淺談無線測溫系統在高壓開關柜中的設計與應用選型

摘要：針對傳統的有線測溫方法因無法*解決高壓絕緣問題而不能應用于高壓開關柜溫度檢測的問題，設計了種高壓開關柜無線測溫系統，詳細介紹了該系統硬件及軟件設計，分析了系統測試過程中存在 的問題并給出了相應的化措施。測試結果表明，系統可穩定地運行于工作環境，滿足次安裝、２ａ內無需維護的要求。

關鍵詞：高壓開關柜；溫度檢測；無線網絡；ZiBee；JN5148；DS18B20

0 引 言

   高壓開關柜在運行過程中，柜內觸點與母線連接處、動靜觸頭電路發熱過大，易引發停電和火災事故。因此，高壓開關柜內溫度監測尤其是三相觸點溫度監測非常重要。

   高壓設備存在裸露電壓，傳統的有線溫度檢測方法因無法*解決高壓絕緣問題而不能應用。無線測溫系統采用無線電波進行信息傳輸，不需要布線，與高壓設備等電勢，不需要采取絕緣措施。因而無線測溫系統可解決高壓設備測溫難題。本文采用ＡＲＭ 單片機及無線模塊ＪＮ5148構建星形結構的無線傳感網絡，結合溫度傳感器實現高壓開關柜關鍵部位的溫度監測。

1 ZiBee技術

  ZiBee 網 絡 有 協 調 器 （Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ）、路 由（Ｒｏｕｔｅｒ）和終端（ＥｎｄＤｅｖｉｃｅ）３ 種功能器件［２］。２種功能器件具有信息中繼功能，稱為全功能設備（ＦｕｌｌＦｕｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ，ＦＦＤ），而終端只能接收、發送與本身有關的信息，稱 為精簡功能設備 （Ｒｅｄｕｃｅｄ ＦｕｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ，ＲＦＤ）。ZiBee網絡中協調器有且只有１個。ZiBee網絡結構有星形、網 狀、樹 狀 ３種，如圖１所示。其中星形結構具有便于集中控制、易維護、安全等點，因此本文采用星形網絡結構。

2 系統總體設計

   高壓開關柜無線測溫系統由測溫節點、中心節點、上位機３個部分組成，如圖２所示。三相觸點、母線連接處的溫度是監測重點，每個開關柜內三相觸點、３個母線連接處共６個位置各安裝１個測溫節點。三相觸點處測溫節點置于靜觸頭上，母線連接處測溫節點置于導電臂上，測溫節點均用高壓絕緣膠布綁扎固定。測溫節點傳感器與測溫部位間涂抹導熱硅脂以保證熱量的充分傳遞。測溫節點在ZiBee網絡中為終端節點。各開關柜內還放置１個中心節點，該節點方面作為ZiBee協調器建立網絡、收集數據，另方面作為 Ｍｏｄｂｕｓ從站響應來自上位機的請求幀，并在現場實時顯示監測數據。各開關柜內的６個測溫節點和１個中心節點組成個ZiBee星形網絡，不同開關柜內的ZiBee網絡有不同的網絡標號，各自之間不存在信號串擾問題。

  測溫節點在檢測溫度的同時，利用無線模塊內自帶的電壓檢測功能對節點供電電壓進行檢測，與溫度值同發送。上位機將接收到的溫度、電壓數據進行處理及存儲，并提供查詢功能，同時在溫度值超過預警值或電壓值低于閾值時發出警報。

3 系統硬件設計

3.1測溫節點

  測溫節點是高壓開關柜無線測溫系統的基本裝置，負責采集和發送溫度值、電壓值。它由 ＳＯＣ 芯片ＪＮ５１４８、單總線數字溫度傳感器 ＤＳ１８Ｂ２０ 和電源模塊組成，如圖３所示。

