淺談母線(xiàn)測溫監控系統的設計及研究應用

摘要：針對母線(xiàn)在長(cháng)期工作中易出現溫升過(guò)高進(jìn)而導致火災的問(wèn)題，設計了一種母線(xiàn)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(shí)時(shí)采集母線(xiàn)溫度數據，并通過(guò) ＲＳ４８５有線(xiàn)和ＺｉｇＢｅｅ無(wú)線(xiàn)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，軟件方面采用最小二乘法分段線(xiàn)性擬合算法和均值濾波算法。經(jīng)試驗驗證測溫精度可達０．１ ℃，滿(mǎn)足系統要求。

關(guān)鍵詞：母線(xiàn)；ＰＴ１００溫度傳感器；最小二乘；線(xiàn)性擬合；濾波

 

??隨著(zhù)當今社會(huì )的發(fā)展和用電量的急劇上升，新型母線(xiàn)因方便、節能的優(yōu)點(diǎn)逐漸取代傳統電纜，成為 發(fā)電廠(chǎng)、變電站高壓開(kāi)關(guān)柜的重要設備。母線(xiàn)采用銅排緊壓的方式，要求散熱和絕緣性能更高，若母線(xiàn) 觸點(diǎn)溫度過(guò)高，將會(huì )加速其絕緣老化，甚至可能引發(fā)火災。因此供電系統中任意一個(gè)觸點(diǎn)發(fā)生熱故障，都將可能引發(fā)重大安全事故。為避免此類(lèi)事故的發(fā)生，有必要建立母線(xiàn)溫度實(shí)時(shí)監測系統，觸點(diǎn)發(fā)生溫升過(guò)快時(shí)能夠迅速報警以便工作人員及時(shí)處理。

??目前對母線(xiàn)溫度的監測大多依賴(lài)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(wú)法適應母線(xiàn)復雜的應用環(huán)境等問(wèn)題。本文建立的母線(xiàn)溫度監測系統采用模塊化設計，結合多種通信方式，將母線(xiàn)狀態(tài)信息直接傳輸至監控中心，實(shí)現多點(diǎn)溫度遠程實(shí)時(shí)監測，可應用于廠(chǎng)房、小區、商場(chǎng)等多種場(chǎng)所。

 

??在母線(xiàn)溫度監測系統中，單片機作為下位機負責數據現場(chǎng)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(guò)程為：采用 ＰＴ１００型溫度傳感器直接測量母線(xiàn)溫度；測出的溫度數據通過(guò) Ｚｉｇｂｅｅ無(wú)線(xiàn)通信方式傳輸給集中器，在鋪設有專(zhuān)線(xiàn)時(shí)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(gè)溫度檢測終端數據整理打包，并利用現有電力線(xiàn)通過(guò)電力載波方式發(fā)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(guò)網(wǎng)絡(luò )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(guò)程也是如此，從而實(shí)現母線(xiàn)溫度的監控與預警。

圖１ 系統架構

??使用單片機和 Ｚｉｇｂｅｅ 模塊完成智能母線(xiàn)溫度控制器的開(kāi)發(fā)。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(xiàn)取電，避免了因供電不足而需定期更換電池的問(wèn)題。終端通過(guò) ＰＴ１００ 型溫度傳感器探頭直接測量母線(xiàn)溫度，且運行時(shí)會(huì )根據上位機命令，通過(guò) ＲＳ４８５總線(xiàn)或 Ｚｉｇｂｅｅ模塊發(fā)送監測觸點(diǎn)的狀態(tài)。

2.1溫度傳感器

??相對于價(jià)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(yè)生產(chǎn)，具有采集信號穩定、精度高、測溫范圍廣、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)［４］。其電阻將隨溫度的升高而增加，在０ ℃時(shí)電阻值為１００．０Ω，在１００ ℃時(shí)電阻值約為１３８．５Ω。ＰＴ１００型電阻的阻值與溫度ｔ 的關(guān)系式如式（１）所示。

式中：Ｒｔ為溫度ｔ 時(shí)的電阻值；Ｒ０ 為０ ℃時(shí)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(shí)與溫度呈非線(xiàn)性關(guān)系。非線(xiàn)性化關(guān)系將導致在實(shí)際應用中標定溫度時(shí)精度誤差大，調試步驟復雜，因此需對其作線(xiàn)性化處理。用兩點(diǎn)法直接進(jìn)行線(xiàn)性化處理，如式（２）所示。

因此鉑電阻的非線(xiàn)性測溫誤差δ為

??在測量范圍為０～２００ ℃時(shí)，利用微積分計算可得，當ｔ＝９９．８ ℃ 時(shí)，誤差最大，此時(shí)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(shí)鉑電阻最大非線(xiàn)性誤差為±２ ℃。

??實(shí)際應用中還需要考慮鉑電阻出廠(chǎng)時(shí)存在差異等問(wèn)題，實(shí)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(xué)模型。

