淺談無(wú)線(xiàn)測溫系統在高壓開(kāi)關(guān)柜中的設計與應用選型

摘要：針對傳統的有線(xiàn)測溫方法因無(wú)法*解決高壓絕緣問(wèn)題而不能應用于高壓開(kāi)關(guān)柜溫度檢測的問(wèn)題，設計了一種高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)測溫系統，詳細介紹了該系統硬件及軟件設計，分析了系統測試過(guò)程中存在 的問(wèn)題并給出了相應的優(yōu)化措施。測試結果表明，系統可穩定地運行于工作環(huán)境，滿(mǎn)足一次安裝、２ａ內無(wú)需維護的要求。

關(guān)鍵詞：高壓開(kāi)關(guān)柜；溫度檢測；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )；ZiBee；JN5148；DS18B20

0 引 言

?? 高壓開(kāi)關(guān)柜在運行過(guò)程中，柜內觸點(diǎn)與母線(xiàn)連接處、動(dòng)靜觸頭電路發(fā)熱過(guò)大，易引發(fā)停電和火災事故。因此，高壓開(kāi)關(guān)柜內溫度監測尤其是三相觸點(diǎn)溫度監測非常重要。

??高壓設備存在裸露電壓，傳統的有線(xiàn)溫度檢測方法因無(wú)法*解決高壓絕緣問(wèn)題而不能應用。無(wú)線(xiàn)測溫系統采用無(wú)線(xiàn)電波進(jìn)行信息傳輸，不需要布線(xiàn)，與高壓設備等電勢，不需要采取絕緣措施。因而無(wú)線(xiàn)測溫系統可解決高壓設備測溫難題。本文采用ＡＲＭ 單片機及無(wú)線(xiàn)模塊ＪＮ5148構建星形結構的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )，結合溫度傳感器實(shí)現高壓開(kāi)關(guān)柜關(guān)鍵部位的溫度監測。

1 ZiBee技術(shù)

??ZiBee 網(wǎng) 絡(luò ) 有 協(xié) 調 器 （Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ）、路 由（Ｒｏｕｔｅｒ）和終端（ＥｎｄＤｅｖｉｃｅ）３ 種功能器件［２］。前２種功能器件具有信息中繼功能，稱(chēng)為全功能設備（ＦｕｌｌＦｕｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ，ＦＦＤ），而終端只能接收、發(fā)送與本身有關(guān)的信息，稱(chēng) 為精簡(jiǎn)功能設備 （Ｒｅｄｕｃｅｄ ＦｕｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ，ＲＦＤ）。ZiBee網(wǎng)絡(luò )中協(xié)調器有且只有１個(gè)。ZiBee網(wǎng)絡(luò )結構有星形、網(wǎng) 狀、樹(shù) 狀 ３種，如圖１所示。其中星形結構具有便于集中控制、易維護、安全等優(yōu)點(diǎn)，因此本文采用星形網(wǎng)絡(luò )結構。

2 系統總體設計

??高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)測溫系統由測溫節點(diǎn)、中心節點(diǎn)、上位機３個(gè)部分組成，如圖２所示。三相觸點(diǎn)、母線(xiàn)連接處的溫度是監測重點(diǎn)，每個(gè)開(kāi)關(guān)柜內三相觸點(diǎn)、３個(gè)母線(xiàn)連接處共６個(gè)位置各安裝１個(gè)測溫節點(diǎn)。三相觸點(diǎn)處測溫節點(diǎn)置于靜觸頭上，母線(xiàn)連接處測溫節點(diǎn)置于導電臂上，測溫節點(diǎn)均用高壓絕緣膠布綁扎固定。測溫節點(diǎn)傳感器與測溫部位間涂抹導熱硅脂以保證熱量的充分傳遞。測溫節點(diǎn)在ZiBee網(wǎng)絡(luò )中為終端節點(diǎn)。各開(kāi)關(guān)柜內還放置１個(gè)中心節點(diǎn)，該節點(diǎn)一方面作為ZiBee協(xié)調器建立網(wǎng)絡(luò )、收集數據，另一方面作為 Ｍｏｄｂｕｓ從站響應來(lái)自上位機的請求幀，并在現場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示監測數據。各開(kāi)關(guān)柜內的６個(gè)測溫節點(diǎn)和１個(gè)中心節點(diǎn)組成一個(gè)ZiBee星形網(wǎng)絡(luò )，不同開(kāi)關(guān)柜內的ZiBee網(wǎng)絡(luò )有不同的網(wǎng)絡(luò )標號，各自之間不存在信號串擾問(wèn)題。

