敏電阻傳感器，該傳感器不受周圍電場、磁場等干擾，自身不需要電源供電，利用單片機IO 控制和AD采集傳感器分壓值監(jiān)測節(jié)點電壓。PIC16LF726對溫度傳感器進(jìn)行采集，進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)處理后由SPI發(fā)送至低功 耗集成射頻芯片CC1101，由CC1101進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。無線傳感器節(jié)點硬件框架如圖2所示。
 

　　PIC16F726的工作電壓范圍較寬，支持1.8V-3.6V的運行電壓，電容充放電壓電量不穩(wěn)的情況下也可以正常工作。在1MHz 待機電流典型值為60nA。
 

圖2 傳感器節(jié)點硬件框架
 

　　CC1101是美TI公司推出的款低功耗、體積小、靈敏度高、集成度高、多通道的無線收發(fā)芯片，CC1101芯片供電電壓為1.8V-3.6V，其靈敏度為-110dBm，在所有的工作頻段上，可編程輸出功率為-30～10dBm。CC1101還為數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、清除信道評估、連接質(zhì)量指示和電磁波激發(fā)提供廣泛的硬件支持。
 

　　無線測溫節(jié)點采用超級電容與電池配合供電的方式，保證了傳感器節(jié)點可以長期穩(wěn)定工作，電容供電降低了對電池容量的要求。電池容量的降低不僅縮減了整個模塊的尺寸，還減少了電池爆破等情況造成的安全隱患。
 

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用對多的方式構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)，由于無線溫度節(jié)點電源容量有限，大多數(shù)時間均處于睡眠狀態(tài)，平均發(fā)送周期較長，發(fā)送間隔由主節(jié)點分配。主節(jié)點長期處于接收狀態(tài)，實時接收溫敏電阻傳感器節(jié)點及溫濕度傳感器節(jié)點發(fā)送的溫濕度信息。當(dāng)接收到溫敏電阻傳感器節(jié)點的信息后，主節(jié)點將根據(jù)當(dāng)?shù)臏孛綦娮鑲鞲衅鞴?jié)點數(shù)目及上個節(jié)點到來的時間為傳感器計算下次傳送的時隙，并向子節(jié)點發(fā)送包含時隙信息的應(yīng)答信息。當(dāng)接收到溫濕度傳感器節(jié)點的信息后，主節(jié)點將回復(fù)應(yīng)答信息防止多次發(fā)送。
 

　　主節(jié)點接收到節(jié)點上傳的溫度信息后立即通過RS232串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機，由上位機軟件統(tǒng)進(jìn)行顯示、存儲、報警。上位機還可向主節(jié)點主動發(fā)送命令信息，以改變網(wǎng)絡(luò)上傳周期等參數(shù)。
 

　　3 低功耗實驗結(jié)果分析
 

　　3.1 PIC單片機功耗分析
 

　　(1)待機電流：-2.0V時典型值為60nA。
 

　　(2)工作電流：32kHz、2.0V時典型值為7.0μA；1MHz、2.0V時典型值為110μA。
 

　　(3)低功耗看門狗定時器電流：-1.8V時典型值為0.5μA。
 

　　(4)看門狗消耗電流：500nA。
 

　　(5)BOR消耗電流：8μA，睡眠可以關(guān)閉。
 

　　(6)上拉電阻會消耗20多μA的電流，運行中注意合理配 置單片機內(nèi)置的上拉電阻—禁止上拉電阻。
 

　　(7)下載引腳有個10k電阻，需要合理配置RE3引腳， 防止產(chǎn)生泄漏電流。
 

　　使能開門狗，關(guān)閉BOR，對單片機在不同工作速率下運行的功耗進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示。
 

　　表 1  PIC 不同工作速率下運行的功耗
 

　　測試表明，CPU運行速度越快，單片機功耗越大，適當(dāng)降低CPU運行速度可降低單片機功耗。
 

　　3.2 CC1101功耗分析
 

　　(1)掉電模式：關(guān)閉XOSC，芯片寄存器值保存，此時功耗為0.2μA，在WOR狀態(tài)中的sleep階段，功耗為0.5μA。不關(guān)閉XOSC，芯片寄存器值保存，此時功耗為100μA。
 

　　(2)IDLE模式：IDLE狀態(tài)為CC1101的過渡狀態(tài)，此時功耗為1.7mA。
 

　　(3)由IDLE向RX或TX轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換過程中將進(jìn)行自動頻率校準(zhǔn)，平均功耗為8.4mA。
 

　　(4)手動頻率校準(zhǔn)：平均功耗為8.4mA。
 

　　(5)發(fā)送/接收溢出狀態(tài)：平均功耗為1.7mA。
 

　　(6)接收狀態(tài)(433M)：當(dāng)接收速率為1. 2 K時，功耗為 15mA；當(dāng)接收速率為38.4K時，功耗為15mA；當(dāng)接收速率為250K時，功耗為15.7mA。
 

