淺談無(wú)線(xiàn)測溫監測系統在高壓開(kāi)關(guān)柜的設計應用

【摘要】針對高壓開(kāi)關(guān)柜需要實(shí)時(shí)監測溫度的需求，設計了一種無(wú)線(xiàn)測溫系統.該系統采用STM32F103為主控芯片，利用nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊和RS485通訊接口傳輸、接收和存儲溫度數據.測試結果表明，所設計系統較好地實(shí)現了溫度的實(shí)時(shí)監測.

【關(guān)鍵詞】高壓開(kāi)關(guān)柜；無(wú)線(xiàn)模塊；RS485通訊

0引言

在電力系統中，高壓開(kāi)關(guān)柜將斷路器、互感器及相關(guān)的控制電器、輔助設備等組合起來(lái)，封閉在金屬柜內，對供電系統的電能進(jìn)行接受和分配。然而，當電路中電流過(guò)大時(shí)，這種封閉式結構就會(huì )導致熱量集結，溫升加劇。若得不到有效散熱，長(cháng)期在此環(huán)境下運行，就會(huì )導致溫升告警、跳閘停電等事故，造成電力系統經(jīng)濟損失，據統計，每年約有40%的電力事故是由開(kāi)關(guān)設備溫升異常造成的，因此，需要采取措施監測高壓開(kāi)關(guān)柜的溫度。目前，常用的測溫方法中人工紅外測溫具有局限性，示溫蠟片不能及時(shí)跟蹤溫度。此外，開(kāi)關(guān)柜內環(huán)境惡劣，測溫系統需克服大電流、強磁場(chǎng)等環(huán)境干擾。針對現有測溫手段的缺陷，設計了一種高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)溫度監測系統，該系統能夠實(shí)現開(kāi)關(guān)柜內溫度實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測，可以實(shí)現設備溫升檢測的實(shí)時(shí)性、有效性，能夠及時(shí)發(fā)現溫度異常部位，有效避免事故發(fā)生。

1系統概述

通常溫度采集器安裝在高壓開(kāi)關(guān)柜需要測溫的節點(diǎn)部位，包括開(kāi)斷節點(diǎn)、母線(xiàn)觸頭及接點(diǎn)等，由6~12個(gè)溫度采集器構成1個(gè)測量集群，每個(gè)測量集群采用功耗低、傳輸速率高的nRF24L01無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊，將采集到的節點(diǎn)溫度傳輸到儀表控制終端，通過(guò)RS485通訊接口上傳到上位機.因此，高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)測溫系統主要包括溫度采集模塊和儀表控制終端兩大部分，由溫度傳感器、nRF24L01無(wú)線(xiàn)通信、RS485通信等組成，系統結構如圖1所示.溫度傳感器采集各測試點(diǎn)溫度，通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊nRF24L01將溫度數據匯集，實(shí)時(shí)顯示在儀表控制終端界面上.儀表控制終端采用STM32F103嵌入式芯片和RS485通信網(wǎng)絡(luò )，對溫度數據進(jìn)行傳輸、接收和存儲，同時(shí)具有設備自檢功能，對超溫數據發(fā)出警報。

2硬件設計

2.1溫度測量模塊

溫度傳感器采用DS18B20，測量溫度范圍從-20℃到120℃，通過(guò)主控制器將監測到的溫度值傳輸到nRF24L01無(wú)線(xiàn)通信模塊.DS18B20的接口電路如圖2所示.這部分MCU的主要功能是溫度采集和數據傳輸，數據量小，程序內容較簡(jiǎn)單，因此選擇STM8L051F3P6單片機實(shí)現數據存儲和傳輸控制。

2.2無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊

目前，短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)主要有藍牙、ZigBee、Wi-Fi、CC1101以及nRF24L01等?？紤]到高壓開(kāi)關(guān)柜高壓、大電流和強磁場(chǎng)等特殊的運行環(huán)境，以及控制模塊低功耗、低成本、小型化等技術(shù)要求，無(wú)線(xiàn)模塊采用Nordic公司的nRF24L01芯片進(jìn)行設計。STM8單片機與nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊接口電路如圖3所示，二者之間通過(guò)SPI接口進(jìn)行雙向通信。

2.3儀表控制終端模塊

控制終端電路采用STM32F103為核心進(jìn)行設計，主要包括LCD顯示、數據存儲與報警、無(wú)線(xiàn)通信和RS485通信，如圖1所示。顯示模塊采用2.8寸液晶顯示屏，控制芯片為ILI9341，存儲芯片采用AT24C64，選用帶隔離的RS485通信芯片，能夠有效增強設備的抗干擾能力，保證設備的穩定運行。

控制終端模塊主要功能包括：

（1）12路無(wú)線(xiàn)溫度顯示；

1. 報警溫度限值設置；

2. 記錄*近12次很高溫報警數據，所有數據均帶有時(shí)標記錄；

3. 通訊地址和波特率設定功能；

4. 設備具有自檢和自動(dòng)恢

復功能；

（6）數據通訊功能，通過(guò)數據總線(xiàn)將數據上傳到上一級采集器或者上傳到后臺.

3軟件設計

3.1溫度采集與發(fā)送模塊程序流程如圖4所示：

（1）溫度達到快速發(fā)送模式（報警溫度-20℃）時(shí)，溫度數據30s發(fā)送一次；

（2）溫度沒(méi)有達到快速發(fā)送模式時(shí)，30s進(jìn)行一次溫度采樣，當溫升超過(guò)5℃時(shí)，才將數據發(fā)送給儀表控制終端。

3.2控制終端模塊

儀表控制端程序流程如圖5所示.

