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[導(dǎo)讀]0 引 言 高壓開(kāi)關(guān)柜是發(fā)電廠和變電站的重要電器設(shè)備,其內(nèi)部通常有六組動(dòng)靜觸頭和多處母排接頭。由于這些連接部件長(zhǎng)期處于高電壓、大電流的工作狀態(tài),只要觸頭或接頭的

0 引 言

高壓開(kāi)關(guān)柜是發(fā)電廠和變電站的重要電器設(shè)備,其內(nèi)部通常有六組動(dòng)靜觸頭和多處母排接頭。由于這些連接部件長(zhǎng)期處于高電壓、大電流的工作狀態(tài),只要觸頭或接頭的接觸電阻有微小的增大,都將引起觸頭或接頭處溫度升高,如果沒(méi)有及時(shí)處理,將會(huì)產(chǎn)生惡性循環(huán),最終導(dǎo)致燒毀高壓開(kāi)關(guān)柜,甚至直接影響電力系統(tǒng)正常供電而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此,對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜中觸頭和接頭的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)于保障高壓開(kāi)關(guān)柜的安全運(yùn)行,乃至電網(wǎng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有十分重要意義。

在高電壓、大電流環(huán)境下,實(shí)現(xiàn)溫度的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)需要解決高壓隔離和抗強(qiáng)電磁干擾的難題。現(xiàn)有高壓開(kāi)關(guān)觸頭溫度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有多種:

(1)在母排接頭和開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的表面涂一層隨溫度變化而改變顏色的材料(如感溫臘),通過(guò)觀察其顏色變化來(lái)大致確定溫度范圍。這種方法準(zhǔn)確度低、可讀性差,不能進(jìn)行定量和實(shí)時(shí)測(cè)量,方法原始并對(duì)員工的要求高。

(2)利用紅外測(cè)量?jī)x,操作人員定時(shí)手持儀器對(duì)準(zhǔn)母排接頭和高壓開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。這種方法在0~200℃之間的溫度值誤差小、準(zhǔn)確度高,但是,仍然無(wú)法做到實(shí)時(shí)測(cè)量,而且價(jià)格高、光學(xué)器件在高壓場(chǎng)合使用不便。

(3)采用光纖的方式,這種方法具體實(shí)現(xiàn)又分為兩種,一種是采用光纖光柵溫度傳感器,另一種是僅利用光纖傳輸溫度信號(hào),兩者都利用了光纖耐高壓、抗腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn),該技術(shù)的最大缺陷是被測(cè)高壓帶電體與測(cè)量設(shè)備需要通過(guò)光纖連接,因此不能解決污閃的問(wèn)題,嚴(yán)格地說(shuō)該技術(shù)的安全性值得商榷;本文采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)使溫度變送器與數(shù)據(jù)集中顯示器之間實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,可不改變開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu),就很好地解決高壓隔離的問(wèn)題,同時(shí)采用低功耗設(shè)計(jì)和屏蔽技術(shù)解決由此帶來(lái)了溫度變送器使用壽命和抗強(qiáng)電磁干擾的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,由若干無(wú)線(xiàn)溫度變送器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)變送器)、數(shù)據(jù)集中顯示器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)DI)、監(jiān)控中心的上位機(jī)和通信鏈路四部分組成。變送器貼附于母排接頭表面和接近開(kāi)關(guān)觸頭的觸臂上,變送器通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式將溫度數(shù)據(jù)傳送給DI;DI安裝于高壓開(kāi)關(guān)柜面板上,收集來(lái)自各變送器的溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、顯示和實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的報(bào)警控制功能,所有DI通過(guò)RS 485總線(xiàn)與監(jiān)控中心的上位機(jī)構(gòu)成分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。



2 變送器設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

變送器的結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要由MCU、溫度傳感器、無(wú)線(xiàn)模塊nRF905、電源電路和包裹有屏蔽層和絕緣層的外殼組成。變送器采用PIC16LF628A單片機(jī)作為處理器,該處理器具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、低功耗、體積小等特點(diǎn)。溫度傳感器選用DS18B20,其測(cè)量范圍為-55~125℃,精度±0.5℃,通過(guò)單總線(xiàn)傳送數(shù)字溫度信號(hào),具有使用簡(jiǎn)單、可靠、體積小等優(yōu)點(diǎn)。



變送器電路設(shè)計(jì)如圖3,溫度傳感器U3的輸出連接到單片機(jī)的RB5引腳,U3的地連接到單片機(jī)的RB4引腳,用于控制溫度傳感器工作狀態(tài),當(dāng)單片機(jī)進(jìn)入休眠時(shí),停止溫度傳感器工作,以降低功耗;無(wú)線(xiàn)模塊U4選用nRF905無(wú)線(xiàn)鏈路控制器設(shè)計(jì),用于在變送器和DI之間建立無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸通道,通過(guò)SPI接口與單片機(jī)連接。為了確保變送器可靠運(yùn)行,必須保證變送器和無(wú)線(xiàn)模塊電源電壓的穩(wěn)定,采用3.6 V的高效鋰電池經(jīng)電容C1~C6濾波后給變送器供電。