2.2溫度采集電路

??鉑電阻的接線(xiàn)方式通常分為二線(xiàn)制、三線(xiàn)制和四線(xiàn)制。二線(xiàn)制無(wú)法消除引線(xiàn)電阻，測量精度差。三線(xiàn)制在工業(yè)上被廣泛應用，測量精度較高。四線(xiàn)制雖然測量精度更高，但電路復雜、造價(jià)高。因此本文采用三線(xiàn)制接線(xiàn)方式。

??三線(xiàn)制一般配合電橋使用，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(xiàn)；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(shí)，鉑電阻阻值發(fā)生變化，通過(guò)電橋電路轉化成輸出電壓，再經(jīng)運算放大器ＬＭ?。常担负蜑V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(fā)生波動(dòng)時(shí)會(huì )造成很大影響。為避免電路中的高頻干擾信號，以確保數據的精確性，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直接相連形成一個(gè)充放電回路，其中，電容Ｃ２放電，電容Ｃ３充電。如果采樣的時(shí)間不夠，Ｃ２和Ｃ３上的電壓都無(wú)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(shí)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?。埃恚?。ＡＤ的基準電壓為 ５?。埃埃埃恚?，而５?。埃埃?ｍＶ／２９３．２００?。?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(jīng)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(shí)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最小二乘法 

??由式（ ４）可知，鉑電阻和輸出電壓成非線(xiàn)性關(guān) 系，曲線(xiàn)成上凸形式，而ＰＴ?。保埃半娮枧c溫度曲線(xiàn)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。 

??數據建模一般分為插值和擬合兩種。插值方法 需要嚴格遵守數據，無(wú)法在插值時(shí)通過(guò)增加節點(diǎn)約 束來(lái)弱化數據波動(dòng)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(diǎn)有誤差，但要求節點(diǎn)的誤差總體上達到最小化，適合數據量較大的情形。 

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

??由于模型的數據范圍較廣，如果直接進(jìn)行大 范圍擬合，會(huì )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?。保埃靶蜔犭娮璺侄缺?，分別得到每段的 １０個(gè)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(jìn)行線(xiàn)性擬合，得出線(xiàn)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(wú)須設計復雜的電路，也避免多次 計算帶來(lái)的誤差，同時(shí)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(jìn)行線(xiàn)性擬合，得到線(xiàn)性方程如式(6)所示。

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

圖５?。啊担啊娴恼`差圖

??由圖５可以看出，端點(diǎn)處溫度的誤差最大， 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(xiàn)性方 程，如式（7）所示。

3.2濾波算法

 ??A/D轉換器會(huì )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(wú)法過(guò)濾掉高頻信號 的干擾，易于造成較大誤差?；瑒?dòng)濾波均值法可有 效過(guò)濾高頻信號，提高采樣精度。具體方法是：把連 續取得的 Ｎ 個(gè)采樣值看成一個(gè)隊列，隊列的長(cháng)度固定為Ｎ ，每次采樣到一個(gè)新數據放入隊尾，并扔掉原來(lái)隊首的一個(gè)數據，把隊列中的 Ｎ 個(gè)數據進(jìn)行算術(shù)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(jīng)濾波后來(lái)自高頻干擾信號 的影響明顯減小，數據波動(dòng)較濾波前更加穩定。 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(guò) Ａ／Ｄ轉換為數 字量，再經(jīng)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(jìn)行 測試，并將測試得到溫度數據與實(shí)際數據進(jìn)行對比， 結果如表２所示。

??表２　實(shí)際溫度與測試溫度對比

??由表２可知，溫度最大誤差為０．５５ ℃，最 小誤差為０．１４℃。為了避免ＰＴ１００型溫度傳 感器出廠(chǎng)時(shí)可能存在系統誤差，進(jìn)一步保證系統的 測量精度，有必要對溫度進(jìn)行標定。根據表２出現 的誤差，對每個(gè)溫度區間進(jìn)行誤差補償。溫度補償 后實(shí)際溫度與測試溫度對比如表３所示。

??表３　溫度補償后實(shí)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?xún)?，完全滿(mǎn)足系統的要求。

 

4.1下位機 

??下位機工作流程圖如圖８所示。下位機會(huì )采集 實(shí)時(shí)溫度數據，當節點(diǎn)溫度超過(guò)閾值時(shí)，會(huì )通知上位 機處理；當收到上位機查詢(xún)狀態(tài)和修改閾值等命令 時(shí)，會(huì )根據命令進(jìn)行相關(guān)操作。 

圖８　下位機工作流程

4.2上位機 

??智能母線(xiàn)溫度監測軟件主要通過(guò)Ｚｉ ｇｂｅｅ無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )或以太網(wǎng)兩種通信方式實(shí)現主機與溫度監測模 塊通信，智能母線(xiàn)監測軟件架構如圖９所示。在用 戶(hù)模式下可以在線(xiàn)獲取母線(xiàn)各節點(diǎn)的溫度，并對數 據進(jìn)行處理、分析和保存；管理員模式可以對各個(gè)節 點(diǎn)信息進(jìn)行添加、刪除、編輯等。

圖９　智能母線(xiàn)溫度監測軟件架構

 