圖３ 測溫節點組成

  ＪＮ５１４８是由Ｊｅｎｎｉｃ公司生產的三代超低功耗、高 性 能 無 線 模 塊。ＪＮ５１４８ 可 支 持  新 的ZiBee協議———ZiBeePRO，休眠電流為２．６μＡ，通信距離（可視）可達１ｋｍ，發送電流為１５ ｍＡ，接收電流為 １７．５ ｍＡ，工 作電壓為 ２．３～３．６ Ｖ。３２位ＲＩＳＣ ＭＣＵ 保證了ＪＮ５１４８強大的處理能力。該系統中應用的ＪＮ５１４８模塊自帶陶瓷天線，免去了復雜的射頻設計環節和高成本的開發測試過程。

  ＤＳ１８Ｂ２０為 Ｄａｌｌａｓ公司生產的單總線數字溫度傳感器，采用外接電源的方法供電，溫度測量范圍為－５５～＋１２５ ℃，測量精度為0.5℃，可滿足系統測溫要求。

  電源模塊采用鋰電池直接供電方式。單節鋰電池額定電壓為3.6Ｖ，容量達２４００ ｍＡ·ｈ。

3.２中心節點

  中心節點結構如圖４所示。

  中心節點負責接收測溫節點傳來的信息并上傳信息給上位機，同時將信息顯示在放置于開關柜柜門上的液晶屏上，以供現場察看。為調整監測、通信參數，中心節點還接有鍵盤作為輸入設備。中心節點工作量大、占用管腳數多，用ＪＮ５１４８ 作為核心控制器存在程序不易設計、管腳數量少的缺點，故選用ＡＲＭ 系列 ＬＰＣ２１３２作為中心節點ＭＣＵ，ＪＮ５１４８僅作為無線傳輸單元，與ＬＰＣ２１３２之間通過串口通信。由于中心節點需要長時間不間斷工作，因此，電源采用電網交流供電。

4 系統軟件設計

  ＪＮ５１４８應用ZiBeePRO協議棧，運行在實時操作系統ＪｅｎＯＳ 上。ＪｅｎＯＳ 是由Ｊｅｎｎｉｃ公司開發的專門應用于無線傳感器網絡的操作系統。ＪｅｎＯＳ在調度不同先級的實時任務時具備及時性和靈活性。ＪＮ５１４８的集成開發環  境為ＣｏｄｅＢｌｏｃｋｓ，該軟件是Ｊｅｎｎｉｃ公司提供的代碼編輯和編譯環境，可在Ｊｅｎｎｉｃ站上免費下載，從而降低了開發成本。

4.1測溫節點軟件

  測溫節點上電后先對硬件進行初始化，然后搜索ZiBee網絡，如存在則加入網絡，加入網絡后即開始進行數據采集、發送等任務。當沒有數據采集、發送等任務時，測溫節點則進入睡眠模式。ＪＮ５１４８有工作、睡眠、深度睡眠３ 種功耗模式，因深度睡眠模式只能通過端口中斷觸發喚醒，本設計采用睡眠功耗模式，即由實時時鐘喚醒。為更及時地發現溫度異常情況，測溫節點采用動態睡眠機制，即在溫度 正常時睡眠時間為設定的基準值，當溫度升高時睡眠 時間將在基準值的基礎上減小，溫度越高睡眠時間越 短，溫度回到正常范圍后睡眠周期變為設定基準值。睡眠基準值范圍為３～６００ｓ。相對于溫度變化，電池電壓的變化較緩慢，故本設計中電壓檢測周期比溫度檢測周期大。圖５為測溫節點軟件程序流程。

4.2中心節點的ＪＮ５１４８模塊軟件

  中心節點的ＪＮ５１４８模塊在ZiBee網絡中作為協調器，上電后先對硬件初始化，然后搜索信道，在 未使用的信道上建立網絡，建網成功后即等待終端 加入網絡并發送數據，接收到數據后通過串口將數據傳給 ＬＰＣ２１３２。上位機與ＬＰＣ２１３２ 之間通過ＲＳ４８５現場總線連接，采用Ｍｏｄｂｕｓ協議傳輸信息。上位機作為 Ｍｏｄｂｕｓ主機，各開關柜內的 ＬＰＣ２１３２作為 Ｍｏｄｂｕｓ從機。圖６為中心節點的ＪＮ５１４８模塊軟件程序流程。

