淺談無源無線測溫監(jiān)測系統(tǒng)在高壓開關柜中的研究與應用

時間：2022-05-26作者：安科瑞電氣股份有限公司瀏覽：136

摘 要：根據(jù)高壓開關柜的特點，本文分析了現(xiàn)有溫度監(jiān)測技術存在的缺陷，提出了以無源無線傳感技術為基礎的高壓開關柜溫度監(jiān)測新方法。采用聲表面波諧振器實現(xiàn)無源溫度檢測，以DSP芯片TMS320F2812為控制處理**，控制射頻信號的**與接收，溫度數(shù)據(jù)的處理與傳輸，實現(xiàn)無線溫度測量。文中介紹了無源無線測溫原理，給出了無源無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件設計的優(yōu)化方案。實驗表明，該系統(tǒng)能對高壓開關柜在運行過程中易發(fā)熱部位的溫度進行實時監(jiān)測，以確保電力高壓開關柜的安全可靠運行。

關鍵詞：高壓開關柜；無源無線傳感；溫度監(jiān)測




0 引言

高壓開關柜是發(fā)電廠、變電站中確保電力系統(tǒng)安全可靠運行的重要設備，而柜內(nèi)導線連接處的接觸特性將直接影響開關柜工作的可靠性。隨著使用年限的增加，因制造、安裝不良或材料質(zhì)量等問題都會導致接觸不良而使接觸電阻變大，進而導致溫度升高，如不能及時發(fā)現(xiàn)和處理，就會導致嚴重的事故。因此，對柜內(nèi)接頭進行溫度監(jiān)測，可以提前發(fā)現(xiàn)安全隱患，及時采取處理措施，提高系統(tǒng)可靠性。目前，常用的溫度監(jiān)測方式有以下四種：

1) 示溫記錄標簽：示溫記錄標簽采用溫敏變色原理制成標簽，貼到被測設備上，當被測點的溫度**標簽的變色額定溫度時，標簽的顏色將發(fā)生變化，具有**溫后變色的顏色記錄功能。缺點是不能反映實時溫度值，需要人工定期巡查。

2) 遠紅外測溫：遠紅外測溫采用被測點的紅外輻射波來確定其溫度，依此原理制成的紅外測溫儀由于使用方便，是目前人工巡查測溫的主要方法。缺點是*受紅外輻射光路遮擋的影響，不能準確測得被測點的溫度，限制了在某些場合的應用。

3) 光纖測溫：光纖測溫采用在被測設備上貼裝光纖溫度傳感器，通過光纜連接光纖解調(diào)器，由光纖解調(diào)器輸出相應的溫度數(shù)據(jù)。缺點是光纖 易斷易折、耐溫性差、安裝復雜，在運行環(huán)境不 好，特別是積累灰塵后很*造成爬電現(xiàn)象，產(chǎn)生不應有的安全隱患。

4）有源無線測溫：有源無線測溫采用集成溫度傳感器或數(shù)字溫度傳感器采集被測點的溫度，經(jīng)處理的溫度信號以無線通信的方式進行傳輸，是目前高壓設備溫度監(jiān)測的主要方法。缺點是傳 感器探頭及無線**電路采用電池或小電流互感器取能供電，電池存在使用壽命短和更換困難的問題，互感取能存在電流大小不易控制和安裝困難問題。

基于以上四種測溫方式存在的問題和缺陷，本文提出了無源無線測溫新方法，無源工作方式解除了傳感器供電問題，無線工作方式使高壓側(cè)與低壓側(cè)物理絕緣。




1 溫度監(jiān)測系統(tǒng)架構

1.1 系統(tǒng)原理

聲表面波（SAW)無源溫度傳感器以傳統(tǒng)接觸方式安裝在高壓開關柜內(nèi)易發(fā)熱的測溫點上感知測溫點的溫度變化，無源溫度傳感器以無線方式接收并反射由無線測溫儀**的間歇射頻信號，反射信號攜帶了測溫點的溫度信息，經(jīng)無線測溫儀接收處理后可就地顯示測溫點的溫度。溫度數(shù)據(jù)通過無線測溫儀的通信接口連接至CAN總線并上傳至監(jiān)測站內(nèi)的監(jiān)測服務器，監(jiān)測服務器完成對溫度數(shù)據(jù)的存儲、分析、記錄、顯示及越限報警，實現(xiàn)多柜的溫度實時監(jiān)測。監(jiān)測服務器通過網(wǎng)絡通信接口接入電力系統(tǒng)局域網(wǎng)，實現(xiàn)多站多柜的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測。高壓開關柜無源無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構示意圖如圖1所示。