??安科瑞無(wú)線(xiàn)測溫監控系統是根據當前無(wú)線(xiàn)測溫系統的要求，在廣泛征求用戶(hù)和專(zhuān)家意見(jiàn)的基礎上,充分吸收當前國內外廠(chǎng)家的成功案例，并結合安科瑞多年來(lái)的豐富經(jīng)驗，采用面向對象的分層分布式設計思想，結合自動(dòng)化技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、通信技術(shù)而設計的一款專(zhuān)業(yè)的無(wú)線(xiàn)測溫軟件。

5.1 Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測溫系統結構

??Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測溫監控系統通過(guò)RS485總線(xiàn)或以太網(wǎng)與間隔層的設備直接進(jìn)行通信（如圖10），系統設計遵循國際標準Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規約，安全性、可靠性和開(kāi)放性都得到了很大地提高。

??Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測溫監控系統具有遙信、遙測、遙控、遙調、遙設、事件報警、曲線(xiàn)、棒圖、報表和用戶(hù)管理功能?？梢员O控無(wú)線(xiàn)測溫系統的設備運行狀況，實(shí)現快速報警響應，預防嚴重故障發(fā)生。

??Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測溫監控系統主要特點(diǎn)是開(kāi)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(jiǎn)捷明了，主要包括主控模塊、人機界面、圖形組態(tài)、數據庫管理系統、通信管理等幾大模塊。

圖10 Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測溫系統結構圖

5.2 Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測溫系統功能

■實(shí)時(shí)監測

??Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測溫監控軟件人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀(guān)顯示各測溫節點(diǎn)的溫度數據及有關(guān)故障、告警等信息

■溫度查詢(xún)

??溫度歷史曲線(xiàn)（1分鐘、5分鐘、60分鐘可選）

■運行報表

??查詢(xún)各回路設備運行溫度報表.

■實(shí)時(shí)報警

??壁掛式無(wú)線(xiàn)測溫監控設備具有實(shí)時(shí)報警功能，設備能夠對溫度越限等事件發(fā)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(shí)時(shí)語(yǔ)音報警功能，能夠對所有事件發(fā)出語(yǔ)音告警.

??C.****吿警，可以向指定手機號碼發(fā)送吿警信息****（需選配****貓）.

■歷史告警査詢(xún)

??Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測溫監控系統能夠對所有吿警事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統和告警等事件進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。

■用戶(hù)權限管理

??Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測溫監控系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶(hù)權限管理功能。

??通過(guò)用戶(hù)權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如數據庫修改等）?？梢远x不同級別用戶(hù)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(yè)面顯示變電站數量、變壓器數量、監測點(diǎn)位數量等概況信息， 設備溫度、通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。首頁(yè)顯示場(chǎng)站的變壓器數量、回路個(gè)數、有功功率、無(wú)功功率、用電量、事件記錄等概況信息，可通過(guò)實(shí)時(shí)監控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。

??實(shí)時(shí)數據曲線(xiàn)可監測各個(gè)回路的測點(diǎn)溫度、電壓、電流、功率曲線(xiàn)信息。

??接線(xiàn)圖頁(yè)面通過(guò)一次圖實(shí)時(shí)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(diǎn)支持）。

??能耗統計頁(yè)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(xiàn)，電能環(huán)比，用電排名。

??運維管理\通信狀態(tài)顯示監測接入系統設備的通信狀態(tài)。

■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(xiàn)。

5.3 安科瑞ARTM系列無(wú)線(xiàn)測溫終端產(chǎn)品選型

??安科瑞電氣接點(diǎn)無(wú)線(xiàn)測溫方案由無(wú)線(xiàn)溫度傳感器、收發(fā)器、顯示單元組成。溫度傳感器直接安裝于斷路器動(dòng)觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發(fā)熱接點(diǎn)，將測溫數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)傳至接收裝置，再由接收器485通訊至測溫終端或無(wú)線(xiàn)測溫系統（如圖11）。

圖11 電氣接點(diǎn)在線(xiàn)測溫結構圖

5.3.1 安科瑞無(wú)線(xiàn)溫度傳感器

??無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)收發(fā)器

??無(wú)線(xiàn)測溫收發(fā)器共有3種，通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻方式接收溫度數據。收發(fā)器根據不同的傳感器型號進(jìn)行匹配，同時(shí)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(guò)RS485連接收發(fā)器，可嵌入式安裝于柜體上，若柜體開(kāi)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(chǎng)及時(shí)查看電氣節點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度的同時(shí)，也可以通過(guò)RS485或以太網(wǎng)通訊的方式在后臺系統查看現場(chǎng)情況。

 

 

??本文研發(fā)的智能母線(xiàn)監測系統可有效提高母線(xiàn) 的工作性能和可靠性。數據信息可通過(guò)多種傳輸方 式逐級上傳到ＰＣ機，保證了信息的實(shí)時(shí)性和準確性， 可有效解決電路設計復雜、母線(xiàn)槽內布線(xiàn)困難、數據易受干擾等問(wèn)題。針對溫度采集模塊，設計了電橋電 路，且軟件中采用最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(gè)領(lǐng)域，具有較強的實(shí)用性。

 

[1]李慶杰，許志紅．封閉式母線(xiàn)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(xiàn)溫度監測系統的設計及研究.

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2019.11版.