淺談無線溫度監控系統在低功耗開關柜中的應用

摘要：為了能夠實現實時監測高壓開關柜的溫度狀況，提出種基于無線傳感器網絡的開關柜溫度在線監測系統。設計的無線溫度在線監測系統不僅解決了開關柜內高溫、高壓、強電磁感應等在惡劣環境下不易檢測的問題，而且從硬件選擇和軟件設計上實現超低功耗設計，能夠長時間實時監測高壓開關柜溫度，很大程度上延長了無線溫度監控系統的壽命。

關鍵詞：開關柜；在線監測；溫度；低功耗；無線

0 引言

       高壓開關柜作為發電廠及變電站中的重要設備，起到通斷、保護和控制等作用。[1]目普遍使用小車式開關柜，開關柜與斷 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熱。由于小車與開關柜因制造、運輸或安裝可能出現問題，或使用過程中發生氧化或腐蝕，都有可能引起觸頭接觸不良，造成接觸電阻增大等現象。過大的接觸電阻將導致觸頭溫度升高，發展到定程度可能燒毀觸頭，造成停電，甚至引起火災等嚴重事故。在長時間運行過程中，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熱，而這些位置的發熱也有可能導致火災事故。

        綜上所述，及時發現并處理開關柜觸頭過熱問題是防止此類事故發生的關鍵。由于開關柜處于高壓環境、空間狹小、結構復雜，人工巡檢存在很大困難和局限性，不能實時監測和提預警。因此開發套結構簡單，性能可靠，操作方便，成本低廉的開關柜觸頭溫度在線監測系統，實時測量和監視高壓開關柜內的溫度變化，預測可能引起火災或故障的局部過熱情況， 在故障發生之發出警報和檢修建議，是避免事故發生、控制故障惡化的有效手段，對于保證高壓開關柜的正常運行，提高電力系統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[4-6]，基于開關柜自身的特點設計了低功耗無線傳感網絡協議，實現了超低功耗長時間工作的無線測溫系統。

1 系統總體結構

        系統分為兩個部分，即無線溫度傳感器網絡和上位機監控系統。系統框圖如圖1所示。 

        無線傳感器網絡：無線傳感器節點分為溫敏電阻傳感器節點與數字溫濕度傳感器節點兩種，溫敏電阻傳感器節點根據主節點分配的時隙進行定時發送數據，數字溫濕度傳感器節點以相同時間間隔發送數據，兩種傳感器均通過無線芯片將溫度值發送給主節點，構成對多的星型網絡。

        上位機監控系統：無線主節點通過RS232串口將數據發送至上位機，上位機軟件由LabVIEW開發，可監控整個變電站中開關柜的溫度狀態，旦出現溫度過高便進行聲光報警，并對數據進行存儲，方便管理和歷史查詢。

圖1 測溫系統總框圖

2 無線測溫節點設計

       從降低節點功耗和簡化節點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絡節點。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測節點電壓。PIC16LF726對溫度傳感器進行采集，進行簡單的數據處理后由SPI發送至低功 耗集成射頻芯片CC1101，由CC1101進行無線數據傳輸。無線傳感器節點硬件框架如圖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、突發數據傳輸、清除信道評估、連接質量指示和電磁波激發提供廣泛的硬件支持。

       無線測溫節點采用超級電容與電池配合供電的方式，保證了傳感器節點可以長時間穩定工作，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。

       無線傳感器網絡采用對多的方式構成星型網絡，由于無線溫度節點電源容量有限，大多數時間均處于睡眠狀態，平均發送周期較長，發送間隔由主節點分配。主節點長時間處于接收狀態，實時接收溫敏電阻傳感器節點及溫濕度傳感器節點發送的溫濕度信息。當接收到溫敏電阻傳感器節點的信息后，主節點將根據當的溫敏電阻傳感器節點數目及上個節點到來的時間為傳感器計算下次傳送的時隙，并向子節點發送包含時隙信息的應答信息。當接收到溫濕度傳感器節點的信息后，主節點將回復應答信息防止多次發送。

        主節點接收到節點上傳的溫度信息后立即通過RS232串口將數據發送至上位機，由上位機軟件統進行顯示、存儲、報警。上位機還可向主節點主動發送命令信息，以改變網絡上傳周期等參數。

3 低功耗實驗結果分析

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， 防止產生泄漏電流。

     使能開門狗，關閉BOR，對單片機在不同工作速率下運行的功耗進行測試，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：關閉XOSC，芯片寄存器值保存，此時功耗為0.2μA，在WOR狀態中的sleep階段，功耗為0.5μA。不關閉XOSC，芯片寄存器值保存，此時功耗為100μA。