4.3上位機軟件

  上位機管理軟件采用面向對象的 ＶＢ６．０開發。上位機將接收到的溫度、電壓值及對應節點的ＩＤ按時間線存儲，經過處理后，用戶可通過該管理軟件查看任意節點在任意時刻的溫度值、電壓值及其變化趨勢圖。另外，該軟件可在溫度值超過預警值或電壓值低于閾值時發出報警信號，用戶根據節點的ＩＤ即可找到有異常情況的開關柜。

5 系統測試與化

  為驗證高壓開關柜測溫系統的可行性，筆者對該系統進行了測試。測試過程中發現如下問題：(1)高壓開關柜內電磁環境復雜，易對節點尤其是測溫節點正常工作產生影響。(2)高壓開關柜內存在高壓且允許隨意中斷工作，致使測溫節點后期維護不便。

  針對以上問題，筆者采取以下措施：(1)軟件、硬件抗干擾措施。軟件方面，應用數字編碼、解碼技 術剔除干擾信號，并 加入軟件濾波技術，同 時對ＤＳ１８Ｂ２０轉換溫度取３ 次平均值以消除隨機干擾；硬件方面，ＪＮ５１４８ 本身具有金屬屏蔽罩，同時加強各級濾波能力以消除高頻干擾。(2)軟件設計時增加自動重新加入網絡功能，保證在中心節點因某種原因重啟后，測溫節點能自動重新加入網絡，無需人工干預。

  為計算測溫節點鋰電池的供電時間，筆者在模擬開關柜環境下，用 ＴｅｋＤＰＯ４０５４數字示波器電流探頭對測溫節點的工作電流進行采樣，電流曲線如圖７所示。

  計算測溫節點鋰電池供電時間的難點在于溫度轉換時間、溫度轉換時工作電流及發射時間的獲取。如圖７所示，在 Ｔ０ 時刻測溫節點從睡眠狀態被喚醒，Ｔ１ 時刻３次溫度值轉換結束并發送數據，Ｔ２ 時刻數據發送完畢，測  溫節點重新進入睡眠狀態。ＪＮ５１４８ 模 塊 睡 眠 電 流 為 ２．６ μＡ，發 射 電 流 為 １５ ｍＡ，溫度轉換時間 Ｔ１ －Ｔ０、發射時間 Ｔ２ －Ｔ１分別為１５００ ｍｓ、１０ ｍｓ，溫度轉換時的工作電流Ｉ為１１ ｍＡ。以常規的測溫周期為５ ｍｉｎ 為例，得到鋰電池供電時間為

  可得鋰電池的理論供電時間約為４．７ａ。然而實際環境中鋰電池存在自放電問題，且電量不可能全部放盡，壽命無法達到４．７ａ，因此本設計中將運行年限設定為２ａ。

  系統經測試與化后，可穩定地運行于工作環境，而對測溫節點鋰電池供電時間的驗證，表明系統滿足次安裝、無需維護的要求。

6 安科瑞無線測溫系統介紹與選型

  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。

6.1 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8），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。

6.2 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警/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，可以向機號碼發送吿警信息短信（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。

6.3 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9）。

6.3.1 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。

6.3.2 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。

6.3.3 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。

7 結語

  高壓開關柜無線測溫系統采用片上系統高性能、低功耗無線微控制器ＪＮ５１４８ 與數字溫度傳感器 ＤＳ１８Ｂ２０為基本元件組建ZiBee無線系統，避免了復雜的現場布線過程，解決了高壓開關柜不易絕緣的問題。該系統通過現場總線與上位機通信，實現了高壓開關柜的遠程實時溫度監測。

【參考文獻】

[1] 王福凱，蘭西柱，董瑞琦，李海洪，趙殷瑤．高壓開關柜無線測溫系統設計［Ｊ］.工礦自動化，2012(7)：108-112．

[2] 孫科，肖賓杰．ZigBee技術在測溫系統中的應用［Ｊ］．測控技術，2008（１）：36-38.

[3] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2019.11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