淺談無線測溫系統(tǒng)高壓開關(guān)柜的研究應(yīng)用

劉細鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：敘述了種以2. 4 G射頻技術(shù)實現(xiàn)單個溫度節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)傳輸，以485總線實現(xiàn)單個終端的溫度數(shù)據(jù)傳輸，以以太網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)所有終端與上位機進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)母邏洪_關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)是套完整的溫度采集與監(jiān)控系統(tǒng)，其中包括無線溫度采集節(jié)點，無線溫度接收終端，中間件，溫度集中采集器或上位機監(jiān)控軟件。

關(guān)鍵詞：MCU；2. 4 G；485總線；以太網(wǎng)

0 引言

高壓開關(guān)柜是電力系統(tǒng)中種重要的電氣設(shè)備，在對性要求*的電力系統(tǒng)中需要嚴(yán)格監(jiān)控高壓開關(guān)柜的工作狀態(tài)，其中對高壓開關(guān)柜內(nèi)觸頭的溫度監(jiān)控就是項極為重要的工作。高壓開關(guān)柜內(nèi)的觸頭作為母線與斷路器的交接點，本身接觸電阻比較大，在大電壓、大電流工況下容易老化而發(fā)熱，對柜內(nèi)的部件造成損傷，縮短開關(guān)柜的使用壽命，嚴(yán)重時會造成器件擊穿，造成火災(zāi)等嚴(yán)重事故。本文結(jié)合電力系統(tǒng)的實際需求，提出了種適用于電力系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)無線測溫集中采集的方案。

1 無線測溫集中采集系統(tǒng)原理

電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)無線測溫系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

1.1測溫節(jié)點

測溫節(jié)點包括溫度傳感器、處理單元、通信單元和電源部分。處理單元采集溫度傳感器的溫度，再通過通信單元將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送出去。由于測溫節(jié)點必須具備體積小、功耗低、易于安裝、使用環(huán)境多的特點，所以其電源部分使用電池供電。

1.2終端采集器

1臺終端采集器負(fù)責(zé)采集多路測溫節(jié)點，測溫節(jié)點的發(fā)送頻點必須與相應(yīng)的終端采集器的接收頻點保持致。不同的終端采集器使用不同的頻點來區(qū)別，以免發(fā)生頻率碰撞。

1.3中間件

該系統(tǒng)的中間件實現(xiàn) 485 總線轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的功能。對于小型的測溫網(wǎng)絡(luò)，比如只有幾套終端采集器，中間件可以使用簡單的單路485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)接口轉(zhuǎn)化器+工業(yè)路由器實現(xiàn)；如果是大型的測溫網(wǎng)絡(luò)，上位機監(jiān)控軟件需要比較多的終端采集器，中間件則可以使用通信管理機。

1.4上位機監(jiān)控

上位機通過以太網(wǎng)與中間件連接，使用 MODBUS-RTU協(xié)議與終端采集器進行數(shù)據(jù)交換，在上位機上運行監(jiān)控軟件實現(xiàn)所有溫度節(jié)點的實時溫度顯示，同時實現(xiàn)溫度上、下限的設(shè)置，報警，事件記錄，終端采集器的配置，溫度數(shù)據(jù)的月統(tǒng)計報表及相關(guān)報表顯示等等。

2 測溫節(jié)點模塊設(shè)計

測溫節(jié)點模塊原理框圖如圖2所示。處理單元采用NEC單片機，因為NEC單片機具有良的低功耗特性；通信單元采用2. 4 G頻段的NRF24L01芯 片，該芯片支持點對點、點對多點的數(shù)據(jù)通信，在同個頻段下運行，1個接收對6個發(fā)送，同時在通信協(xié)議中人為添加節(jié)點的ID，可以擴展更多的多點通信；電源部分采用 3. 6 V 工業(yè)級電池供電，容量為1200 mA/h。

圖2 測溫節(jié)點模塊原理

NEC單片機通過自帶的AD對溫度傳感器進行AD采集，經(jīng)計算轉(zhuǎn)換成為溫度值后送入射頻芯片后再發(fā)送出去。為了滿足超低功耗的需求，單片機每隔1 min進行次溫度采集和發(fā)送，其他時間處于休眠狀態(tài)。在溫度采集和發(fā)送過程中，單片機先采集溫度，然后喚醒射頻芯片，將溫度值送入該芯片后發(fā)送，然后再向其發(fā)送休眠命令，使得其進入休眠狀態(tài)，zui后單片機自身進入休眠狀態(tài)。2 min后由內(nèi)部定時器喚醒單片機，進行下次的溫度采集和發(fā)送。

3 終端采集器

終端采集器原理框圖如圖3所示。單片機將射頻芯片接收的溫度節(jié)點發(fā)送過來的溫度顯示到液晶屏幕上，同時將溫度數(shù)據(jù)存儲到 EEPROM 芯片內(nèi)。單片機的串口經(jīng)過485轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成485總線的數(shù)據(jù)，經(jīng)過中間件與上位機進行基于MODBUS協(xié)議的數(shù)據(jù)通信。終端采集器中，直接由 220 V 交流電轉(zhuǎn)雙5 V電源模塊提供兩個5 V電源，分別提供給單片機系統(tǒng)和485轉(zhuǎn)換模塊。終端采集器還具有鍵盤、液晶顯示、萬年歷配置與顯示，以及EEPROM數(shù)據(jù)存儲等功能。

圖3 終端采集器原理

4 中間件

中間件的作用是將所有終端采集器的485總線連接到以太網(wǎng)內(nèi)，實現(xiàn)上位機監(jiān)控軟件與終端采集器的無縫聯(lián)接。中間件的原理框圖如圖4所示。

圖4 中間件原理

5 上位機監(jiān)控軟件

上位機監(jiān)控軟件等效于整個無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)的溫度集中采集器，安裝在電力監(jiān)控室內(nèi)，監(jiān)控人員在上位機上通過監(jiān)控軟件完成對所有溫度節(jié)點的實時溫度監(jiān)控，同時實現(xiàn)溫度過高報警，溫度實時圖表顯示，報警歷史事件查詢，下位機故障檢測等

功能。

6 高壓開關(guān)柜無線測溫小型組網(wǎng)系統(tǒng)

圖5為使用串口服務(wù)器作為中間件，由6套下位機無線溫度采集終端組成的高壓開關(guān)柜無線測溫小型組網(wǎng)系統(tǒng)。

圖5 無線測溫小型組網(wǎng)系統(tǒng)

7 安科瑞無線測溫系統(tǒng)介紹與選型

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。

7.1 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)備直接進行通信（如圖6），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6 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

7.2 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、gao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，可以向人發(fā)送吿警信息短信

■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行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)和告警等事件進行歷史追溯，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）。可以定義不同級別用戶的 登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護、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)。

■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。

7.3 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7）。

圖7 電氣接點在線測溫結(jié)構(gòu)圖

7.3.1 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。

7.3.2 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。

7.3.3 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。

【參考文獻】

[1] 徐明，陽憲惠.高壓開關(guān)觸頭溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)[C].全工業(yè)控制計算機年會集.2008.

[2] 張智勇,余景華.高壓開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)的研究與組網(wǎng).

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06版.

作者簡介：劉細鳳，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