淺談母線測溫監控系統的設計及研究應用

摘要：針對母線在長時間工作中易出現溫升過高進而導致火災的問題，設計了種母線溫度監測系統，其由溫度監測終端和上位機數據中心組成。溫度監測終端（ＰＴ１００ 型溫度傳感）實時采集母線溫度數據，并通過 ＲＳ４８５有線和ＺｉｇＢｅｅ無線兩種通信方式上傳至上位機。為提高溫度采集精度，硬件方面設計了溫度采集電路和采樣保持電路，軟件方面采用小二乘法分段線性擬合算法和均值濾波算法。經試驗驗證測溫精度可達０．１ ℃，滿足系統要求。

關鍵詞：母線；ＰＴ１００溫度傳感器；小二乘；線性擬合；濾波

0 引言

  隨著當今社會的發展和用電量的急劇上升，新型母線因方便、節能的點逐漸取代傳統電纜，成為 發電廠、變電站高壓開關柜的重要設備。母線采用銅排緊壓的方式，要求散熱和絕緣性能更高，若母線 觸點溫度過高，將會加速其絕緣老化，甚至可能引發火災。因此供電系統中任意個觸點發生熱故障，都將可能引發重大安全事故。為避免此類事故的發生，有必要建立母線溫度實時監測系統，觸點發生溫升過快時能夠迅速報警以便工作人員及時處理。

  目對母線溫度的監測大多依賴人工手持紅外測溫儀或分布式光纖測溫，存在效率低、精度差、安裝困難、無法適應母線復雜的應用環境等問題。本文建立的母線溫度監測系統采用模塊化設計，結合多種通信方式，將母線狀態信息直接傳輸至監控中心，實現多點溫度遠程實時監測，可應用于廠房、小區、商場等多種場所。

1 系統架構

  在母線溫度監測系統中，單片機作為下位機負責數據現場采集處理等，ＰＣ（ｐｅｒｓｏｎａｌｃｏｍｐｕｔｅｒ）機作為上位機負責數據的集中處理控制等。系統的主要結構如圖１ 所示。具體過程為：采用 ＰＴ１００型溫度傳感器直接測量母線溫度；測出的溫度數據通過 Ｚｉｇｂｅｅ無線通信方式傳輸給集中器，在鋪設有專線時也可以采用 ＲＳ４８５ 的通信方式上傳溫度信息以降低硬件成本；集中器將各個溫度檢測終端數據整理打包，并利用現有電力線通過電力載波方式發送給中繼器；安裝在監控室監控主機附近的中繼器再將數據通過網絡端口上傳到監控主機，從而逐級完成數據交換。ＰＣ 機到單片機的數據傳輸過程也是如此，從而實現母線溫度的監控與預警。

圖１ 系統架構

2 硬件設計

  使用單片機和 Ｚｉｇｂｅｅ 模塊完成智能母線溫度控制器的開發。Ｚｉｇｂｅｅ溫度監測終端控制器方案如圖２所示。

圖２ 溫度監測終端方案框圖

  該終端直接從母線取電，避免了因供電不足而需定期更換電池的問題。終端通過 ＰＴ１００ 型溫度傳感器探頭直接測量母線溫度，且運行時會根據上位機命令，通過 ＲＳ４８５總線或 Ｚｉｇｂｅｅ模塊發送監測觸點的狀態。

2.1溫度傳感器

  相對于價格昂貴且可能造成污染的光纖溫度傳感器，ＰＴ１００型鉑電阻更符合本文的需求。ＰＴ１００型鉑電阻廣泛應用于工業生產，具有采集信號穩定、精度高、測溫范圍廣、安裝方便等點［４］。其電阻將隨溫度的升高而增加，在０ ℃時電阻值為１００．０Ω，在１００ ℃時電阻值約為１３８．５Ω。ＰＴ１００型電阻的阻值與溫度ｔ 的關系式如式（１）所示。

式中：Ｒｔ為溫度ｔ 時的電阻值；Ｒ０ 為０ ℃時的電阻值；

ａ＝ ３．９０８３×１０－３ ℃－１ ；ｂ＝ －５．７７５×１０－７ ℃－２ ；ｃ＝－４．１８３×１０－１２ ℃－４。

  根據式（１）可知，ＰＴ１００型鉑電阻在０～６５０ ℃時與溫度呈非線性關系。非線性化關系將導致在實際應用中標定溫度時精度誤差大，調試步驟復雜，因此需對其作線性化處理。用兩點法直接進行線性化處理，如式（２）所示。

因此鉑電阻的非線性測溫誤差δ為

  在測量范圍為０～２００ ℃時，利用微積分計算可得，當ｔ＝９９．８ ℃ 時，誤差大，此時δ＝０．７６ Ω，由 ＰＴ１００熱電阻分度表可知其相當于鉑電阻２ ℃ 的變化量，即可知在０～２００ ℃時鉑電阻大非線性誤差為±２ ℃。

