電力系統(tǒng)中無(wú)線(xiàn)測(cè)溫裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
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易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：無(wú)線(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在很大程度上能解決傳統(tǒng)溫度監(jiān)控系統(tǒng)存在的問(wèn)題。本文研究將無(wú)線(xiàn)接收模塊接收、遠(yuǎn)程多點(diǎn)溫度采集和傳輸系統(tǒng)檢測(cè)到的多點(diǎn)溫度值轉(zhuǎn)移到主機(jī)顯示。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，具有一定的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)測(cè)溫裝置；電力系統(tǒng)；無(wú)線(xiàn)測(cè)溫；測(cè)溫傳感器；無(wú)線(xiàn)溫度傳感器；溫度傳感器
一、引言
電力系統(tǒng)對(duì)安全性有很高的要求，電力系統(tǒng)設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間的使用過(guò)程中會(huì)老化或出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并加以解決，就可能導(dǎo)致嚴(yán)重的事故，須嚴(yán)格監(jiān)視電力系統(tǒng)設(shè)備的工作狀態(tài)，其中對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜觸點(diǎn)的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)是非常重要的任務(wù)。溫度可以間接反映電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，許多故障都會(huì)導(dǎo)致溫度異常，因此非常需要對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。而在惡劣的生產(chǎn)條件下（例如發(fā)電機(jī)局部放電）很難使用常見(jiàn)的測(cè)量方法進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，因此開(kāi)發(fā)可靠且實(shí)用的多點(diǎn)溫度測(cè)量設(shè)備非常重要，無(wú)線(xiàn)技術(shù)可以用于克服現(xiàn)有有線(xiàn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)的許多缺點(diǎn)。
現(xiàn)有的成熟但研究不足的國(guó)外發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多使用電纜接線(xiàn)監(jiān)測(cè)，國(guó)內(nèi)大多數(shù)研究應(yīng)用也使用有線(xiàn)監(jiān)測(cè)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于IEEE 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。本文主要分析發(fā)電機(jī)無(wú)線(xiàn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)的配置和設(shè)計(jì)，以使多的人可以了解設(shè)計(jì)中某些概念帶來(lái)的便利。
二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
ZigBee無(wú)線(xiàn)溫度控制系統(tǒng)主要由ZigBee協(xié)調(diào)器、上位機(jī)STM32F103ZE和ZigBee終端三個(gè)大型模塊組成。無(wú)線(xiàn)溫度測(cè)量系統(tǒng)的目的是通過(guò)ZigBee通信協(xié)議將分布在不同位置的溫度值傳輸給PC，以便PC處理信息。在ZigBee終端節(jié)點(diǎn)上，溫度信息通過(guò)熱電偶收集，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)LAN傳輸給ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收溫度信息，然后使用模糊比例積分微分算法計(jì)算控制量溫度。處理單元收集溫度傳感器的溫度，并通過(guò)通信單元發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。由于溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有體積小、功耗低、易于安裝和在多種環(huán)境下使用的特性，因此其使用電池供電。
三、測(cè)溫節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)
測(cè)溫節(jié)點(diǎn)模塊原理框圖如圖1所示，處理單元采用NEC單片機(jī)，由于NEC單片機(jī)具有低功耗特性，因此通信設(shè)備采用2.4 GHz頻段NRF24L01。該芯片支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信，在該模式數(shù)據(jù)通信的情況下，一個(gè)接收器工作在相同的頻帶中，并且發(fā)送六個(gè)接收器，同時(shí)將節(jié)點(diǎn)的ID人為地添加到通信協(xié)議中，從而可以擴(kuò)展多的多點(diǎn)通信。
圖1 測(cè)溫節(jié)點(diǎn)模塊原理框圖
顯示異常溫度測(cè)量點(diǎn)：通常將原始的兩點(diǎn)接地改為單點(diǎn)接地，以處理發(fā)電機(jī)的異常溫度測(cè)量點(diǎn)，并改每個(gè)通道測(cè)量回路的接地方法。它建立了溫度和負(fù)荷之間的相關(guān)性分析模型，根據(jù)負(fù)荷情況預(yù)測(cè)溫度變化趨勢(shì)，并為負(fù)荷控制提供決策依據(jù)。
四、無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
4.1系統(tǒng)總體框圖
整個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng)電路分為下位機(jī)和上位機(jī)兩部分。下位機(jī)負(fù)責(zé)定期收集溫度數(shù)據(jù)并將其發(fā)送給上位機(jī)。主機(jī)用于將接收到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到與PC連接的通信控制器，框圖如圖2所示。