 

圖1 高壓開關柜無源無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構示意圖

1.2 系統(tǒng)功能

1）溫度實時顯示功能：每臺無線測溫儀對應一臺高壓開關柜，每個開關柜可設置多個測溫點，監(jiān)測開關下觸頭及電纜接頭的溫度變化，無線測溫儀、監(jiān)測服務器實時顯示測溫點的溫度值。

2）自動報警功能：當測溫點的溫度**過安全設定溫度值和安全溫升速率時，自動發(fā)出報警和預警信號。

3）溫度數(shù)據(jù)存儲、查詢、分析功能：測溫點的溫度數(shù)據(jù)存入監(jiān)測服務器的數(shù)據(jù)庫中，可以查詢某個時間段的歷史數(shù)據(jù)，繪制溫度變化曲線， 分析設備運行狀態(tài)。

4）系統(tǒng)擴展功能：采用標準總線連接方式，易于擴展開關柜的數(shù)量。




2 溫度監(jiān)測系統(tǒng)設計

2.1 SAW無源溫度傳感器

SAW無源溫度傳感器是根據(jù)溫度變化引起聲表面波器件固有諧振頻率的變化而實現(xiàn)溫度測量的。其**部件是聲表面波諧振器，分延遲線型和諧振型兩類，單端口諧振型聲表面波諧振器結(jié)構如圖2所示。在壓電材料基片表面*制備一對叉指換能器，在其兩側(cè)配置兩組周期性排列的多條反射柵陣列，構成法布里—珀羅諧振腔，叉指換能器既作輸入，又作輸出，當有射頻電磁波入射到叉指換能器上，在壓電基片的表面激勵出聲表面波，經(jīng)反射柵反射到叉指換能器再轉(zhuǎn)換為電磁波形成射頻反射波。諧振器的固有諧振頻率由叉指換能器的幾何尺寸和聲表面波的傳播速度決定，當溫度變化時，可引起固有諧振頻率的變化，其變化關系為：

f0(T)=f0(T0)[1+a(T-T0)+b(T-T0)2+……]

其中，a、b為參考溫度T0下的1階、2階溫度系數(shù)。

通過合理選擇叉指換能器幾何尺寸、基片晶體材料及切向，可以使溫度系數(shù)的高階項近似為零，實現(xiàn)固有諧振頻率與溫度的近似線性關系，只要獲得固有諧振頻率就可確定其溫度。

入射波采用間歇正弦波，在入射波消失后其反射波為幅度衰減的振蕩信號，振蕩的中心頻率

為諧振器的固有諧振頻率，只須檢測出反射波的頻率就可確定溫度。因此，SAW諧振器可以構成無源溫度傳感器，實現(xiàn)無源無線測溫。

 

圖2 單端口諧振型聲表面波諧振器結(jié)構圖

2.2 無線測溫儀

無線測溫儀由DSP控制處理模塊、射頻收發(fā)器模塊、通信接口芯片、存儲器芯片、越限報警電路、鍵盤和LCD顯示模塊組成。DSP控制處理模塊控制射頻信號發(fā)生器產(chǎn)生所需要的正弦波，經(jīng)調(diào)理后變?yōu)殚g歇正弦波由天線**出去。無源溫度傳感器接收后的反射波，經(jīng)調(diào)理后送入DSP內(nèi)進行采樣和變換，由DSP進行信號處理以獲取溫度數(shù)據(jù)。通信接口實現(xiàn)與上位機的遠程通信，鍵盤及顯示用于人機交互及溫度顯示。結(jié)構框圖如圖3所示。

 

圖3 無線測溫儀結(jié)構框圖

2.2.1 DSP控制處理模塊

DSP 控制處理模塊采用 T I 公司的TMS320F2812芯片，它是一款高性能、低功耗、

32位**數(shù)字信號處理器。工作頻率可達150MHz，為實時控制和在較短的時間內(nèi)完成復雜的算法提供了充分的條件，高性能的32位*處理器包含16×16位和32×32位的乘法累加器操作，16×16位的雙乘法累加器，可完成64位的數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)高精度處理任務。擁有豐富的片內(nèi)資源，本系統(tǒng)使用的資源主要包括：片 上Flash、ROM、RAM，定時器，增強局域網(wǎng)絡eCAN，12位16通道片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器，采樣頻率12.5MHz，多用途通用輸入輸出接口GPIO和仿真接口JTAG等。支持TI的TMS320DSP算法標準，CCS集成開發(fā)環(huán)境，為軟件開發(fā)提供了較為便利的條件。利用其強大的數(shù)據(jù)處理能力，通過算法上的優(yōu)化可提高測量精度，利用外設接口資源實現(xiàn)電路的控制，有效降低了電路的復雜程度。

