淺談無(wú)線(xiàn)溫度監控系統在低功耗開(kāi)關(guān)柜中的應用

摘要：為了能夠實(shí)現實(shí)時(shí)監測高壓開(kāi)關(guān)柜的溫度狀況，提出一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)關(guān)柜溫度在線(xiàn)監測系統。設計的無(wú)線(xiàn)溫度在線(xiàn)監測系統不僅解決了開(kāi)關(guān)柜內高溫、高壓、強電磁感應等在惡劣環(huán)境下不易檢測的問(wèn)題，而且從硬件選擇和軟件設計上實(shí)現超低功耗設計，能夠長(cháng)時(shí)間實(shí)時(shí)監測高壓開(kāi)關(guān)柜溫度，很大程度上延長(cháng)了無(wú)線(xiàn)溫度監控系統的壽命。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)柜；在線(xiàn)監測；溫度；低功耗；無(wú)線(xiàn)

0 引言

       高壓開(kāi)關(guān)柜作為發(fā)電廠(chǎng)及變電站中的重要設備，起到通斷、保護和控制等作用。[1]目普遍使用小車(chē)式開(kāi)關(guān)柜，開(kāi)關(guān)柜與斷 路器之間均采用動(dòng)、靜觸頭連接，在動(dòng)、靜觸點(diǎn)接觸時(shí)，二者之間存在一個(gè)接觸電阻，電流流過(guò)會(huì )引起觸點(diǎn)的發(fā)熱。由于小車(chē)與開(kāi)關(guān)柜因制造、運輸或安裝可能出現問(wèn)題，或使用過(guò)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象。過(guò)大的接觸電阻將導致觸頭溫度升高，發(fā)展到一定程度可能燒毀觸頭，造成停電，甚至引起火災等嚴重事故。在長(cháng)期運行過(guò)程中，觸電和母線(xiàn)排連接處也可能因為老化或接觸電阻過(guò)大而發(fā)熱，而這些位置的發(fā)熱也有可能導致火災事故。

        綜上所述，及時(shí)發(fā)現并處理開(kāi)關(guān)柜觸頭過(guò)熱問(wèn)題是防止此類(lèi)事故發(fā)生的關(guān)鍵。由于開(kāi)關(guān)柜處于高壓環(huán)境、空間狹小、結構復雜，人工巡檢存在很大困難和局限性，不能實(shí)時(shí)監測和提預警。因此開(kāi)發(fā)一套結構簡(jiǎn)單，性能可靠，操作方便，成本低廉的開(kāi)關(guān)柜觸頭溫度在線(xiàn)監測系統，實(shí)時(shí)測量和監視高壓開(kāi)關(guān)柜內的溫度變化，預測可能引起火災或故障的局部過(guò)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(kāi)關(guān)柜的正常運行，提高電力系統運行的可靠性有著(zhù)非常重要的意義。[2-3]為了解決上述問(wèn)題，本文提出了基于超低功耗的無(wú)線(xiàn)測溫系統[4-6]，基于開(kāi)關(guān)柜自身的特點(diǎn)設計了低功耗無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，實(shí)現了超低功耗長(cháng)時(shí)間工作的無(wú)線(xiàn)測溫系統。

1 系統總體結構

        系統分為兩個(gè)部分，即無(wú)線(xiàn)溫度傳感器網(wǎng)絡(luò )和上位機監控系統。系統框圖如圖1所示。 

        無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )：無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)分為溫敏電阻傳感器節點(diǎn)與數字溫濕度傳感器節點(diǎn)兩種，溫敏電阻傳感器節點(diǎn)根據主節點(diǎn)分配的時(shí)隙進(jìn)行定時(shí)發(fā)送數據，數字溫濕度傳感器節點(diǎn)以相同時(shí)間間隔發(fā)送數據，兩種傳感器均通過(guò)無(wú)線(xiàn)芯片將溫度值發(fā)送給主節點(diǎn)，構成一對多的星型網(wǎng)絡(luò )。