圖2 上位機(jī)與下位機(jī)總體框圖
4.2溫度采集端電路設(shè)計(jì)
一個(gè)無(wú)線(xiàn)收發(fā)器模塊和多個(gè)溫度傳感器構(gòu)成溫度收集部分，從而完成多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的采集和無(wú)線(xiàn)傳輸；另一個(gè)無(wú)線(xiàn)收發(fā)器模塊完成溫度數(shù)據(jù)的接收，并通過(guò)RS232接口模塊上載數(shù)據(jù)。STM32提供待機(jī)、睡眠和關(guān)機(jī)三種低功耗模式，用戶(hù)可以執(zhí)行合理的系統(tǒng)優(yōu)化。該模塊使用四線(xiàn)SPI接口，CS引腳連接到微控制器的RC0，INT連接到微控制器的RB0，WAKE連接到微控制器的RC1，RESET連接到微控制器的RC2。溫度采集器的發(fā)射頻率為428 439 MHz，發(fā)射信號(hào)為單頻信號(hào)，不同的頻率代表不同的信號(hào)。接收到信號(hào)后，通過(guò)信號(hào)放大和濾波處理，然后轉(zhuǎn)換為可識(shí)別的電信號(hào)以獲得溫度參數(shù)。
數(shù)據(jù)采集終端位于數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，由溫度傳感器、微控制器和射頻收發(fā)器組成。它通過(guò)射頻與數(shù)據(jù)接收器進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。為了在設(shè)計(jì)中減小該系統(tǒng)的尺寸，采用了片上RF系統(tǒng)，并且在芯片上集成了一系列微控制器和RF收發(fā)器。
4.3無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路設(shè)計(jì)
無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片的類(lèi)型很多，在設(shè)計(jì)過(guò)程中無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片的選擇非常重要，選擇合適的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片可以降低開(kāi)發(fā)難度，縮短開(kāi)發(fā)周期并降低開(kāi)發(fā)成本。無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)和基站根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)使用2.4 GHz頻率進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)協(xié)調(diào)器使用RS232接口連接到PC，而RXD和TXD分別連接到微控制器的RX和TX引腳。協(xié)調(diào)器通過(guò)該接口將溫度數(shù)據(jù)從每個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)可以通過(guò)VB調(diào)試接口讀取上傳的數(shù)據(jù)，以達(dá)到監(jiān)控目的。
在傳輸模式下，從壓控振蕩器（VCO）輸出的信號(hào)直接被傳輸?shù)焦β史糯笃鳎≒A）。RF輸出由添加到DIO引腳[稱(chēng)為頻移鍵控（FSK）]的數(shù)據(jù)控制。內(nèi)部的T/R切換電路使天線(xiàn)的連接和匹配設(shè)計(jì)加容易。PTR8000的工作電壓低，屬于低壓設(shè)備，在設(shè)計(jì)過(guò)程中就需要考慮這一點(diǎn)，STC89LE52微處理器用于連接設(shè)計(jì)，因此無(wú)須添加電平轉(zhuǎn)換電路，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。下行鏈路通過(guò)CAN總線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)連接到溫度采集器，以從連接的傳感器獲取溫度信息，根據(jù)設(shè)置的參數(shù)分析溫度信息，確定是否產(chǎn)生警告信息。上行和主站系統(tǒng)之間的通信采用RS485接口，并根據(jù)特定協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
五、無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
5.1系統(tǒng)的整體軟件框圖
系統(tǒng)在編程時(shí)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將系統(tǒng)的主要功能模塊編譯為的功能，由主程序調(diào)用，由于熱電偶安裝在發(fā)電機(jī)側(cè)并接地，因此從模塊側(cè)的接地中移除熱電偶信號(hào)可提高測(cè)量值。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法，整個(gè)程序由測(cè)溫模塊、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、與PC的串行通信模塊組成。軟件系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)的所有部分都用于無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，因此，無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸是整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中重要的部分。
圖3 軟件系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)處理流程
ZigBee協(xié)調(diào)器程序的主要功能是設(shè)置局域網(wǎng)管理終端的節(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)與STM32F03ZE的通信，而M32F03ZE主機(jī)程序主要實(shí)現(xiàn)與ZigBee協(xié)調(diào)器的通信并提供熟悉的人機(jī)界面。
5.2傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)選擇TI的CC2430，芯片本身具有八個(gè)A/D，處理器和無(wú)線(xiàn)通信模塊。傳感器節(jié)點(diǎn)由一個(gè)小型嵌入式系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和能源供應(yīng)模塊四部分組成。數(shù)據(jù)接收模塊