 2.2 軟件設(shè)計(jì)

變送器主要執(zhí)行溫度采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳送工作。為了保證變送器能可靠工作5年以上,變送器的低功耗設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),除了硬件上選用低功耗元器件外,重點(diǎn)是變送器的工作機(jī)制。主程序流程如圖4所示,主程序運(yùn)行一次循環(huán)后進(jìn)入休眠,采用單片機(jī)硬件“看門(mén)狗”喚醒機(jī)制,1 s喚醒一次,對(duì)看門(mén)狗復(fù)位次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù),由計(jì)數(shù)值可得到時(shí)間的累加,在一定時(shí)間間隔內(nèi)(約5 s)啟動(dòng)溫度傳感器并采回其數(shù)據(jù)。




其中數(shù)據(jù)采集模塊包含溫度采集控制算法和溫度采集。由于溫度傳感器的轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)(約1 s),分為兩步采集:第一步啟動(dòng)并開(kāi)始轉(zhuǎn)換;第二步讀取溫度并置相關(guān)標(biāo)志。有采集標(biāo)志時(shí),單片機(jī)在第一次喚醒執(zhí)行第一步,在第二次喚醒執(zhí)行第二步,這樣單片機(jī)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài),以降低功耗。當(dāng)不進(jìn)行采集時(shí),通過(guò)抬高溫度傳感器的地,關(guān)斷其工作電源,進(jìn)一步降低溫度傳感器消耗的功耗。

其中數(shù)據(jù)處理模塊包含溫度數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示,當(dāng)前溫度若超標(biāo)或與之前一次的溫度數(shù)據(jù)比較差值(溫升)超標(biāo),變送器立即向DI發(fā)送最新溫度值;否則,直到采集達(dá)到12次,再向主機(jī)發(fā)送溫度值,即60 s發(fā)送一次,這樣設(shè)計(jì)的目的是為了讓DI判斷變送器是否在線(xiàn),又能降低變送器功耗。數(shù)據(jù)傳送中包含載波檢測(cè)、數(shù)據(jù)發(fā)送和發(fā)送超時(shí)處理,載波檢測(cè)可以防止處于同一頻道的多個(gè)變送器同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)引起的沖突。


2.3 無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)通信容易受到干擾,發(fā)送的數(shù)據(jù)越長(zhǎng)受到干擾的程度越大,同時(shí)功耗也越大,所以設(shè)計(jì)中遵循的原則是:即要滿(mǎn)足應(yīng)用需求又要保證數(shù)據(jù)的可靠和低功耗。對(duì)變送器無(wú)線(xiàn)模塊的配置:可配置頻道達(dá)170個(gè),頻道的選擇與DI地址綁定,就可以確保各個(gè)DI所組成的網(wǎng)絡(luò)不沖突;工作頻段為433 MHz;發(fā)射功率為-10 dBm,實(shí)測(cè)傳送距離可達(dá)50 m,已滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求;為了提高穩(wěn)定性,開(kāi)啟自動(dòng)重發(fā)功能;發(fā)送和接收地址都為1 B,發(fā)送和接收字節(jié)都為4 B;禁止參考時(shí)鐘輸出,以降低功耗;CRC校驗(yàn)為8 b模式;雖然無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)包中已經(jīng)包含了地址匹配和CRC校驗(yàn),但是為了數(shù)據(jù)傳輸更可靠,數(shù)字幀中加入DI地址和變送器地址作為數(shù)據(jù)包的識(shí)別碼;則變送器發(fā)送至DI無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)包格式如表1所示。



2.4 低功耗設(shè)計(jì)

變送器中功耗最大的是無(wú)線(xiàn)模塊,其他器件耗電量很小,而且大部分時(shí)間工作在休眠狀態(tài)下。當(dāng)nRF905處于接收狀態(tài)時(shí),工作電流約為9 mA;處于發(fā)送狀態(tài)時(shí),工作電流約為12.5 mA(輸出功率為-10 dBm時(shí))。如果無(wú)線(xiàn)模塊一直運(yùn)行,那么電池很快就會(huì)被耗盡。為了降低功耗,同時(shí)又保證數(shù)據(jù)通信暢通,根據(jù)系統(tǒng)對(duì)溫度測(cè)量的需求,變送器只發(fā)送數(shù)據(jù)不接收數(shù)據(jù),無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí),無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)入休眠狀態(tài),無(wú)線(xiàn)模塊休眠時(shí)功耗小于2μA;發(fā)送數(shù)據(jù)采用間歇式工作,當(dāng)溫度數(shù)據(jù)無(wú)異常,1 min上傳一次數(shù)據(jù),當(dāng)溫度數(shù)據(jù)異常時(shí),立即上傳數(shù)據(jù);無(wú)線(xiàn)模塊的休眠至開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間tstart-up<0.2 ms,前導(dǎo)碼發(fā)送時(shí)間tpreamble<0.2 ms,無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度N all="6" B,傳輸速率BR=50 Kb/s,數(shù)據(jù)發(fā)送完畢至無(wú)線(xiàn)模塊休眠時(shí)間toff<0.2 ms,則發(fā)送一次數(shù)據(jù)包時(shí)間Tsend為:



