電力系統中無(wú)線(xiàn)測溫裝置的設計與應用

摘要：無(wú)線(xiàn)溫度控制系統的設計在很大程度上能解決傳統溫度監控系統存在的問(wèn)題。本文研究將無(wú)線(xiàn)接收模塊接收、遠程多點(diǎn)溫度采集和傳輸系統檢測到的多點(diǎn)溫度值轉移到主機顯示。該系統結構簡(jiǎn)單，抗干擾性強，穩定性好，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)測溫裝置；電力系統；無(wú)線(xiàn)測溫；測溫傳感器；無(wú)線(xiàn)溫度傳感器；溫度傳感器

 

　　電力系統對安全性有很高的要求，電力系統設備在長(cháng)時(shí)間的使用過(guò)程中會(huì )老化或出現過(guò)熱現象，如果不能及時(shí)發(fā)現并加以解決，就可能導致嚴重的事故，須嚴格監視電力系統設備的工作狀態(tài)，其中對高壓開(kāi)關(guān)柜觸點(diǎn)的溫度進(jìn)行監測是非常重要的任務(wù)。溫度可以間接反映電氣設備的運行狀態(tài)，許多故障都會(huì )導致溫度異常，因此非常需要對電氣設備進(jìn)行溫度監測。而在惡劣的生產(chǎn)條件下（例如發(fā)電機局部放電）很難使用常見(jiàn)的測量方法進(jìn)行溫度監測，因此開(kāi)發(fā)可靠且實(shí)用的多點(diǎn)溫度測量設備非常重要，無(wú)線(xiàn)技術(shù)可以用于克服現有有線(xiàn)溫度監控系統的許多缺點(diǎn)。

　　現有的成熟但研究不足的國外發(fā)電機狀態(tài)監測系統大多使用電纜接線(xiàn)監測，國內大多數研究應用也使用有線(xiàn)監測。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是基于IEEE 802.15.4技術(shù)標準和ZigBee網(wǎng)絡(luò )協(xié)議設計的無(wú)線(xiàn)數據傳輸網(wǎng)絡(luò )。本文主要分析發(fā)電機無(wú)線(xiàn)溫度監控系統的配置和設計，以使更多的人可以了解設計中某些概念帶來(lái)的便利。

 

　　ZigBee無(wú)線(xiàn)溫度控制系統主要由ZigBee協(xié)調器、上位機STM32F103ZE和ZigBee終端三個(gè)大型模塊組成。無(wú)線(xiàn)溫度測量系統的目的是通過(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)調器，協(xié)調器接收溫度信息，然后使用模糊比例積分微分算法計算控制量溫度。處理單元收集溫度傳感器的溫度，并通過(guò)通信單元發(fā)送溫度數據。由于溫度測量節點(diǎn)應具有體積小、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。

 

　　測溫節點(diǎn)模塊原理框圖如圖1所示，處理單元采用NEC單片機，由于NEC單片機具有低功耗特性，因此通信設備采用2.4 GHz頻段NRF24L01。該芯片支持點(diǎn)對點(diǎn)數據通信，在該模式數據通信的情況下，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)將節點(diǎn)的ID人為地添加到通信協(xié)議中，從而可以擴展更多的多點(diǎn)通信。

　　

圖1 測溫節點(diǎn)模塊原理框圖

　　顯示異常溫度測量點(diǎn)：通常將原始的兩點(diǎn)接地更改為單點(diǎn)接地，以處理發(fā)電機的異常溫度測量點(diǎn)，并更改每個(gè)通道測量回路的接地方法。它建立了溫度和負荷之間的相關(guān)性分析模型，根據負荷情況預測溫度變化趨勢，并為負荷控制提供決策依據。

 

　　整個(gè)溫度測量系統電路分為下位機和上位機兩部分。下位機負責定期收集溫度數據并將其發(fā)送給上位機。主機用于將接收到的溫度數據發(fā)送到與PC連接的通信控制器，框圖如圖2所示。

　　