2.2.2 射頻收發(fā)器模塊

射頻收發(fā)器主要有射頻信號發(fā)生器、低通濾波器、射頻功率放大器、轉(zhuǎn)換開關電路、集中選頻放大電路、下變頻器、有源低通濾波器、可調(diào)增益放大器及嵌位保護電路等組成。其組成框圖如圖4所示。

 

圖4 射頻收發(fā)模塊組成框圖

射頻信號發(fā)生器采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）單片頻率合成器AD9858，DDS以準確的時鐘信號為參考，利用數(shù)字處理技術直接產(chǎn)生頻率和相位可調(diào)的正弦波信號[4]。AD9858為可編程器件，內(nèi)部有12個寄存器，每個寄存器的地址是固定的，對地址的讀寫操作可以方便地讀寫寄存器。用32位控制字寄存器CRF，控制AD9858的不同功能、特性和模式，32位頻率調(diào)節(jié)字寄存器FTW，調(diào)節(jié)輸出信號頻率。當CRF<14>置1，為正弦模式輸出，置0，為余弦模式輸出，當CRF<15>置1，為掃頻模式，置0，為單頻模式。單頻模式下輸出信號的頻率為： s 32 2FTW f f × c = 其中，fc為系統(tǒng)時鐘頻率，F(xiàn)TW為32位可編程頻率調(diào)節(jié)字。

當系統(tǒng)時鐘頻率（1GHz，由外部時鐘經(jīng)AD9858內(nèi)部二分頻獲得）確定后，輸出信號的頻率由頻率調(diào)節(jié)字決定，通過配置控制字寄存器和頻率調(diào)節(jié)字寄存器，即可獲得所需頻率的正弦信號。

DSP通過AD9858的8位數(shù)據(jù)端口D0-7、6位地址端口A0-5、寫端口WR 、頻率較新端口FUD將數(shù)據(jù)通過I/O口緩沖器寫入其內(nèi)部的控制字寄存器CRF、頻率調(diào)節(jié)字寄存器FTW、完成對AD9858的配置。由于AD9858和TMS320F2812都是3.3V的接口電平，因此8條數(shù)據(jù)線和6條地址線可直接與TMS320F2812相對應的數(shù)據(jù)線和地址線的低位相連，WR與DSP的XWE相連，實現(xiàn)對內(nèi)部寄存器的寫操作，頻率較新FUD和復位端RESET與DSP的GPIOB0和GPIOB1相連，用于輸出信號頻率的較新和復位控制。

AD9858的輸出為其內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出，含有豐富的諧波分量，經(jīng)7階巴特沃茲無源低通濾波器濾波后的正弦射頻信號，一路送入線性射頻功率放大器模塊MHL8115/D進行功率放大，MHL8115/D工作頻率范圍50～1000MHz，輸出功率P1dB為30dBm，輸出信號送入雙刀單擲開關電路MAX319，形成間歇射頻**波經(jīng)天線輻射出去。無源溫度傳感器接收到對應的入射波后，其反射波經(jīng)同一天線接收后再送入MAX319中，MAX319的通斷控制信號由DSP的定時器提供，高電平發(fā)送低電平接收。由于反射波信號微弱，易受噪聲干擾，因此，通過MAX319的反射波送入集中選頻放大電路進行兩級放大，集中選頻放大電路由差分結(jié)構的集成寬帶放大器ER4803組 成，以有效控制共模干擾。放大后的信號與低通濾波器的輸出信號一起送入下變頻器AD8342，其輸出信號的頻率即為入射波與反射波頻率之差，頻率變化范圍在DC～300KHz之間。由于該信號的頻率變化對應于無源溫度傳感器的溫度變化，為了提高測量的準確度，設計了一個由集成運算放大器OPA603構成的截止頻率為300KHz，增益為2的二階巴特沃茲有源低通濾波器，以有效濾除高頻干擾。有源低通濾波器的輸出由可調(diào)增益放大器放大到30mV～3V,經(jīng)嵌位保護電路送入DSP內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換器采樣，進行FFT變換與頻譜分析，以功率譜估算信號頻率[5]，經(jīng)DSP運算后轉(zhuǎn)換成溫度。

