高压开关触头温度实时无线监测系统的设计与实现

0 引 言

高压开关柜是发电厂和变电站的重要电器设备，其内部通常有六组动静触头和多处母排接头。由于这些连接部件长期处于高电压、大电流的工作状态，只要触头或接头的接触电阻有微小的增大，都将引起触头或接头处温度升高，如果没有及时处理，将会产生恶性循环，最终导致烧毁高压开关柜，甚至直接影响电力系统正常供电而造成巨大的经济损失。因此，对高压开关柜中触头和接头的温度进行实时监测，对于保障高压开关柜的安全运行，乃至电网的正常运转具有十分重要意义。

在高电压、大电流环境下，实现温度的在线监测需要解决高压隔离和抗强电磁干扰的难题。现有高压开关触头温度在线监测技术主要有多种：

(1)在母排接头和开关触点的表面涂一层随温度变化而改变颜色的材料(如感温腊)，通过观察其颜色变化来大致确定温度范围。这种方法准确度低、可读性差，不能进行定量和实时测量，方法原始并对员工的要求高。

(2)利用红外测量仪，操作人员定时手持仪器对准母排接头和高压开关触点进行测量。这种方法在0～200℃之间的温度值误差小、准确度高，但是，仍然无法做到实时测量，而且价格高、光学器件在高压场合使用不便。

(3)采用光纤的方式，这种方法具体实现又分为两种，一种是采用光纤光栅温度传感器，另一种是仅利用光纤传输温度信号，两者都利用了光纤耐高压、抗腐蚀、抗电磁干扰等优点，该技术的最大缺陷是被测高压带电体与测量设备需要通过光纤连接，因此不能解决污闪的问题，严格地说该技术的安全性值得商榷；本文采用无线通信技术使温度变送器与数据集中显示器之间实现无线数据传输，可不改变开关柜内部的物理结构，就很好地解决高压隔离的问题，同时采用低功耗设计和屏蔽技术解决由此带来了温度变送器使用寿命和抗强电磁干扰的问题。

1 系统结构简介

本系统结构如图1所示，由若干无线温度变送器(以下简称变送器)、数据集中显示器(以下简称DI)、监控中心的上位机和通信链路四部分组成。变送器贴附于母排接头表面和接近开关触头的触臂上，变送器通过无线通信方式将温度数据传送给DI；DI安装于高压开关柜面板上，收集来自各变送器的温度数据并进行处理、存储、显示和实现相应的报警控制功能，所有DI通过RS 485总线与监控中心的上位机构成分布式监测系统。



2 变送器设计

2．1 硬件电路设计

变送器的结构如图2所示，主要由MCU、温度传感器、无线模块nRF905、电源电路和包裹有屏蔽层和绝缘层的外壳组成。变送器采用PIC16LF628A单片机作为处理器，该处理器具有抗电磁干扰能力强、低功耗、体积小等特点。温度传感器选用DS18B20，其测量范围为-55～125℃，精度±0．5℃，通过单总线传送数字温度信号，具有使用简单、可靠、体积小等优点。



变送器电路设计如图3，温度传感器U3的输出连接到单片机的RB5引脚，U3的地连接到单片机的RB4引脚，用于控制温度传感器工作状态，当单片机进入休眠时，停止温度传感器工作，以降低功耗；无线模块U4选用nRF905无线链路控制器设计，用于在变送器和DI之间建立无线数据传输通道，通过SPI接口与单片机连接。为了确保变送器可靠运行，必须保证变送器和无线模块电源电压的稳定，采用3．6 V的高效锂电池经电容C1～C6滤波后给变送器供电。

　2．2 软件设计

变送器主要执行温度采集、数据处理和数据传送工作。为了保证变送器能可靠工作5年以上，变送器的低功耗设计是本系统的一项关键技术，除了硬件上选用低功耗元器件外，重点是变送器的工作机制。主程序流程如图4所示，主程序运行一次循环后进入休眠，采用单片机硬件“看门狗”唤醒机制，1 s唤醒一次，对看门狗复位次数进行计数，由计数值可得到时间的累加，在一定时间间隔内(约5 s)启动温度传感器并采回其数据。




其中数据采集模块包含温度采集控制算法和温度采集。由于温度传感器的转换时间较长(约1 s)，分为两步采集：第一步启动并开始转换；第二步读取温度并置相关标志。有采集标志时，单片机在第一次唤醒执行第一步，在第二次唤醒执行第二步，这样单片机大部分时间处于休眠状态，以降低功耗。当不进行采集时，通过抬高温度传感器的地，关断其工作电源，进一步降低温度传感器消耗的功耗。

其中数据处理模块包含温度数据处理和数据传送。数据处理流程如图5所示，当前温度若超标或与之前一次的温度数据比较差值(温升)超标，变送器立即向DI发送最新温度值；否则，直到采集达到12次，再向主机发送温度值，即60 s发送一次，这样设计的目的是为了让DI判断变送器是否在线，又能降低变送器功耗。数据传送中包含载波检测、数据发送和发送超时处理，载波检测可以防止处于同一频道的多个变送器同时发送数据引起的冲突。