圖2 上位機與下位機總體框圖

　　一個(gè)無(wú)線(xiàn)收發(fā)器模塊和多個(gè)溫度傳感器構成溫度收集部分，從而完成多點(diǎn)溫度數據的采集和無(wú)線(xiàn)傳輸；另一個(gè)無(wú)線(xiàn)收發(fā)器模塊完成溫度數據的接收，并通過(guò)RS232接口模塊上載數據。STM32提供待機、睡眠和關(guān)機三種低功耗模式，用戶(hù)可以執行合理的系統優(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****頻率為428 439 MHz，****信號為單頻信號，不同的頻率代表不同的信號。接收到信號后，通過(guò)信號放大和濾波處理，然后轉換為可識別的電信號以獲得溫度參數。

　　數據采集終端位于數據采集點(diǎn)，由溫度傳感器、微控制器和射頻收發(fā)器組成。它通過(guò)射頻與數據接收器進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。為了在設計中減小該系統的尺寸，采用了片上RF系統，并且在芯片上集成了一系列微控制器和RF收發(fā)器。

　　無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片的類(lèi)型很多，在設計過(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)傳感器節點(diǎn)和****根據國際標準使用2.4 GHz頻率進(jìn)行通信和數據傳輸。系統協(xié)調器使用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)調器通過(guò)該接口將溫度數據從每個(gè)節點(diǎn)傳輸到上位機，上位機可以通過(guò)VB調試接口讀取上傳的數據，以達到監控目的。

　　在傳輸模式下，從壓控振蕩器（VCO）輸出的信號直接被傳輸到功率放大器（PA）。RF輸出由添加到DIO引腳[稱(chēng)為頻移鍵控（FSK）]的數據控制。內部的T/R切換電路使天線(xiàn)的連接和匹配設計更加容易。PTR8000的工作電壓低，屬于低壓設備，在設計過(guò)程中就需要考慮這一點(diǎn)，STC89LE52微處理器用于連接設計，因此無(wú)須添加電平轉換電路，可以提高系統的穩定性。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，根據設置的參數分析溫度信息，確定是否產(chǎn)生警告信息。上行和主站系統之間的通信采用RS485接口，并根據特定協(xié)議實(shí)現數據傳輸。

 

　　系統在編程時(shí)采用模塊化的設計思想，將系統的主要功能模塊編譯為獨立的功能，由主程序調用，由于熱電偶安裝在發(fā)電機側并接地，因此從模塊側的接地中移除熱電偶信號可提高測量值。該系統的軟件設計采用模塊化、結構化的設計方法，整個(gè)程序由測溫模塊、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、與PC的串行通信模塊組成。軟件系統的整體數據處理流程如圖3所示。整個(gè)系統的所有部分都用于無(wú)線(xiàn)數據傳輸，因此，無(wú)線(xiàn)數據傳輸是整個(gè)系統軟件設計中重要的部分。

　　　

圖3 軟件系統的整體數據處理流程

　　ZigBee協(xié)調器程序的主要功能是設置局域網(wǎng)管理終端的節點(diǎn)以實(shí)現與STM32F03ZE的通信，而M32F03ZE主機程序主要實(shí)現與ZigBee協(xié)調器的通信并提供熟悉的人機界面。

　　該系統的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(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。傳感器節點(diǎn)由一個(gè)小型嵌入式系統組成，該系統由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和能源供應模塊四部分組成。數據接收模塊

　　在從一個(gè)獲取模塊接收數據之后或發(fā)生通信超時(shí)之后結束與模塊的數據通信，并開(kāi)始向下一個(gè)數據獲取模塊發(fā)送數據請求命令。當所有數據采集模塊都與數據接收模塊匹配時(shí)，經(jīng)過(guò)一輪通信后，它會(huì )在數據采集模塊處重新啟動(dòng)，以此類(lèi)推。

　　系統的軟件設計包括上位機和下位機軟件設計。下位機軟件設計主要實(shí)現對上位機發(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，溫度參數被傳送到主機進(jìn)行處理。