2.2.3 外部接口

TMS320F2812內(nèi)部集成了增強型CAN控制器eCAN，支持CAN2.0A和CAN2.0B協(xié)議，通過CAN總線收發(fā)器S**5HVD230與CAN總線相連，為了提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，在控制器的外部引腳CANTXA、CANRXA與收發(fā)器之間串接基于磁耦隔離技術的雙通道數(shù)字隔離器ADuM1201，CAN總線傳輸距離可達10km，可支持多個無線測溫儀聯(lián)網(wǎng)運行。外擴1快128k×16的靜態(tài)存儲器IS61LV12816，用于擴展程序存儲空間，由于工作電壓為3.3V,可直接與DSP的I/O口相連。LCD顯示選用二線串行接口的段式液晶模塊SMS0401。鍵盤設置4個按鍵，分別為模式選擇鍵、上下調(diào)節(jié)鍵及確定鍵，模式選擇鍵用以切換參數(shù)設置模式或測量模式，通過上下調(diào)節(jié)鍵即可設置各測溫點的溫度越限值。越限報警電路由DSP的通用I/O輸出口控制，產(chǎn)生聲光報警。

2.3 軟件設計

系統(tǒng)軟件包括初始化程序、主程序、參數(shù)設置子程序、測**程序、顯示子程序以及數(shù)據(jù)通信子程序。編程開發(fā)工具使用CCS3.0，采用C語言匯編語言混合編寫，系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。

 

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

系統(tǒng)上電后，執(zhí)行初始化程序，完成時鐘、DSP模式、DDS芯片、通信接口芯片及LCD顯示等初始化操作。主程序循環(huán)執(zhí)行按鍵掃描操作，有按鍵時執(zhí)行參數(shù)設置子程序，完成系統(tǒng)參數(shù)的設置，否則執(zhí)行測**程序。通過DSP定時器產(chǎn)生控制信號，控制射頻信號的**與接收，對接收信號采樣存儲，根據(jù)設定的算法計算出當前的測量溫度。溫度**過越限值時，產(chǎn)生聲光報警，調(diào)用顯示子程序顯示各個測溫點的溫度，調(diào)用通信子程序?qū)y量結(jié)果上傳至監(jiān)測服務器，實現(xiàn)統(tǒng)一的實時監(jiān)測。




3 實驗測試

無線測溫儀調(diào)試完成后，在實驗室進行模擬測試，將封裝有匹配天線的無源溫度傳感器

固定在加熱板上模擬高壓開關柜內(nèi)的發(fā)熱點。所選用的無源溫度傳感器，溫度在0℃～120℃之間變化時，對應的固有諧振頻率約在430.000MHz～429.700MHz之間變化。設置無線測溫儀的**頻率為430MHz，在無線測溫儀與無源溫度傳感器相距5m之內(nèi)變化時，均能有效檢測到反射信號。選擇30℃、50℃、60℃、80℃、100℃幾個溫度點與紅外測溫儀AR36-608進行比對測量,誤差在±1℃之內(nèi)。




4 安科瑞無線測溫系統(tǒng)介紹與選型

安科瑞無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)當前無線測溫系統(tǒng)的要求，在廣泛征求用戶和家意見的基礎上,充分吸收當前國內(nèi)外廠家的成功案例，并結(jié)合安科瑞多年來的豐富經(jīng)驗，采用面向?qū)ο蟮姆謱臃植际皆O計思想，結(jié)合自動化技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術、通信技術而設計的一款專業(yè)的無線測溫軟件。

4.1 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結(jié)構

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)通過RS485總線或以太網(wǎng)與間隔層的設備直接進行通信（如圖6），系統(tǒng)設計遵循**標準Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規(guī)約，安全性、可靠性和開放性都得到了很大地提高。

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)具有遙信、遙測、遙控、遙調(diào)、遙設、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能?？梢员O(jiān)控無線測溫系統(tǒng)的設備運行狀況，實現(xiàn)快速報警響應，預防嚴重故障發(fā)生。

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)主要特點是開放式系統(tǒng)結(jié)構，硬件兼容性強，軟件移植性好，應用功能豐富。該系統(tǒng)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(tǒng)的設計依據(jù)軟件工程的設計規(guī)范,模塊劃分合理，接口簡捷明了，主要包括主控模塊、人機界面、圖形組態(tài)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、通信管理等幾大模塊。

 

圖6 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結(jié)構圖

4.2 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)功能

■實時監(jiān)測

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控軟件人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)及有關故障、告警等信息

■溫度查詢

溫度歷史曲線（1分鐘、5分鐘、60分鐘可選）

■運行報表

查詢各回路設備運行溫度報表.