　　(7)發(fā)送狀態(tài)(433M)：發(fā)送功率為+10 dBm時，功耗為29.2mA；當(dāng)發(fā)送功率為0dBm時，功耗為16.0mA；當(dāng)發(fā)送功率為-10dBm時，功耗為13.1mA。
 

　　CC1101發(fā)送功耗包括四個部分：配置寄存器狀態(tài)功耗、IDLE轉(zhuǎn)發(fā)送狀態(tài)功耗、時鐘自校準(zhǔn)狀態(tài)功耗、發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)功耗。
 

　　在這四個部分里，IDLE轉(zhuǎn)發(fā)送狀態(tài)時間較短，約為80μs， 自動時鐘校準(zhǔn)時間不受PIC單片機運行速度影響，約占800μs， 功耗電流在10mA左右。
 

　　配置寄存器狀態(tài)時間受CPU速度、SPI速度、發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)、導(dǎo)碼字節(jié)數(shù)、同步字節(jié)數(shù)影響。將導(dǎo)碼同步字與發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)固定，改變CPU與SPI速度，測試CPU與SPI速度對功耗的影響，測試結(jié)果如表2所示。
 

　　表 2 配置寄存器狀態(tài)時間(ms)
 

測試表明，CPU運行速度越快，轉(zhuǎn)換速度越快，SPI速度越快，轉(zhuǎn)換速度越快。
 

　　對于發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)而言，僅與傳輸頻帶與數(shù)據(jù)發(fā)送速率有關(guān)，調(diào)整CPU與SPI分頻基本不會影響其速度。
 

　　無線發(fā)送狀態(tài)是節(jié)點功耗很大的部分，通過調(diào)整無線模塊的發(fā)射功率，也可以進(jìn)步降低節(jié)點整體功耗。
 

　　綜合以上測試結(jié)果，將本系統(tǒng)MCU速度配置為8M，SPI配置為4分頻，發(fā)射功率為階梯功耗發(fā)射模式。將CPU速度配置為8M是為了平衡CPU功耗與無線發(fā)送功耗，又保證了CPU工作 穩(wěn)定性。T波為梯形波，平均功耗低但通信效果好，符合低功耗要求。
 

　　平均電流=(待機電流×時間+工作時間×電流+看門狗醒的時間×電流)/總時間
 

　　周期時間是12min，12×60×1000=720000ms；
 

　　看門狗12分鐘醒30×12=360次，工作電流按照3mA計；
 

　　PIC單片機工作時間：t=360×20us=7200us=7.2ms；
 

　　CC1101工作時間：t=3.2ms，工作電流12mA計；
 

　　總的時間電流積為：720000×0.01mA+7.2×3mA+3.2×12mA=7200+21.6+36.24=7257mA×ms
 

　　平均電流：7257/720000=10.08uA
 

　　由于無線測溫模塊供電是利用耦合線圈從母線上實時取電，之后存儲在超級電容里，從而保證了無線測溫模塊供電的可靠性和永jiu性。當(dāng)設(shè)備停電時，可以利用無線模塊自身的電池供電，保證無線測溫系統(tǒng)在任何狀態(tài)下都能可靠工作。
 

　　4 安科瑞無線測溫系統(tǒng)介紹及選型
 

　　安科瑞無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)當(dāng)無線測溫系統(tǒng)的要求，在廣泛征求用戶和專家意見的基礎(chǔ)上,充分吸收當(dāng)內(nèi)外廠家的成功案例，并結(jié)合安科瑞多年來的豐富經(jīng)驗，采用面向?qū)ο蟮姆謱臃植际皆O(shè)計思想，結(jié)合自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)而設(shè)計的款專業(yè)的無線測溫軟件。
 

　　4.1 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
 

　　Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)通過RS485總線或以太網(wǎng)與間隔層的設(shè)備直接進(jìn)行通信(如圖2)，系統(tǒng)設(shè)計遵循標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規(guī)約，安全性、可靠性和開放性都得到了很大地提高。
 

　　Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)具有遙信、遙測、遙控、遙調(diào)、遙設(shè)、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能。可以監(jiān)控?zé)o線測溫系統(tǒng)的設(shè)備運行狀況，實現(xiàn)快速報警響應(yīng)，預(yù)防嚴(yán)重故障發(fā)生。
 

　　Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)主要特點是開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件兼容性強，軟件移植性好，應(yīng)用功能豐富。該系統(tǒng)具有強大的處理能力，快速的事件響應(yīng)，友好的人機界面，方便的擴充手段。其軟件系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)軟件工程的設(shè)計規(guī)范,模塊劃分合理，接口簡捷明了，主要包括主控模塊、人機界面、圖形組態(tài)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、通信管理等幾大模塊。
 

圖2 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
 

　　4.2 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)功能
 

　　■實時監(jiān)測
 

　　Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控軟件人機界面友好，能夠以配電次圖的形式直觀顯示各測溫節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)及有關(guān)故障、告警等信息
 

　　■溫度查詢
 

　　溫度歷史曲線(1分鐘、5分鐘、60分鐘可選)
 

　　■運行報表
 

　　查詢各回路設(shè)備運行溫度報表.
 