無(wú)線(xiàn)模塊的平均工作電流(μAh)=發(fā)送電流·Tsend·次數(shù)+休眠功耗=12.5×1.46×60/3 600+2=2.31μAh

單片機(jī)休眠時(shí)功耗小于2μA,變送器的靜態(tài)平均電流小于4.31μA,因此若變送器平均工作電流以5μh計(jì)算:

使用時(shí)間(年)=電池容量(Ah)/365(天)/24 h/平均電流(μAh)×1 000 000=1/365/24/5×1 000 000△22.8(年)

因此,理論計(jì)算用1 Ah的電池可供變送器工作22.8年。

經(jīng)實(shí)測(cè),變送器發(fā)送一次數(shù)據(jù)的總時(shí)間T總=喚醒時(shí)間+Tsend+進(jìn)入休眠時(shí)間=1.6 ms,發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的電流為14 mA,靜態(tài)時(shí)的平均電流為5.5μA,則1 Ah的電池可供變送器工作19年,已滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

2.5 抗電磁干擾設(shè)計(jì)

變送器貼附于母排接頭表面和接近開(kāi)關(guān)觸頭的觸臂上,而母排或觸臂上有大電流流過(guò),會(huì)形成較大的電磁場(chǎng),對(duì)變送器造成很大的電磁干擾,因此,必須采取一定的屏蔽措施來(lái)保證變送器的可靠運(yùn)行。變送器的實(shí)物剖面圖如圖6所示,除天線(xiàn)外接,其他所有電路包裝于一屏蔽的盒內(nèi),最大程度減少電磁輻射對(duì)變送器的干擾;溫度傳感器貼附在導(dǎo)熱片上,變送器的導(dǎo)熱片一面貼于被測(cè)量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)上,盒內(nèi)空間全部灌膠;為了提高絕緣性能,用熱縮管包裹整個(gè)變送器。


3 數(shù)據(jù)集中顯示器(DI)的設(shè)計(jì)

DI主要完成對(duì)各變送器的數(shù)據(jù)收集、處理、存儲(chǔ)、LCD顯示、報(bào)警信號(hào)輸出和與監(jiān)控中心通信等功能。其結(jié)構(gòu)如圖7所示,處理器選用具有ARM7內(nèi)核的32位高性能微處理器LPC2136;存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)系統(tǒng)的配置信息和各種數(shù)據(jù);實(shí)時(shí)時(shí)鐘為系統(tǒng)提供精確時(shí)間;ID設(shè)置用于設(shè)置本機(jī)ID;無(wú)線(xiàn)模塊nRF905實(shí)時(shí)偵聽(tīng)是否有變送器的數(shù)據(jù);電源適配器將220 V市電轉(zhuǎn)換成+12 V和+5 V,給DI供電;RS 485用于與監(jiān)控中心的PC機(jī)通信;系統(tǒng)報(bào)警輸出所需的聲光報(bào)警經(jīng)繼電器隔離實(shí)現(xiàn);LCD人機(jī)交互用于顯示當(dāng)前各變送器的溫度數(shù)據(jù)信息和DI的重要信息,現(xiàn)場(chǎng)用戶(hù)可執(zhí)行輸入、輸出操作,如變送器信息查詢(xún)和設(shè)置,DI運(yùn)行日志查詢(xún)和配置等。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)各種功能方便可靠操作,軟件設(shè)計(jì)上移植了實(shí)時(shí)性較好的μC/OS-Ⅱ作為操作系統(tǒng)。


4 應(yīng)用效果

監(jiān)控中心PC機(jī)客戶(hù)端軟件監(jiān)控主界面如圖8所示,從圖中可以看出實(shí)時(shí)刷新溫度值均在33℃左右。圖9為DI管理界面,可修改DI的基本信息、控制信息和配置信息;圖10為歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)曲線(xiàn)圖,為高壓柜101的A相接觸點(diǎn)250條歷史記錄曲線(xiàn)。





5 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件,采用鋰電池供電和無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸方式,并且采取了絕緣和抗電磁干擾措施,很好地解決了高低壓隔離、低功耗和抗強(qiáng)電磁干擾的技術(shù)難題,使本系統(tǒng)在可靠性、擴(kuò)展性、成本低和安裝維護(hù)方便等方面均具有突出優(yōu)勢(shì),可廣泛應(yīng)用于高電壓環(huán)境的溫度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

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