  實際應用中還需要考慮鉑電阻出廠時存在差異等問題，實際誤差可能更大。因此為減小此誤差并提高精度，需要重新建立數學模型。

2.2溫度采集電路

  鉑電阻的接線方式通常分為二線制、三線制和四線制。二線制無法消除引線電阻，測量精度差。三線制在工業上被廣泛應用，測量精度較高。四線制雖然測量精度更高，但電路復雜、造價高。因此本文采用三線制接線方式。

  三線制般配合電橋使用，溫度采集電路如圖３所示，由Ｒ１、Ｒ２、Ｒｔ和Ｒｓ組成電橋。其中，Ｒ１、Ｒ２、 Ｒｓ、Ｒ４、Ｒ５為精密電阻，Ｒｔ為鉑電阻；ＶＣＣ 為輸入電壓；ＧＮＤ 為接地線；ＲＴＤ０＋、ＲＴＤ０－ 分別為傳感器正負接入端；Ｃ１為精密電容。當溫度變化時，鉑電阻阻值發生變化，通過電橋電路轉化成輸出電壓，再經運算放大器ＬＭ　３５８和濾波電路接入 ＡＤ轉換 器，由 ＡＤ轉換器將電壓信號轉化成數字信號。

圖３ 溫度采集電路

2.3采樣保持電路 

  由于鉑電阻的阻值變化很微小，輸出電壓在毫 伏級別，因此電壓發生波動時會造成很大影響。為避免電路中的高頻干擾信號，以確保數據的確性，采用采樣保持電路，如圖４所示。

圖４ 采樣保持電路

  由圖４可知，電容Ｃ２與Ｃ３直接相連形成個充放電回路，其中，電容Ｃ２放電，電容Ｃ３充電。如果采樣的時間不夠，Ｃ２和Ｃ３上的電壓都無法達到穩定，這將造成Ｃ３的采樣電壓誤差較大，導致整體電 路精度下降。為盡量減小采樣時間不夠造成的誤差，需增大Ｃ２的容值。因此，要求Ｃ２的容值遠大于Ｃ３，以保證電壓變化在精度允許范圍內

3 算法設計 

  本系統測溫范圍為０～２００ ℃，鉑電阻的變化范 圍為１００．００～１７５．８６Ω。電橋電路的輸出電壓公式如 式（ ４）所示，分別將 Ｒｓ ＝１００Ω、 Ｒｔ ＝１７５．８６Ω代入式 （ ４），得到 Ｕ ０＝０～２９３．２００　０ｍＶ。ＡＤ的基準電壓為 ５　０００ｍＶ，而５　０００ ｍＶ／２９３．２００　０ ｍＶ≈１７倍，由ＰＴ１００熱電阻分度表可知，鉑電阻變化率平均為 ０．０３８５Ω／０．１ ℃，換算成電壓為０．１５９１ ｍＶ／０．１ ℃，經放大后為27mv/0.1℃而 ＡＤ 為１２ 位轉換器，由５０００ ｍＶ／２１２ ≈１．２ ｍＶ，因此理論上可 以實現0.１℃的精度

  式中： Ｕ ０ 為輸出電壓，ｍＶ；Ｅ為采集電路輸入電壓，Ｖ；Ｒ１＝Ｒ２＝１0００Ω， Ｒｓ ＝Ｒ０＝１００Ω。

3.1小二乘法 

  由式（ ４）可知，鉑電阻和輸出電壓成非線性關 系，曲線成上凸形式，而ＰＴ　１００電阻與溫度曲線也 呈上凸趨勢，導致結果誤差增大。如采用硬件修正， 電路將變得復雜且難以控制。本文采用軟件修正建模。 

  數據建模般分為插值和擬合兩種。插值方法 需要嚴格遵守數據，無法在插值時通過增加節點約 束來弱化數據波動而造成的差異，適合數據量較小 的情形；擬合方法允許函數在數據節點有誤差，但要求節點的誤差總體上達到小化，適合數據量較大的情形。 

  由于當模型數據量較大，為減小誤差，直接將 電壓和對應溫度數據采用小二乘法進行擬合，已 知 ｘ １、 ｘｎ 以及 ｙｉ ＝ ｆ （ ｘｉ ）（ ｉ ＝１， ２，…， ｎ ），由小二 乘法求得 ｆ （ ｘ ）的擬合直線φ ｘ （ ）＝ ａ ＋ ｂｘ ，具體計算如式（ ５）所示。根據式（ ５）通過 Ｍａｔｌａｂ軟件編寫程序并進行計算。