在從一個(gè)獲取模塊接收數(shù)據(jù)之后或發(fā)生通信超時(shí)之后結(jié)束與模塊的數(shù)據(jù)通信，并開(kāi)始向下一個(gè)數(shù)據(jù)獲取模塊發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令。當(dāng)所有數(shù)據(jù)采集模塊都與數(shù)據(jù)接收模塊匹配時(shí)，經(jīng)過(guò)一輪通信后，它會(huì)在數(shù)據(jù)采集模塊處重新啟動(dòng)，以此類(lèi)推。
5.3下位機(jī)與上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)和下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)上位機(jī)發(fā)送的命令的處理，該命令通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊發(fā)送到溫度采集模塊以選擇通道，然后發(fā)送無(wú)線(xiàn)接收信號(hào)，溫度參數(shù)被傳送到主機(jī)進(jìn)行處理。
5.3.1下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
下位機(jī)的主程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的初始設(shè)置，定義PTR引腳，配置PTR并設(shè)置波特率。它從父計(jì)算機(jī)接收命令，確定父計(jì)算機(jī)選擇的信道，并根據(jù)該信道發(fā)送相應(yīng)的無(wú)線(xiàn)電。相應(yīng)的溫度采集模塊的通道地址采集溫度，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮战邮瞻鍖⑼ㄟ^(guò)串口接收到的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行處理。
5.3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)軟件部分主要由數(shù)據(jù)編碼程序、數(shù)據(jù)解碼程序、初始化程序、數(shù)據(jù)發(fā)送/接收中斷處理程序、RS-485通信程序和上位機(jī)主程序組成。無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)器中斷處理程序與下位機(jī)的相同，并且所有程序均以IARC語(yǔ)言完成。當(dāng)通信控制器的輪詢(xún)信號(hào)點(diǎn)到達(dá)本機(jī)時(shí)，數(shù)據(jù)直接從存儲(chǔ)器中獲取并傳輸?shù)酵ㄐ趴刂破?，然后上傳到PC。下位機(jī)定期上載每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，并定期新內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。其中，由于外部或儀器質(zhì)量問(wèn)題而引起的周跳對(duì)準(zhǔn)確觀(guān)測(cè)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因?yàn)樵谔幚頂?shù)據(jù)時(shí)，它們通常少于10周，因此，可以使用關(guān)聯(lián)的軟件來(lái)解決小的循環(huán)跳躍問(wèn)題并擴(kuò)大循環(huán)滑移值。在測(cè)量過(guò)程中，由于存在接地電位差，并且熱電偶負(fù)極的電阻比接地電阻大得多，因此電流直接連接到熱電偶測(cè)量環(huán)路，并且在熱電偶負(fù)極的熱電偶上會(huì)疊加一個(gè)額外的壓降以進(jìn)行測(cè)量。發(fā)生異常時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差值，因此DCS顯示值比實(shí)際溫度低。
六、實(shí)驗(yàn)與分析
該系統(tǒng)主要用作子系統(tǒng)，以在正?；驕y(cè)試期間監(jiān)視相關(guān)工作條件參數(shù)的變化。實(shí)時(shí)讀取串口采集模塊的全局變量，并實(shí)時(shí)顯示在界面上，以便操作人員或監(jiān)控人員在進(jìn)行相應(yīng)的處理后及時(shí)進(jìn)行分析。為了監(jiān)視發(fā)電機(jī)線(xiàn)圈、軸承等的溫度而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，鉑電阻傳感器由TPE橡膠包裹制成，經(jīng)過(guò)高溫處理后，三根引線(xiàn)也以相同的方式處理。在發(fā)電機(jī)定子的三相繞組內(nèi)部，每相內(nèi)置兩個(gè)三線(xiàn)溫度傳感器Pt100，以監(jiān)視繞組溫度。
在本實(shí)驗(yàn)中，對(duì)發(fā)電機(jī)廠(chǎng)生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，表1列出了一些監(jiān)測(cè)溫度參量變化值。在表1中，當(dāng)發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，繞組的A相測(cè)量溫度在65℃～75℃之間，低于警報(bào)值（發(fā)電機(jī)繞組絕緣為F級(jí)）；繞組B相的溫度在55℃～76℃之間，低于報(bào)警值，繞組C相的溫度在68℃～77℃之間，也低于報(bào)警值，滿(mǎn)足測(cè)試條件的參數(shù)值要求參數(shù)設(shè)置模塊實(shí)現(xiàn)各種監(jiān)控狀態(tài)量的報(bào)警參數(shù)設(shè)置，并連接數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，將相應(yīng)的設(shè)置值存儲(chǔ)在參數(shù)表中，以備將來(lái)參考。事件歷史模塊主要調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)不同時(shí)期的歷史數(shù)據(jù)和趨勢(shì)分析，以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)狀態(tài)信號(hào)報(bào)警事件的查詢(xún)和顯示。
七、安科瑞測(cè)溫產(chǎn)品介紹
a.電池供電型無(wú)線(xiàn)溫度傳感器
安裝于發(fā)熱部位，采集溫度量并通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳輸?shù)膫鞲衅鳌?
