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淺談無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)在低功耗開關(guān)柜中的應(yīng)用

更新時間:2020-08-31 點擊次數(shù): 1091次

劉細(xì)鳳

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]目前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)測和提前預(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)生之前發(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)前的溫敏電阻傳感器節(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)、前導(dǎo)碼字節(jié)數(shù)、同步字節(jié)數(shù)影響。將前導(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)前無線測溫系統(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)前內(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,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(kuò)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jing方式:

       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ji號碼發(fā)送吿警信息短信(需選配短xin貓).

■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)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)授權(quán)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,用電前。

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jiAPP(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)。

圖3 電氣接點在線測溫結(jié)構(gòu)圖

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。

 

4.3.2 安科瑞無線收發(fā)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。

 

5 結(jié)語

       在高壓輸電線路架設(shè)成功之后不能盲目投入使用,要對前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:劉細(xì)鳳,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

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