2．3 无线通信协议设计

无线通信容易受到干扰，发送的数据越长受到干扰的程度越大，同时功耗也越大，所以设计中遵循的原则是：即要满足应用需求又要保证数据的可靠和低功耗。对变送器无线模块的配置：可配置频道达170个，频道的选择与DI地址绑定，就可以确保各个DI所组成的网络不冲突；工作频段为433 MHz；发射功率为-10 dBm，实测传送距离可达50 m，已满足现场应用需求；为了提高稳定性，开启自动重发功能；发送和接收地址都为1 B，发送和接收字节都为4 B；禁止参考时钟输出，以降低功耗；CRC校验为8 b模式；虽然无线数据包中已经包含了地址匹配和CRC校验，但是为了数据传输更可靠，数字帧中加入DI地址和变送器地址作为数据包的识别码；则变送器发送至DI无线数据包格式如表1所示。



2．4 低功耗设计

变送器中功耗最大的是无线模块，其他器件耗电量很小，而且大部分时间工作在休眠状态下。当nRF905处于接收状态时，工作电流约为9 mA；处于发送状态时，工作电流约为12．5 mA(输出功率为-10 dBm时)。如果无线模块一直运行，那么电池很快就会被耗尽。为了降低功耗，同时又保证数据通信畅通，根据系统对温度测量的需求，变送器只发送数据不接收数据，无数据发送时，无线模块进入休眠状态，无线模块休眠时功耗小于2μA；发送数据采用间歇式工作，当温度数据无异常，1 min上传一次数据，当温度数据异常时，立即上传数据；无线模块的休眠至开始发送数据时间tstart-up<0．2 ms，前导码发送时间tpreamble<0．2 ms，无线数据包长度N all="6" B，传输速率BR=50 Kb／s，数据发送完毕至无线模块休眠时间toff<0．2 ms，则发送一次数据包时间Tsend为：



无线模块的平均工作电流(μAh)=发送电流·Tsend·次数+休眠功耗=12．5×1．46×60／3 600+2=2．31μAh

单片机休眠时功耗小于2μA，变送器的静态平均电流小于4．31μA，因此若变送器平均工作电流以5μh计算：

使用时间(年)=电池容量(Ah)／365(天)／24 h／平均电流(μAh)×1 000 000=1／365／24／5×1 000 000△22．8(年)

因此，理论计算用1 Ah的电池可供变送器工作22．8年。

经实测，变送器发送一次数据的总时间T总=唤醒时间+Tsend+进入休眠时间=1．6 ms，发送数据时的电流为14 mA，静态时的平均电流为5．5μA，则1 Ah的电池可供变送器工作19年，已满足设计需求。

2．5 抗电磁干扰设计

变送器贴附于母排接头表面和接近开关触头的触臂上，而母排或触臂上有大电流流过，会形成较大的电磁场，对变送器造成很大的电磁干扰，因此，必须采取一定的屏蔽措施来保证变送器的可靠运行。变送器的实物剖面图如图6所示，除天线外接，其他所有电路包装于一屏蔽的盒内，最大程度减少电磁辐射对变送器的干扰；温度传感器贴附在导热片上，变送器的导热片一面贴于被测量的监测点上，盒内空间全部灌胶；为了提高绝缘性能，用热缩管包裹整个变送器。


3 数据集中显示器(DI)的设计

DI主要完成对各变送器的数据收集、处理、存储、LCD显示、报警信号输出和与监控中心通信等功能。其结构如图7所示，处理器选用具有ARM7内核的32位高性能微处理器LPC2136；存储模块用于存储系统的配置信息和各种数据；实时时钟为系统提供精确时间；ID设置用于设置本机ID；无线模块nRF905实时侦听是否有变送器的数据；电源适配器将220 V市电转换成+12 V和+5 V，给DI供电；RS 485用于与监控中心的PC机通信；系统报警输出所需的声光报警经继电器隔离实现；LCD人机交互用于显示当前各变送器的温度数据信息和DI的重要信息，现场用户可执行输入、输出操作，如变送器信息查询和设置，DI运行日志查询和配置等。为了实现对各种功能方便可靠操作，软件设计上移植了实时性较好的μC／OS-Ⅱ作为操作系统。


4 应用效果

监控中心PC机客户端软件监控主界面如图8所示，从图中可以看出实时刷新温度值均在33℃左右。图9为DI管理界面，可修改DI的基本信息、控制信息和配置信息；图10为历史数据查询曲线图，为高压柜101的A相接触点250条历史记录曲线。

5 结 语

本系统结合现场应用条件，采用锂电池供电和无线数据传输方式，并且采取了绝缘和抗电磁干扰措施，很好地解决了高低压隔离、低功耗和抗强电磁干扰的技术难题，使本系统在可靠性、扩展性、成本低和安装维护方便等方面均具有突出优势，可广泛应用于高电压环境的温度在线监测领域。