任運(yùn)業(yè)

（安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801）

【摘要】針對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度的需求，設(shè)計(jì)了一種無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng).該系統(tǒng)采用STM32F103為主控芯片，利用nRF24L01無(wú)線模塊和RS485通訊接口傳輸、接收和存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù).測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).

【關(guān)鍵詞】高壓開(kāi)關(guān)柜；無(wú)線模塊；RS485通訊

0引言

在電力系統(tǒng)中，高壓開(kāi)關(guān)柜將斷路器、互感器及相關(guān)的控制電器、輔助設(shè)備等組合起來(lái)，封閉在金屬柜內(nèi)，對(duì)供電系統(tǒng)的電能進(jìn)行接受和分配。然而，當(dāng)電路中電流過(guò)大時(shí)，這種封閉式結(jié)構(gòu)就會(huì)導(dǎo)致熱量集結(jié)，溫升加劇。若得不到有效散熱，長(zhǎng)期在此環(huán)境下運(yùn)行，就會(huì)導(dǎo)致溫升告警、跳閘停電等事故，造成電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)損失，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年約有40%的電力事故是由開(kāi)關(guān)設(shè)備溫升異常造成的，因此，需要采取措施監(jiān)測(cè)高壓開(kāi)關(guān)柜的溫度。目前，常用的測(cè)溫方法中人工紅外測(cè)溫具有局限性，示溫蠟片不能及時(shí)跟蹤溫度。此外，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)環(huán)境惡劣，測(cè)溫系統(tǒng)需克服大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)等環(huán)境干擾。針對(duì)現(xiàn)有測(cè)溫手段的缺陷，設(shè)計(jì)了一種高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備溫升檢測(cè)的實(shí)時(shí)性、有效性，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度異常部位，有效避免事故發(fā)生。

1系統(tǒng)概述

通常溫度采集器安裝在高壓開(kāi)關(guān)柜需要測(cè)溫的節(jié)點(diǎn)部位，包括開(kāi)斷節(jié)點(diǎn)、母線觸頭及接點(diǎn)等，由6~12個(gè)溫度采集器構(gòu)成1個(gè)測(cè)量集群，每個(gè)測(cè)量集群采用功耗低、傳輸速率高的nRF24L01無(wú)線發(fā)射模塊，將采集到的節(jié)點(diǎn)溫度傳輸?shù)絻x表控制終端，通過(guò)RS485通訊接口上傳到上位機(jī).因此，高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)主要包括溫度采集模塊和儀表控制終端兩大部分，由溫度傳感器、nRF24L01無(wú)線通信、RS485通信等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.溫度傳感器采集各測(cè)試點(diǎn)溫度，通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊nRF24L01將溫度數(shù)據(jù)匯集，實(shí)時(shí)顯示在儀表控制終端界面上.儀表控制終端采用STM32F103嵌入式芯片和RS485通信網(wǎng)絡(luò)，對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、接收和存儲(chǔ)，同時(shí)具有設(shè)備自檢功能，對(duì)超溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)出警報(bào)。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1溫度測(cè)量模塊

溫度傳感器采用DS18B20，測(cè)量溫度范圍從-20℃到120℃，通過(guò)主控制器將監(jiān)測(cè)到的溫度值傳輸?shù)絥RF24L01無(wú)線通信模塊.DS18B20的接口電路如圖2所示.這部分MCU的主要功能是溫度采集和數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)量小，程序內(nèi)容較簡(jiǎn)單，因此選擇STM8L051F3P6單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸控制。

2.2無(wú)線收發(fā)模塊

目前，短距離無(wú)線通信技術(shù)主要有藍(lán)牙、ZigBee、Wi-Fi、CC1101以及nRF24L01等。考慮到高壓開(kāi)關(guān)柜高壓、大電流和強(qiáng)磁場(chǎng)等特殊的運(yùn)行環(huán)境，以及控制模塊低功耗、低成本、小型化等技術(shù)要求，無(wú)線模塊采用Nordic公司的nRF24L01芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。STM8單片機(jī)與nRF24L01無(wú)線模塊接口電路如圖3所示，二者之間通過(guò)SPI接口進(jìn)行雙向通信。

2.3儀表控制終端模塊

控制終端電路采用STM32F103為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括LCD顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與報(bào)警、無(wú)線通信和RS485通信，如圖1所示。顯示模塊采用2.8寸液晶顯示屏，控制芯片為ILI9341，存儲(chǔ)芯片采用AT24C64，選用帶隔離的RS485通信芯片，能夠有效增強(qiáng)設(shè)備的抗干擾能力，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

控制終端模塊主要功能包括：

（1）12路無(wú)線溫度顯示；

1. 報(bào)警溫度限值設(shè)置；

2. 記錄*近12次很高溫報(bào)警數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)均帶有時(shí)標(biāo)記錄；

3. 通訊地址和波特率設(shè)定功能；

4. 設(shè)備具有自檢和自動(dòng)恢

復(fù)功能；

（6）數(shù)據(jù)通訊功能，通過(guò)數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)上傳到上一級(jí)采集器或者上傳到后臺(tái).