目前無(wú)線(xiàn)溫度傳感器有三款：
b.CT感應(yīng)取電無(wú)線(xiàn)溫度傳感器
安裝于斷路器觸頭、母排、電纜搭接點(diǎn)等大電流處，采集溫度量并通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳輸?shù)膫鞲衅鳌?
目前無(wú)線(xiàn)溫度傳感器有兩款：
安科瑞無(wú)線(xiàn)測(cè)溫就地顯示配置：
ASD300/320智能操控裝置可連接12路無(wú)線(xiàn)溫度傳感器，ARTM-Pn無(wú)線(xiàn)測(cè)溫裝置可連接18路無(wú)線(xiàn)溫度傳感器，無(wú)源（CT取電）方式為ATE300（捆綁式安裝），有源（電池供電）方式為ATE100（螺栓式安裝，主要用于電纜/銅排等螺絲固定的搭接點(diǎn)）和ATE200（表帶式，主要用于斷路器觸頭等接點(diǎn)捆綁安裝，因安裝較ATE100方便，電纜/銅排等搭接點(diǎn)也常選用）。
無(wú)線(xiàn)測(cè)溫帶操顯功能（就地顯示）
Acrel-2000T/B無(wú)線(xiàn)測(cè)溫壁掛式監(jiān)控設(shè)備，內(nèi)存4G,硬盤(pán)128G,以太網(wǎng)口，顯示器12寸，分辨率800*600，可選Web平臺(tái)/App服務(wù)器，柜體尺寸480*420*200（單位mm），配置IPAD,安裝ACREL-2000/T軟件。就地實(shí)時(shí)顯示溫度分布以及報(bào)警等詳細(xì)參數(shù)。
無(wú)線(xiàn)測(cè)溫采集設(shè)備配置方案
八、結(jié)束語(yǔ)
為了在發(fā)電機(jī)組中應(yīng)用發(fā)電機(jī)溫度監(jiān)控，本文考慮了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、技術(shù)要求、電磁兼容性、電路功耗等因素，以及設(shè)計(jì)計(jì)劃、設(shè)備選擇、硬件電路設(shè)計(jì)和生產(chǎn)、微控制器程序設(shè)計(jì)和調(diào)試。對(duì)無(wú)線(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的配置和設(shè)計(jì)的研究就是這樣的例子，并且常規(guī)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原本不可能發(fā)生的許多問(wèn)題正在被方便地解決。數(shù)據(jù)處理和分析是通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)的，上位機(jī)軟件采用了可視化界面，使操作員操作起來(lái)加直觀(guān)。在編程軟件的控制下，在PC的主軟件界面觸發(fā)命令按鈕，以將命令發(fā)送到接收器，接收到部分處理指令后，該指令將發(fā)送到下位機(jī)以選擇通道。溫度收集模塊在接收到命令后收集溫度并以無(wú)線(xiàn)方式收集溫度，將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到接收器。通過(guò)該系統(tǒng)能夠大大地提高工人的工作效率并基于ZigBee的收集模塊可以在工作條件下實(shí)時(shí)收集和顯示必要的改。
【參考文獻(xiàn)】
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[2]蔣 燕，發(fā)電機(jī)無(wú)線(xiàn)測(cè)溫與監(jiān)控系統(tǒng)研究
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2020.06版
作者簡(jiǎn)介：
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)供配電
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