　　下位機的主程序實(shí)現系統的初始設置，定義PTR引腳，配置PTR并設置波特率。它從父計算機接收命令，確定父計算機選擇的信道，并根據該信道發(fā)送相應的無(wú)線(xiàn)電。相應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)傳輸模塊將溫度數據傳輸到接收接收板將通過(guò)串口接收到的溫度數據傳輸到上位機進(jìn)行處理。

　　上位機軟件部分主要由數據編碼程序、數據解碼程序、初始化程序、數據發(fā)送/接收中斷處理程序、RS-485通信程序和上位機主程序組成。無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)器中斷處理程序與下位機的相同，并且所有程序均以IARC語(yǔ)言完成。當通信控制器的輪詢(xún)信號點(diǎn)到達本機時(shí)，數據直接從存儲器中獲取并傳輸到通信控制器，然后上傳到PC。下位機定期上載每個(gè)測量點(diǎn)的溫度數據，并定期更新內存中的數據。其中，由于外部或儀器質(zhì)量問(wèn)題而引起的周跳對準確觀(guān)測產(chǎn)生嚴重影響，因為在處理數據時(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)題并擴大循環(huán)滑移值。在測量過(guò)程中，由于存在接地電位差，并且熱電偶負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量環(huán)路，并且在熱電偶負極的熱電偶上會(huì )疊加一個(gè)額外的壓降以進(jìn)行測量。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。

 

　　該系統主要用作子系統，以在正?；驕y試期間監視相關(guān)工作條件參數的變化。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，以便操作人員或監控人員在進(jìn)行相應的處理后及時(shí)進(jìn)行分析。為了監視發(fā)電機線(xiàn)圈、軸承等的溫度而進(jìn)行的實(shí)驗，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)電機定子的三相繞組內部，每相內置兩個(gè)三線(xiàn)溫度傳感器Pt100，以監視繞組溫度。

　　在本實(shí)驗中，對發(fā)電機廠(chǎng)生產(chǎn)的發(fā)電機進(jìn)行了測試，表1列出了一些監測溫度參量變化值。在表1中，當發(fā)電機組正常運行時(shí)，繞組的A相測量溫度在65℃～75℃之間，低于警報值（發(fā)電機繞組絕緣為F級）；繞組B相的溫度在55℃～76℃之間，低于報警值，繞組C相的溫度在68℃～77℃之間，也低于報警值，滿(mǎn)足測試條件的參數值要求參數設置模塊實(shí)現各種監控狀態(tài)量的報警參數設置，并連接數據庫模塊，將相應的設置值存儲在參數表中，以備將來(lái)參考。事件歷史模塊主要調用數據庫不同時(shí)期的歷史數據和趨勢分析，以實(shí)現對每個(gè)狀態(tài)信號報警事件的查詢(xún)和顯示。

　　

　　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)方式傳輸的傳感器。

　　目前無(wú)線(xiàn)溫度傳感器有三款：

　　b.CT感應取電無(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)方式傳輸的傳感器。

　　目前無(wú)線(xiàn)溫度傳感器有兩款：

　　

 

　　安科瑞無(wú)線(xiàn)測溫就地顯示配置：

　　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更方便，電纜/銅排等搭接點(diǎn)也常選用）。

　　

無(wú)線(xiàn)測溫帶操顯功能（就地顯示）

　　

　　Acrel-2000T/B無(wú)線(xiàn)測溫壁掛式監控設備，內存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/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警等詳細參數。

無(wú)線(xiàn)測溫采集設備配置方案

　　

　　為了在發(fā)電機組中應用發(fā)電機溫度監控，本文考慮了現場(chǎng)環(huán)境、技術(shù)要求、電磁兼容性、電路功耗等因素，以及設計計劃、設備選擇、硬件電路設計和生產(chǎn)、微控制器程序設計和調試。對無(wú)線(xiàn)溫度監測系統的配置和設計的研究就是這樣的例子，并且常規溫度監測系統原本不可能發(fā)生的許多問(wèn)題正在被更方便地解決。數據處理和分析是通過(guò)上位機實(shí)現的，上位機軟件采用了可視化界面，使操作員操作起來(lái)更加直觀(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，將溫度數據發(fā)送到接收器。通過(guò)該系統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)收集和顯示必要的更改。