3軟件設(shè)計(jì)

3.1溫度采集與發(fā)送模塊程序流程如圖4所示：

（1）溫度達(dá)到快速發(fā)送模式（報(bào)警溫度-20℃）時(shí)，溫度數(shù)據(jù)30s發(fā)送一次；

（2）溫度沒(méi)有達(dá)到快速發(fā)送模式時(shí)，30s進(jìn)行一次溫度采樣，當(dāng)溫升超過(guò)5℃時(shí)，才將數(shù)據(jù)發(fā)送給儀表控制終端。

3.2控制終端模塊

儀表控制端程序流程如圖5所示.

1. 無(wú)線模塊接收到采集模塊的溫度數(shù)據(jù)，則進(jìn)行溫度顯示，若溫度達(dá)到設(shè)置的報(bào)警值，則記錄過(guò)溫時(shí)間，繼電器動(dòng)作報(bào)警；

2. 控制終端接收到系統(tǒng)設(shè)置的報(bào)文，則對(duì)儀表端控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；

（3）若是接收到溫度查詢報(bào)文，則把溫度值送到儀表控制終端

4測(cè)試結(jié)果

由于在系統(tǒng)設(shè)置界面中測(cè)溫點(diǎn)數(shù)設(shè)置為12，因此，實(shí)時(shí)溫度顯示界面對(duì)應(yīng)有12路溫度輸出.如圖6（a）~（c）所示為系統(tǒng)儀表控制終端顯示界面。此外，系統(tǒng)設(shè)置界面還可以對(duì)配對(duì)碼、溫度上下限、通信地址、波特率以及系統(tǒng)時(shí)間等進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置溫度報(bào)警值為90℃，若實(shí)時(shí)溫度值超過(guò)這一溫度上限，將在事件記錄界面記錄此次事件發(fā)生的時(shí)間、溫度值以及持續(xù)時(shí)間。事件記錄界面共有4頁(yè)，可以記錄12次報(bào)警事件，圖6（c）顯示的是其中的第1頁(yè)。

5安科瑞溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決方案

5.1概述

電氣接點(diǎn)在線測(cè)溫裝置適用于高低壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)電纜接頭、斷路器觸頭、刀閘開(kāi)關(guān)、高壓電纜中間頭、干式變壓器、低壓大電流等設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)，防止在運(yùn)行過(guò)程中因氧化、松動(dòng)、灰塵等因素造成接點(diǎn)接觸電阻過(guò)大而發(fā)熱成為安全隱患，提高設(shè)備安全保障，及時(shí)、持續(xù)、準(zhǔn)確反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，降低設(shè)備事故率。

Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)RS485總線或以太網(wǎng)與間隔層的設(shè)備直接進(jìn)行通訊，系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU、Modbus-TCP等傳輸規(guī)約，安全性、可靠性和開(kāi)放性都得到了較大地提高。該系統(tǒng)具有遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)、遙設(shè)、事件報(bào)警、曲線、棒圖、報(bào)表和用戶管理功能，可以監(jiān)控?zé)o線測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)快速報(bào)警響應(yīng)，預(yù)防嚴(yán)重故障發(fā)生。

5.2應(yīng)用場(chǎng)所

適合在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)、鋼廠、化工、水泥、數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)、電廠、煤礦等廠礦企業(yè)、變配電所等電力設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5.4系統(tǒng)功能

測(cè)溫系統(tǒng)主機(jī)Acrel-2000T安裝于值班監(jiān)控室，可以遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)所有開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行溫度狀態(tài)。系統(tǒng)具有以下主要功能：

1. 溫度顯示：顯示配電系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)時(shí)值，也可實(shí)現(xiàn)電腦WEB/手機(jī)APP遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)。

1. 溫度曲線：查看每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度趨勢(shì)曲線。

1. 運(yùn)行報(bào)表：查詢及打印各測(cè)溫點(diǎn)各個(gè)時(shí)間的溫度數(shù)據(jù)。

1. 實(shí)時(shí)告警：系統(tǒng)能夠?qū)Ω鳒y(cè)溫點(diǎn)異常溫度發(fā)出告警。系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)語(yǔ)音報(bào)警功能，能夠?qū)λ惺录l(fā)出語(yǔ)音告警，告警方式有彈窗、語(yǔ)音告警等，還可以短信/APP推送告警消息，及時(shí)提醒值班人員。

1. 歷史事件查詢：能夠溫度越限等事件記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析等。

5.5系統(tǒng)硬件配置

溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由設(shè)備層的溫度傳感器和溫度采集/顯示單元，通訊層的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)以及站控層的測(cè)溫系統(tǒng)主機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)變配電系統(tǒng)關(guān)鍵電氣部位的溫度在線監(jiān)測(cè)。

6結(jié)論

系統(tǒng)采用STM32F103作為控制核心，無(wú)線模塊采用nRF24L01芯片，利用RS485接口的MODBUSRTU協(xié)議在主機(jī)和終端設(shè)備之間通訊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)12路溫度數(shù)據(jù)，能夠?qū)?bào)警溫度限值、通訊地址和波特率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)于*近12次很高溫報(bào)警數(shù)據(jù)，能夠顯示并帶有時(shí)標(biāo)記錄。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性，提高了開(kāi)關(guān)柜設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。

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[6]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.05版．

作者簡(jiǎn)介

任運(yùn)業(yè)，男，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。