??測溫節點(diǎn)在檢測溫度的同時(shí)，利用無(wú)線(xiàn)模塊內自帶的電壓檢測功能對節點(diǎn)供電電壓進(jìn)行檢測，與溫度值一同發(fā)送。上位機將接收到的溫度、電壓數據進(jìn)行處理及存儲，并提供查詢(xún)功能，同時(shí)在溫度值超過(guò)預警值或電壓值低于閾值時(shí)發(fā)出警報。

3 系統硬件設計

3.1測溫節點(diǎn)

??測溫節點(diǎn)是高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)測溫系統的基本裝置，負責采集和發(fā)送溫度值、電壓值。它由 ＳＯＣ 芯片ＪＮ５１４８、單總線(xiàn)數字溫度傳感器 ＤＳ１８Ｂ２０ 和電源模塊組成，如圖３所示。

圖３ 測溫節點(diǎn)組成

??ＪＮ５１４８是由Ｊｅｎｎｉｃ公司生產(chǎn)的第三代超低功耗、高 性 能 無(wú) 線(xiàn) 模 塊。ＪＮ５１４８ 可 支 持  新 的ZiBee協(xié)議———ZiBeePRO，休眠電流為２．６μＡ，通信距離（可視）可達１ｋｍ，發(fā)送電流為１５ ｍＡ，接收電流為 １７．５ ｍＡ，工 作電壓為 ２．３～３．６ Ｖ。３２位ＲＩＳＣ ＭＣＵ 保證了ＪＮ５１４８強大的處理能力。該系統中應用的ＪＮ５１４８模塊自帶陶瓷天線(xiàn)，免去了復雜的射頻設計環(huán)節和高成本的開(kāi)發(fā)測試過(guò)程。

??ＤＳ１８Ｂ２０為 Ｄａｌｌａｓ公司生產(chǎn)的單總線(xiàn)數字溫度傳感器，采用外接電源的方法供電，溫度測量范圍為－５５～＋１２５ ℃，測量精度為0.5℃，可滿(mǎn)足系統測溫要求。

??電源模塊采用鋰電池直接供電方式。單節鋰電池額定電壓為3.6Ｖ，容量達２４００ ｍＡ·ｈ。

3.２中心節點(diǎn)

??中心節點(diǎn)結構如圖４所示。

??中心節點(diǎn)負責接收測溫節點(diǎn)傳來(lái)的信息并上傳信息給上位機，同時(shí)將信息顯示在放置于開(kāi)關(guān)柜柜門(mén)上的液晶屏上，以供現場(chǎng)察看。為調整監測、通信參數，中心節點(diǎn)還接有鍵盤(pán)作為輸入設備。中心節點(diǎn)工作量大、占用管腳數多，用ＪＮ５１４８ 作為核心控制器存在程序不易設計、管腳數量少的缺點(diǎn)，故選用ＡＲＭ 系列 ＬＰＣ２１３２作為中心節點(diǎn)ＭＣＵ，ＪＮ５１４８僅作為無(wú)線(xiàn)傳輸單元，與ＬＰＣ２１３２之間通過(guò)串口通信。由于中心節點(diǎn)需要長(cháng)期不間斷工作，因此，電源采用電網(wǎng)交流供電。