        上位機監控系統：無(wú)線(xiàn)主節點(diǎn)通過(guò)RS232串口將數據發(fā)送至上位機，上位機軟件由LabVIEW開(kāi)發(fā)，可監控整個(gè)變電站中開(kāi)關(guān)柜的溫度狀態(tài)，一旦出現溫度過(guò)高便進(jìn)行聲光報警，并對數據進(jìn)行存儲，方便管理和歷史查詢(xún)。

圖1 測溫系統總框圖

2 無(wú)線(xiàn)測溫節點(diǎn)設計

       從降低節點(diǎn)功耗和簡(jiǎn)化節點(diǎn)硬件結構等角度考慮，本文基于低功耗處理器PIC16LF726和集成射頻芯片CC1101設計了溫度傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。溫度傳感器采用溫敏電阻傳感器，該傳感器不受周?chē)妶?chǎng)、磁場(chǎng)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測節點(diǎn)電壓。PIC16LF726對溫度傳感器進(jìn)行采集，進(jìn)行簡(jiǎn)單的數據處理后由SPI發(fā)送至低功 耗集成射頻芯片CC1101，由CC1101進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數據傳輸。無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)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 傳感器節點(diǎn)硬件框架

        CC1101是美國TI公司推出的一款低功耗、體積小、靈敏度高、集成度高、多通道的無(wú)線(xiàn)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還為數據包處理、數據緩沖、突發(fā)數據傳輸、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(wú)線(xiàn)測溫節點(diǎn)采用超級電容與電池配合供電的方式，保證了傳感器節點(diǎn)可以長(cháng)期穩定工作，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(gè)模塊的尺寸，還減少了電池爆破等情況造成的安全隱患。

       無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )采用一對多的方式構成星型網(wǎng)絡(luò )，由于無(wú)線(xiàn)溫度節點(diǎn)電源容量有限，大多數時(shí)間均處于睡眠狀態(tài)，平均發(fā)送周期較長(cháng)，發(fā)送間隔由主節點(diǎn)分配。主節點(diǎn)長(cháng)期處于接收狀態(tài)，實(shí)時(shí)接收溫敏電阻傳感器節點(diǎn)及溫濕度傳感器節點(diǎn)發(fā)送的溫濕度信息。當接收到溫敏電阻傳感器節點(diǎn)的信息后，主節點(diǎn)將根據當的溫敏電阻傳感器節點(diǎn)數目及上個(gè)節點(diǎn)到來(lái)的時(shí)間為傳感器計算下次傳送的時(shí)隙，并向子節點(diǎn)發(fā)送包含時(shí)隙信息的應答信息。當接收到溫濕度傳感器節點(diǎn)的信息后，主節點(diǎn)將回復應答信息防止多次發(fā)送。

        主節點(diǎn)接收到節點(diǎn)上傳的溫度信息后立即通過(guò)RS232串口將數據發(fā)送至上位機，由上位機軟件統一進(jìn)行顯示、存儲、報警。上位機還可向主節點(diǎn)主動(dòng)發(fā)送命令信息，以改變網(wǎng)絡(luò )上傳周期等參數。

3 低功耗實(shí)驗結果分析

3.1 PIC單片機功耗分析

    （1）待機電流：-2.0V時(shí)典型值為60nA。

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

    （3）低功耗看門(mén)狗定時(shí)器電流：-1.8V時(shí)典型值為0.5μA。

    （4）看門(mén)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(huì )消耗20多μA的電流，運行中注意合理配 置單片機內置的上拉電阻—禁止上拉電阻。

    （7）下載引腳有一個(gè)10k電阻，需要合理配置RE3引腳， 防止產(chǎn)生泄漏電流。

     使能開(kāi)門(mén)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(shí)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(shí)功耗為100μA。

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

    （3）由IDLE向RX或TX轉換：轉換過(guò)程中將進(jìn)行自動(dòng)頻率校準，平均功耗為8.4mA。

    （4）手動(dòng)頻率校準：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）：當接收速率為1. 2 K時(shí)，功耗為 15mA；當接收速率為38.4K時(shí)，功耗為15mA；當接收速率為250K時(shí)，功耗為15.7mA。