  由于模型的數據范圍較廣，如果直接進行大 范圍擬合，會使得每段的擬合精度下降，為保證 精度，需作分段處理。將０～２００ ℃分為０～５０ ℃、５０～１００ ℃、１００～１５０ ℃ 和 １５０～２００ ℃。 然后根據ＰＴ　１００型熱電阻分度表，分別得到每段的 １０個不同溫度對應的電阻值，代入式（ ４）得到電壓值， 將輸出電壓和對應溫度數據進行線性擬合，得出線性 方程，然后就可以將其直接應用到溫度求解算法中。這種方法既無須設計復雜的電路，也避免多次 計算帶來的誤差，同時保證了精度，提高了運算速度。 

  在０～５０℃區間內，溫度與對應電阻、輸出電壓 的計算結果如表１所示。

表1 ０～５０ ℃區間內溫度對應電阻和輸出電壓

  利用 Ｍａｔｌａｂ軟件對以上溫度和對應電壓值進行線性擬合，得到線性方程如式(6)所示。

  利用式（ ６）計算出理想溫度并與實際溫度進行 對比，得到誤差如圖５所示。

圖５　０～５０℃的誤差圖

  由圖５可以看出，端點處溫度的誤差大， 約為０．１８℃。 

  根據此原理可同樣計算得到５０～１００℃、１００～ １５０℃和１５０ ～２００ ℃的溫度和對應電壓的線性方 程，如式（7）所示。

3.2濾波算法

   A/D轉換器會將電壓信號轉換為數字信號，如果每次都只取新的采樣值，將無法過濾掉高頻信號 的干擾，易于造成較大誤差。滑動濾波均值法可有 效過濾高頻信號，提高采樣精度。具體方法是：把連 續取得的 Ｎ 個采樣值看成個隊列，隊列的長度固定為Ｎ ，每次采樣到個新數據放入隊尾，并扔掉原來隊的個數據，把隊列中的 Ｎ 個數據進行算術平均運算，獲得新 的濾波結果。濾波公式如式（8）所示

  根據式（ ８）得到的濾波對比效果圖如圖６所示。

圖６　濾波對比效果圖

  由圖６可以看出，經濾波后來自高頻干擾信號 的影響明顯減小，數據波動較濾波更加穩定。 ３．３　算法模型測試 以０～１００℃為例，溫度終端算法流程圖如圖７所示。

圖７　溫度終端算法流程圖

  溫度終端將采集到電壓值通過 Ａ／Ｄ轉換為數 字量，再經濾波后得到輸出電壓值，代入式（ ６）和（ ７） 得到溫度值。將測溫終端放入高低溫試驗箱內進行 測試，并將測試得到溫度數據與實際數據進行對比， 結果如表２所示。

  表２　實際溫度與測試溫度對比

  由表２可知，溫度大誤差為０．５５ ℃， 小誤差為０．１４℃。為了避免ＰＴ１００型溫度傳 感器出廠時可能存在系統誤差，進步保證系統的 測量精度，有必要對溫度進行標定。根據表２出現 的誤差，對每個溫度區間進行誤差補償。溫度補償 后實際溫度與測試溫度對比如表３所示。

  表３　溫度補償后實際溫度與測試溫度對比

  由表３可以看出，補償后的溫度誤差在０．１ ℃以內，*系統的要求。

4 軟件模塊 

4.1下位機 

  下位機工作流程圖如圖８所示。下位機會采集 實時溫度數據，當節點溫度超過閾值時，會通知上位 機處理；當收到上位機查詢狀態和修改閾值等命令 時，會根據命令進行相關操作。 

圖８　下位機工作流程

4.2上位機 

  智能母線溫度監測軟件主要通過Ｚｉ ｇｂｅｅ無線網絡或以太網兩種通信方式實現主機與溫度監測模 塊通信，智能母線監測軟件架構如圖９所示。在用 戶模式下可以在線獲取母線各節點的溫度，并對數 據進行處理、分析和保存；管理員模式可以對各個節 點信息進行添加、刪除、編輯等。

圖９　智能母線溫度監測軟件架構

5 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。

5.1 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10），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10 Acrel-2000T無線測溫系統結構圖

5.2 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。

5.3 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11）。

圖11 電氣接點在線測溫結構圖

5.3.1 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。

5.3.2 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。

5.3.3 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。

6 結語

  本文研發的智能母線監測系統可有效提高母線 的工作性能和可靠性。數據信息可通過多種傳輸方 式逐級上傳到ＰＣ機，保證了信息的實時性和準確性， 可有效解決電路設計復雜、母線槽內布線困難、數據易受干擾等問題。針對溫度采集模塊，設計了電橋電 路，且軟件中采用小二乘擬合法和均值濾波法，試 驗測試結果表明有效提高了溫度采集模塊的精度。該系統可應用于多個領域，具有較強的實用性。

【參考文獻】

[1]李慶杰，許志紅．封閉式母線槽溫濕度智能監測系統［Ｊ］．低壓電器計算機應用研究，2012（12）：17-20.

[2]張海洋，孫志軍，朱文龍，閆浩東.母線溫度監測系統的設計及研究.

[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