　　■實時報警
 

　　壁掛式無線測溫監(jiān)控設(shè)備具有實時報警功能，設(shè)備能夠?qū)囟仍较薜仁录l(fā)出告警。
 

　　■設(shè)備提供以下凡種告警fang式：
 

　　a.彈岀事件報驚窗口.
 

　　b.實時語音報警功能，能夠?qū)λ惺录l(fā)出語音告警.
 

　　C.短信吿警，可以向手機號ma發(fā)送吿警信息短信(需選配短信mao).
 

　　■歷史告警査詢
 

　　Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ袇叹录涗涍M(jìn)行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)和告警等事件進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。
 

　　■用戶權(quán)限管理
 

　　Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。
 

　　通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)*的操作(如數(shù)據(jù)庫修改等)?？梢远x不同級別用戶的 登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。
 

　　■定值設(shè)置
 

　　用于修改高溫定值、超溫定值。
 

　　■WEB(可選)
 

　　展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息， 設(shè)備溫度、通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。頁顯示場站的變壓器數(shù)量、回路個數(shù)、有功功率、無功功率、用電量、事件記錄等概況信息，可通過實時監(jiān)控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。
 

　　實時數(shù)據(jù)曲線可監(jiān)測各個回路的測點溫度、電壓、電流、功率曲線信息。
 

　　接線圖頁面通過次圖實時反映電氣參數(shù)變化，包括測量量、信號量等信息(信號量 需要斷路器提供輔助觸點支持)。
 

　　能耗統(tǒng)計頁面顯示各回路的功率峰值和用電量峰值，功率、電能趨勢曲線，電能環(huán)比，用電。
 

　　運維管理\通信狀態(tài)顯示監(jiān)測接入系統(tǒng)設(shè)備的通信狀態(tài)。
 

　　■手機APP(可選)
 

　　設(shè)備數(shù)據(jù)員面顯示各設(shè)備的電參量數(shù)據(jù)、溫 度數(shù)據(jù)以及曲線。
 

　　4.3 安科瑞ARTM系列無線測溫終端產(chǎn)品選型
 

　　安科瑞電氣接點無線測溫方案由無線溫度傳感器、收發(fā)器、顯示單元組成。溫度傳感器直接安裝于斷路器動觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發(fā)熱接點，將測溫數(shù)據(jù)通過無線射頻技術(shù)傳至接收裝置，再由接收器485通訊至測溫終端或無線測溫系統(tǒng)(如圖3)。
 

4.3.1 安科瑞無線溫度傳感器
 

　　無線溫度傳感器共有5種，分別對應(yīng)螺栓固定、表帶固定、扎帶捆綁、合金片固定等安裝方式。針對不同的變電站要求，可根據(jù)傳感器供電方式以及安裝位置的不同，考慮安裝方便的因素，選擇相匹配的傳感器。
 

　　無線測溫收發(fā)器共有3種，通過無線射頻方式接收溫度數(shù)據(jù)。收發(fā)器根據(jù)不同的傳感器型號進(jìn)行匹配，同時傳感器的傳輸距離決定接收裝置能否多柜接收。
 

4.3.3 安科瑞顯示終端
 

　　顯示裝置通過RS485連接收發(fā)器，可嵌入式安裝于柜體上，若柜體開孔不便，也可選擇壁掛式安裝于配電室內(nèi)。方便操作人員現(xiàn)場及時查看電氣節(jié)點實時溫度的同時，也可以通過RS485或以太網(wǎng)通訊的方式在后臺系統(tǒng)查看現(xiàn)場情況。
 

　　在高壓輸電線路架設(shè)成功之后不能盲目投入使用，要對面提到的分支工程進(jìn)行檢測，及時發(fā)現(xiàn)線路中出現(xiàn)的問題。在投入使用之后也要時刻注意電力傳輸過程中出現(xiàn)的問題，并及時解決，做好記錄，總結(jié)經(jīng)驗，完善線路設(shè)計和施工方案。高壓輸電線路的設(shè)計與施工仍然需要深入研究，如何合理、經(jīng)濟(jì)進(jìn)行線路施工仍需要經(jīng)驗的總結(jié)和不斷的學(xué)習(xí)，這樣才能推進(jìn)電力事業(yè)的進(jìn)步。
 

　　【參考文獻(xiàn)】
 

　　[1]徐東晟,許聲.高壓開關(guān)柜觸頭溫度在線監(jiān)測的研究 [J].高壓電器，2001，37(1)：54-55.
 

　　[2]何建峰，王學(xué)敏.基于低功耗的開關(guān)柜無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)研制與應(yīng)用.
 

　　[3]安科瑞用戶變電站綜合自動化與運維解決方案   2020.05版
 

　　作者簡介：趙娜，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事無線測溫系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。