■實時報警

壁掛式無線測溫監(jiān)控設備具有實時報警功能，設備能夠?qū)囟仍较薜仁录l(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.實時語音報警功能，能夠?qū)λ惺录l(fā)出語音告警.

C.短信吿警，可以向*手機號碼發(fā)送吿警信息短信（需選配短信貓）.

■歷史告警査詢

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ袇叹录涗涍M行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)和告警等事件進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

■用戶權限管理

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)為**系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權限管理功能。

通過用戶權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如數(shù)據(jù)庫修改等）。可以定義不同級別用戶的 登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全**。

■定值設置

用于修改高溫定值、**溫定值。

■WEB（可選）

展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息， 設備溫度、通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。首頁顯示場站的變壓器數(shù)量、回路個數(shù)、有功功率、無功功率、用電量、事件記錄等概況信息，可通過實時監(jiān)控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。

實時數(shù)據(jù)曲線可監(jiān)測各個回路的測點溫度、電壓、電流、功率曲線信息。

接線圖頁面通過一次圖實時反映電氣參數(shù)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支持）。

能耗統(tǒng)計頁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，電能環(huán)比，用電排名。

運維管理\通信狀態(tài)顯示監(jiān)測接入系統(tǒng)設備的通信狀態(tài)。

■手機APP（可選）

設備數(shù)據(jù)員面顯示各設備的電參量數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)以及曲線。

4.3 安科瑞ARTM系列無線測溫終端產(chǎn)品選型

安科瑞電氣接點無線測溫方案由無線溫度傳感器、收發(fā)器、顯示單元組成。溫度傳感器直接安裝于斷路器動觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發(fā)熱接點，將測溫數(shù)據(jù)通過無線射頻技術傳至接收裝置，再由接收器485通訊至測溫終端或無線測溫系統(tǒng)（如圖7）。

圖7 電氣接點在線測溫結(jié)構圖

4.3.1 安科瑞無線溫度傳感器

無線溫度傳感器共有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(jù)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。

4.3.2 安科瑞無線收發(fā)器
無線測溫收發(fā)器共有3種，通過無線射頻方式接收溫度數(shù)據(jù)。收發(fā)器根據(jù)不同的傳感器型號進行匹配，同時傳感器的傳輸距離決定接收裝置能否多柜接收。




4.3.3 安科瑞顯示終端
顯示裝置通過RS485連接收發(fā)器，可嵌入式安裝于柜體上，若柜體開孔不便，也可選擇壁掛式安裝于配電室內(nèi)。方便操作人員現(xiàn)場及時查看電氣節(jié)點實時溫度的同時，也可以通過RS485或以太網(wǎng)通訊的方式在后臺系統(tǒng)查看現(xiàn)場情況。


5 結(jié)束語 

本文提出的無源無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)構簡單和易于實現(xiàn)。采用無源溫度傳感器解決了溫度傳感的供電難題，無線測溫解決了高低壓隔離問題，CAN總線通信方便系統(tǒng)擴展。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對高壓開關柜易發(fā)熱部位的溫度進行實時監(jiān)測。無線溫度傳感器的溫頻特性，抗干擾措施有待進一步完善。




【參考文獻】

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  摘要：物聯(lián)網(wǎng)+配網(wǎng)智能運維概念的提出對于提高電力系統(tǒng)運行安全性及穩(wěn)定性有著重要作用，是現(xiàn)代電力系統(tǒng)運行發(fā)展的必要基礎。不僅能夠有效的解決配網(wǎng)系統(tǒng)實際運行管理問題，同時對于規(guī)范配網(wǎng)人員操作規(guī)范水平也有著一定的幫助作用。因此本文主要對該項技術的運用進行分析，通過深度的剖析與研究來有效的提高該項技術實際運用有效性，以此為物聯(lián)網(wǎng)+配網(wǎng)智能運維技術的運用奠定堅實的基礎。?關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)+配網(wǎng)智能運