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

     CC1101發(fā)送功耗包括四個(gè)部分：配置寄存器狀態(tài)功耗、IDLE轉發(fā)送狀態(tài)功耗、時(shí)鐘自校準狀態(tài)功耗、發(fā)送數據狀態(tài)功耗。

      在這四個(gè)部分里，IDLE轉發(fā)送狀態(tài)時(shí)間較短，約為80μs， 自動(dòng)時(shí)鐘校準時(shí)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(shí)間受CPU速度、SPI速度、發(fā)送數據字節數、導碼字節數、同步字節數影響。將導碼同步字與發(fā)送數據字節數固定，改變CPU與SPI速度，測試CPU與SPI速度對功耗的影響，測試結果如表2所示。

表 2 配置寄存器狀態(tài)時(shí)間（ms）

       測試表明，CPU運行速度越快，轉換速度越快，SPI速度越快，轉換速度越快。

       對于發(fā)送數據狀態(tài)而言，僅與傳輸頻帶與數據發(fā)送速率有關(guān)，調整CPU與SPI分頻基本不會(huì )影響其速度。

       無(wú)線(xiàn)發(fā)送狀態(tài)是節點(diǎn)功耗很大的一部分，通過(guò)調整無(wú)線(xiàn)模塊的發(fā)射功率，也可以進(jìn)一步降低節點(diǎn)整體功耗。

       綜合以上測試結果，將本系統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(wú)線(xiàn)發(fā)送功耗，又保證了CPU工作 穩定性。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(shí)間+工作時(shí)間×電流+看門(mén)狗醒的時(shí)間×電流）/總時(shí)間 

       周期時(shí)間是12min，12×60×1000=720000ms；

       看門(mén)狗12分鐘醒30×12=360次，工作電流按照3mA計；

       PIC單片機工作時(shí)間：t=360×20us=7200us=7.2ms；

       CC1101工作時(shí)間：t=3.2ms，工作電流12mA計；

       總的時(shí)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(wú)線(xiàn)測溫模塊供電是利用耦合線(xiàn)圈從母線(xiàn)上實(shí)時(shí)取電，之后存儲在超級電容里，從而保證了無(wú)線(xiàn)測溫模塊供電的可靠性。當設備停電時(shí)，可以利用無(wú)線(xiàn)模塊自身的電池供電，保證無(wú)線(xiàn)測溫系統在任何狀態(tài)下都能可靠工作。

4 安科瑞無(wú)線(xiàn)測溫系統介紹及選型

      安科瑞無(wú)線(xiàn)測溫監控系統是根據當無(wú)線(xiàn)測溫系統的要求，在廣泛征求用戶(hù)和專(zhuān)家意見(jiàn)的基礎上,充分吸收當國內外廠(chǎng)家的成功案例，并結合安科瑞多年來(lái)的豐富經(jīng)驗，采用面向對象的分層分布式設計思想，結合自動(dòng)化技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、通信技術(shù)而設計的一款專(zhuān)業(yè)的無(wú)線(xiàn)測溫軟件。

4.1 Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測溫系統結構

      Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測溫監控系統通過(guò)RS485總線(xiàn)或以太網(wǎng)與間隔層的設備直接進(jìn)行通信（如圖2），系統設計遵循標準Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規約，安全性、可靠性和開(kāi)放性都得到了很大地提高。

      Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測溫監控系統具有遙信、遙測、遙控、遙調、遙設、事件報警、曲線(xiàn)、棒圖、報表和用戶(hù)管理功能?？梢员O控無(wú)線(xiàn)測溫系統的設備運行狀況，實(shí)現快速報警響應，預防嚴重故障發(fā)生。

      Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測溫監控系統主要特點(diǎn)是開(kāi)放式系統結構，硬件兼容性強，軟件移植性好，應用功能豐富。該系統具有強大的處理能力，快速的事件響應，友好的人機界面，方便的擴充手段。其軟件系統的設計依據軟件工程的設計規范,模塊劃分合理，接口簡(jiǎn)捷明了，主要包括主控模塊、人機界面、圖形組態(tài)、數據庫管理系統、通信管理等幾大模塊。

方式：

       a.彈岀事件報驚窗口.

       b.實(shí)時(shí)語(yǔ)音報警功能，能夠對所有事件發(fā)出語(yǔ)音告警.