4 系統軟件設計

??ＪＮ５１４８應用ZiBeePRO協(xié)議棧，運行在實(shí)時(shí)操作系統ＪｅｎＯＳ 上。ＪｅｎＯＳ 是由Ｊｅｎｎｉｃ公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)門(mén)應用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的操作系統。ＪｅｎＯＳ在調度不同優(yōu)先級的實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)具備及時(shí)性和靈活性。ＪＮ５１４８的集成開(kāi)發(fā)環(huán)  境為ＣｏｄｅＢｌｏｃｋｓ，該軟件是Ｊｅｎｎｉｃ公司提供的代碼編輯和編譯環(huán)境，可在Ｊｅｎｎｉｃ網(wǎng)zhan上免費下載，從而降低了開(kāi)發(fā)成本。

4.1測溫節點(diǎn)軟件

??測溫節點(diǎn)上電后先對硬件進(jìn)行初始化，然后搜索ZiBee網(wǎng)絡(luò )，如存在則加入網(wǎng)絡(luò )，加入網(wǎng)絡(luò )后即開(kāi)始進(jìn)行數據采集、發(fā)送等任務(wù)。當沒(méi)有數據采集、發(fā)送等任務(wù)時(shí)，測溫節點(diǎn)則進(jìn)入睡眠模式。ＪＮ５１４８有工作、睡眠、深度睡眠３ 種功耗模式，因深度睡眠模式只能通過(guò)端口中斷觸發(fā)喚醒，本設計采用睡眠功耗模式，即由實(shí)時(shí)時(shí)鐘喚醒。為更及時(shí)地發(fā)現溫度異常情況，測溫節點(diǎn)采用動(dòng)態(tài)睡眠機制，即在溫度 正常時(shí)睡眠時(shí)間為設定的基準值，當溫度升高時(shí)睡眠 時(shí)間將在基準值的基礎上減小，溫度越高睡眠時(shí)間越 短，溫度回到正常范圍后睡眠周期變?yōu)樵O定基準值。睡眠基準值范圍為３～６００ｓ。相對于溫度變化，電池電壓的變化較緩慢，故本設計中電壓檢測周期比溫度檢測周期大。圖５為測溫節點(diǎn)軟件程序流程。

4.2中心節點(diǎn)的ＪＮ５１４８模塊軟件

??中心節點(diǎn)的ＪＮ５１４８模塊在ZiBee網(wǎng)絡(luò )中作為協(xié)調器，上電后先對硬件初始化，然后搜索信道，在 未使用的信道上建立網(wǎng)絡(luò )，建網(wǎng)成功后即等待終端 加入網(wǎng)絡(luò )并發(fā)送數據，接收到數據后通過(guò)串口將數據傳給 ＬＰＣ２１３２。上位機與ＬＰＣ２１３２ 之間通過(guò)ＲＳ４８５現場(chǎng)總線(xiàn)連接，采用Ｍｏｄｂｕｓ協(xié)議傳輸信息。上位機作為 Ｍｏｄｂｕｓ主機，各開(kāi)關(guān)柜內的 ＬＰＣ２１３２作為 Ｍｏｄｂｕｓ從機。圖６為中心節點(diǎn)的ＪＮ５１４８模塊軟件程序流程。

4.3上位機軟件

??上位機管理軟件采用面向對象的 ＶＢ６．０開(kāi)發(fā)。上位機將接收到的溫度、電壓值及對應節點(diǎn)的ＩＤ按時(shí)間線(xiàn)存儲，經(jīng)過(guò)處理后，用戶(hù)可通過(guò)該管理軟件查看任意節點(diǎn)在任意時(shí)刻的溫度值、電壓值及其變化趨勢圖。另外，該軟件可在溫度值超過(guò)預警值或電壓值低于閾值時(shí)發(fā)出報警信號，用戶(hù)根據節點(diǎn)的ＩＤ即可找到有異常情況的開(kāi)關(guān)柜。