1. 無(wú)線(xiàn)模塊接收到采集模塊的溫度數據，則進(jìn)行溫度顯示，若溫度達到設置的報警值，則記錄過(guò)溫時(shí)間，繼電器動(dòng)作報警；

2. 控制終端接收到系統設置的報文，則對儀表端控制參數進(jìn)行設置；

（3）若是接收到溫度查詢(xún)報文，則把溫度值送到儀表控制終端

4測試結果

由于在系統設置界面中測溫點(diǎn)數設置為12，因此，實(shí)時(shí)溫度顯示界面對應有12路溫度輸出.如圖6（a）~（c）所示為系統儀表控制終端顯示界面。此外，系統設置界面還可以對配對碼、溫度上下限、通信地址、波特率以及系統時(shí)間等進(jìn)行設置。設置溫度報警值為90℃，若實(shí)時(shí)溫度值超過(guò)這一溫度上，將在事件記錄界面記錄此次事件發(fā)生的時(shí)間、溫度值以及持續時(shí)間。事件記錄界面共有4頁(yè)，可以記錄12次報警事件，圖6（c）顯示的是其中的第1頁(yè)。

5安科瑞溫度在線(xiàn)監測系統解決方案

5.1概述

電氣接點(diǎn)在線(xiàn)測溫裝置適用于高低壓開(kāi)關(guān)柜內電纜接頭、斷路器觸頭、刀閘開(kāi)關(guān)、高壓電纜中間頭、干式變壓器、低壓大電流等設備的溫度監測，防止在運行過(guò)程中因氧化、松動(dòng)、灰塵等因素造成接點(diǎn)接觸電阻過(guò)大而發(fā)熱成為安全隱患，提高設備安全保障，及時(shí)、持續、準確反映設備運行狀態(tài)，降低設備事故率。

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)行通訊，系統設計遵循國際標準Modbus-RTU、Modbus-TCP等傳輸規約，安全性、可靠性和開(kāi)放性都得到了較大地提高。該系統具有遙信、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，可以監控無(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。

5.2應用場(chǎng)所

適合在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)、鋼廠(chǎng)、化工、水泥、數據中心、醫院、機場(chǎng)、電廠(chǎng)、煤礦等廠(chǎng)礦企業(yè)、變配電所等電力設備的溫度監測。

5.3系統結構

溫度在線(xiàn)監測系統結構圖

5.4系統功能

測溫系統主機Acrel-2000T安裝于值班監控室，可以遠程監視系統內所有開(kāi)關(guān)設備運行溫度狀態(tài)。系統具有以下主要功能：

1. 溫度顯示：顯示配電系統內每個(gè)測溫點(diǎn)的實(shí)時(shí)值，也可實(shí)現電腦WEB/手機APP遠程查看數據。

1. 溫度曲線(xiàn)：查看每個(gè)測溫點(diǎn)的溫度趨勢曲線(xiàn)。

1. 運行報表：查詢(xún)及打印各測溫點(diǎn)時(shí)間的溫度數據。

1. 實(shí)時(shí)告警：系統能夠對各測溫點(diǎn)異常溫度發(fā)出告警。系統具有實(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，告警方式有彈窗、語(yǔ)音告警等，還可以短信/APP推送告警消息，及時(shí)提醒值班人員。

1. 歷史事件查詢(xún)：能夠溫度越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析等。

5.5系統硬件配置

溫度在線(xiàn)監測系統主要由設備層的溫度傳感器和溫度采集/顯示單元，通訊層的邊緣計算網(wǎng)關(guān)以及站控層的測溫系統主機組成，實(shí)現變配電系統關(guān)鍵電氣部位的溫度在線(xiàn)監測。

6結論

系統采用STM32F103作為控制核心，無(wú)線(xiàn)模塊采用nRF24L01芯片，利用RS485接口的MODBUSRTU協(xié)議在主機和終端設備之間通訊。實(shí)驗結果表明，該系統能夠實(shí)時(shí)檢測12路溫度數據，能夠對報警溫度限值、通訊地址和波特率等參數進(jìn)行設置，對于*近12次很高溫報警數據，能夠顯示并帶有時(shí)標記錄。測試結果驗證了該系統的可行性，提高了開(kāi)關(guān)柜設備運行的安全性和可靠性。

參考文獻

[1]郭源.電力高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)源無(wú)線(xiàn)測溫關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.濟南：山東大學(xué)，2018.

[2]章俊偉.基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )技術(shù)在高壓開(kāi)關(guān)柜測溫中的應用研究［J］.傳感器世界，2014，20（7）：31-34.

[3]陳春.基于紅外測溫的低壓開(kāi)關(guān)柜一次接插件的溫度監測研究［J］.機電信息，2017（33）：85-86.

[4]吳邵董，賞煒.高低壓開(kāi)關(guān)柜溫度自動(dòng)控制系統設計［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2019（10）：63-65，69.

[5]王萍.無(wú)線(xiàn)測溫監測系統設計［J］.韶關(guān)學(xué)院學(xué)報·自然科學(xué)，2022(3):35-38.

[6]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版．

作者簡(jiǎn)介

李雪薇，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為無(wú)線(xiàn)測溫系統的設計與應用，郵箱:2881346390@qq.com；手機：17821733155（同微信）；QQ:2881346390