       C.短信吿警，可以向號碼發(fā)送吿警信息短信.

■歷史告警査詢(xún)

        Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測溫監控系統能夠對所有吿警事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統和告警等事件進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。

■用戶(hù)權限管理

       Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測溫監控系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶(hù)權限管理功能。

通過(guò)用戶(hù)權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如數據庫修改等）?？梢远x不同級別用戶(hù)的 登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

■定值設置

      用于修改高溫定值、超溫定值。

■WEB（可選）

      展示頁(yè)面顯示變電站數量、變壓器數量、監測點(diǎn)位數量等概況信息， 設備溫度、通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。首頁(yè)顯示場(chǎng)站的變壓器數量、回路個(gè)數、有功功率、無(wú)功功率、用電量、事件記錄等概況信息，可通過(guò)實(shí)時(shí)監控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。

     實(shí)時(shí)數據曲線(xiàn)可監測各個(gè)回路的測點(diǎn)溫度、電壓、電流、功率曲線(xiàn)信息。

     接線(xiàn)圖頁(yè)面通過(guò)一次圖實(shí)時(shí)反映電氣參數變化，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(diǎn)支持）。

能耗統計頁(yè)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(xiàn)，電能環(huán)比，用電。

運維管理\通信狀態(tài)顯示監測接入系統設備的通信狀態(tài)。

■手機APP（可選）

      設備數據員面顯示各設備的電參量數據、溫 度數據以及曲線(xiàn)。

4.3 安科瑞ARTM系列無(wú)線(xiàn)測溫終端產(chǎn)品選型

       安科瑞電氣接點(diǎn)無(wú)線(xiàn)測溫方案由無(wú)線(xiàn)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(dòng)觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發(fā)熱接點(diǎn)，將測溫數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)測溫系統（如圖3）。

4.3.2 安科瑞無(wú)線(xiàn)收發(fā)器

       無(wú)線(xiàn)測溫收發(fā)器共有3種，通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻方式接收溫度數據。收發(fā)器根據不同的傳感器型號進(jìn)行匹配，同時(shí)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(guò)RS485連接收發(fā)器，可嵌入式安裝于柜體上，若柜體開(kāi)孔不便，也可選擇壁掛式安裝于配電室內。方便操作人員現場(chǎng)及時(shí)查看電氣節點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度的同時(shí)，也可以通過(guò)RS485或以太網(wǎng)通訊的方式在后臺系統查看現場(chǎng)情況。

5 結語(yǔ)

       在高壓輸電線(xiàn)路架設成功之后不能盲目投入使用，要對面提到的分支工程一一進(jìn)行檢測，及時(shí)發(fā)現線(xiàn)路中出現的問(wèn)題。在投入使用之后也要時(shí)刻注意電力傳輸過(guò)程中出現的問(wèn)題，并及時(shí)解決，做好記錄，總結經(jīng)驗，完善線(xiàn)路設計和施工方案。高壓輸電線(xiàn)路的設計與施工仍然需要深入研究，如何合理、經(jīng)濟進(jìn)行線(xiàn)路施工仍需要經(jīng)驗的總結和不斷的學(xué)習，這樣才能推進(jìn)電力事業(yè)的進(jìn)步。

【參考文獻】

       [1]徐東晟,許一聲.高壓開(kāi)關(guān)柜觸頭溫度在線(xiàn)監測的研究 [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(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)溫度監控系統研制與應用.

       [3]安科瑞用戶(hù)變電站綜合自動(dòng)化與運維解決方案   2020.05版