5 系統測試與優(yōu)化

??為驗證高壓開(kāi)關(guān)柜測溫系統的可行性，筆者對該系統進(jìn)行了測試。測試過(guò)程中發(fā)現如下問(wèn)題：(1)高壓開(kāi)關(guān)柜內電磁環(huán)境復雜，易對節點(diǎn)尤其是測溫節點(diǎn)正常工作產(chǎn)生影響。(2)高壓開(kāi)關(guān)柜內存在高壓且允許隨意中斷工作，致使測溫節點(diǎn)后期維護不便。

??針對以上問(wèn)題，筆者采取以下措施：(1)軟件、硬件抗干擾措施。軟件方面，應用數字編碼、解碼技 術(shù)剔除干擾信號，并 加入軟件濾波技術(shù)，同 時(shí)對ＤＳ１８Ｂ２０轉換溫度?。?次平均值以消除隨機干擾；硬件方面，ＪＮ５１４８ 本身具有金屬屏蔽罩，同時(shí)加強各級濾波能力以消除高頻干擾。(2)軟件設計時(shí)增加自動(dòng)重新加入網(wǎng)絡(luò )功能，保證在中心節點(diǎn)因某種原因重啟后，測溫節點(diǎn)能自動(dòng)重新加入網(wǎng)絡(luò )，無(wú)需人工干預。

??為計算測溫節點(diǎn)鋰電池的供電時(shí)間，筆者在模擬開(kāi)關(guān)柜環(huán)境下，用 ＴｅｋＤＰＯ４０５４數字示波器電流探頭對測溫節點(diǎn)的工作電流進(jìn)行采樣，電流曲線(xiàn)如圖７所示。

??計算測溫節點(diǎn)鋰電池供電時(shí)間的難點(diǎn)在于溫度轉換時(shí)間、溫度轉換時(shí)工作電流及發(fā)射時(shí)間的獲取。如圖７所示，在 Ｔ０ 時(shí)刻測溫節點(diǎn)從睡眠狀態(tài)被喚醒，Ｔ１ 時(shí)刻３次溫度值轉換結束并發(fā)送數據，Ｔ２ 時(shí)刻數據發(fā)送完畢，測  溫節點(diǎn)重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)。ＪＮ５１４８ 模 塊 睡 眠 電 流 為 ２．６ μＡ，發(fā) 射 電 流 為 １５ ｍＡ，溫度轉換時(shí)間 Ｔ１ －Ｔ０、發(fā)射時(shí)間 Ｔ２ －Ｔ１分別為１５００ ｍｓ、１０ ｍｓ，溫度轉換時(shí)的工作電流Ｉ為１１ ｍＡ。以常規的測溫周期為５ ｍｉｎ 為例，得到鋰電池供電時(shí)間為

??可得鋰電池的理論供電時(shí)間約為４．７ａ。然而實(shí)際環(huán)境中鋰電池存在自放電問(wèn)題，且電量不可能全部放盡，壽命無(wú)法達到４．７ａ，因此本設計中將運行年限設定為２ａ。

??系統經(jīng)測試與優(yōu)化后，可穩定地運行于工作環(huán)境，而對測溫節點(diǎn)鋰電池供電時(shí)間的驗證，表明系統滿(mǎn)足一次安裝、無(wú)需維護的要求。

6 安科瑞無(wú)線(xiàn)測溫系統介紹與選型

??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。

6.1 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8），系統設計遵循標準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。

6.2 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fang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.短信吿警，可以向手ji號ma發(fā)送吿警信息短信（需選配短xin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)。

6.3 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9）。

6.3.1 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。

6.3.2 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。

6.3.3 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。

7 結語(yǔ)

??高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)測溫系統采用片上系統高性能、低功耗無(wú)線(xiàn)微控制器ＪＮ５１４８ 與數字溫度傳感器 ＤＳ１８Ｂ２０為基本元件組建ZiBee無(wú)線(xiàn)系統，避免了復雜的現場(chǎng)布線(xiàn)過(guò)程，解決了高壓開(kāi)關(guān)柜不易絕緣的問(wèn)題。該系統通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)與上位機通信，實(shí)現了高壓開(kāi)關(guān)柜的遠程實(shí)時(shí)溫度監測。

【參考文獻】

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