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

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

    （4）手動頻率校準：平均功耗為8.4mA。

    （5）發送/接收溢出狀態：平均功耗為1.7mA。

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

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

     CC1101發送功耗包括四個部分：配置寄存器狀態功耗、IDLE轉發送狀態功耗、時鐘自校準狀態功耗、發送數據狀態功耗。

      在這四個部分里，IDLE轉發送狀態時間較短，約為80μs， 自動時鐘校準時間不受PIC單片機運行速度影響，約占800μs， 功耗電流在10mA左右。

      配置寄存器狀態時間受CPU速度、SPI速度、發送數據字節數、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 配置寄存器狀態時間（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。

       對于發送數據狀態而言，僅與傳輸頻帶與數據發送速率有關，調整CPU與SPI分頻基本不會影響其速度。

       無線發送狀態是節點功耗很大的部分，通過調整無線模塊的發射功率，也可以進步降低節點整體功耗。

       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，發射功率為階梯功耗發射模式。將CPU速度配置為8M是為了平衡CPU功耗與無線發送功耗，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久性。當設備停電時，可以利用無線模塊自身的電池供電，保證無線測溫系統在任何狀態下都能可靠工作。

4 安科瑞無線測溫系統介紹及選型

      安科瑞無線測溫監控系統是根據當無線測溫系統的要求，在廣泛征求用戶和專家意見的基礎上,充分吸收當內外廠家的成功案例，并結合安科瑞多年來的豐富經驗，采用面向對象的分層分布式設計思想，結合自動化技術、計算機技術、網絡技術、通信技術而設計的款專業的無線測溫軟件。

4.1 Acrel-2000T無線測溫系統結構

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

      Acrel-2000T無線測溫監控系統具有遙信、遙測、遙控、遙調、遙設、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能。可以監控無線測溫系統的設備運行狀況，實現快速報警響應，預防嚴重故障發生。

      Acrel-2000T無線測溫監控系統主要特點是開放式系統結構，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，接口簡捷明了，主要包括主控模塊、人機界面、圖形組態、數據庫管理系統、通信管理等幾大模塊。

圖2 Acrel-2000T無線測溫系統結構圖

4.2 Acrel-2000T無線測溫系統功能

■實時監測

       Acrel-2000T無線測溫監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點的溫度數據及有關故障、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

      查詢各回路設備運行溫度報表.

■實時報警

       壁掛式無線測溫監控設備具有實時報警功能，設備能夠對溫度越限等事件發出告警。

■設備提供以下凡種告急方式：

       a.彈岀事件報驚窗口.

       b.實時語音報警功能，能夠對所有事件發出語音告警.

       C.短信吿警，可以向手機號發送吿警信息短信（需選配信貓）.

■歷史告警査詢

        Acrel-2000T無線測溫監控系統能夠對所有吿警事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統和告警等事件進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

■用戶權限管理

       Acrel-2000T無線測溫監控系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶權限管理功能。

通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如數據庫修改等）。可以定義不同級別用戶的 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）

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

     實時數據曲線可監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，電能環比，用電。

運維管理\通信狀態顯示監測接入系統設備的通信狀態。

■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。

4.3 安科瑞ARTM系列無線測溫終端產品選型

       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、母排等發熱接點，將測溫數據通過無線射頻技術傳至接收裝置，再由接收器485通訊至測溫終端或無線測溫系統（如圖3）。

圖3 電氣接點在線測溫結構圖

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 安科瑞無線收發器

       無線測溫收發器共有3種，通過無線射頻方式接收溫度數據。收發器根據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。

4.3.3 安科瑞顯示終端

      顯示裝置通過RS485連接收發器，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。方便操作人員現場及時查看電氣節點實時溫度的同時，也可以通過RS485或以太網通訊的方式在后臺系統查看現場情況。

5 結語

       在高壓輸電線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進行檢測，及時發現線路中出現的問題。在投入使用之后也要時刻注意電力傳輸過程中出現的問題，并及時解決，做好記錄，總結經驗，完善線路設計和施工方案。高壓輸電線路的設計與施工仍然需要深入研究，如何合理、經濟進行線路施工仍需要經驗的總結和不斷的學習，這樣才能推進電力事業的進步。

【參考文獻】

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

       [2]何建峰，王學敏.基于低功耗的開關柜無線溫度監控系統研制與應用.

       [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：繆建梅，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電氣防火限流式保護器的研發與應用