基于無線通信技術(shù)的電纜溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)

吳為國，茅 豐

(1.泰州供電公司，江蘇泰州225300；2.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院電氣與電子信息學(xué)院，上海201418)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力負(fù)荷快速增長，變電站電纜作為站內(nèi)傳輸介質(zhì)，由于使用年限及安裝操作不規(guī)范，可能導(dǎo)致老化、絕緣層損壞導(dǎo)致電纜局部溫度上升，長時(shí)間可能會引起火災(zāi)，因此，研究電纜溫度的檢測，并將其運(yùn)用于實(shí)際現(xiàn)場中，對于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)控火災(zāi)非常有必要，對當(dāng)前電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行也有極其重要的作用[1]。集成了傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)和無線通信三大技術(shù)而形成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所建立的電纜溫度監(jiān)測系統(tǒng)特別適應(yīng)那些需要獲取分散狀態(tài)參量的場所[2]。文中研制了一種適合于供配電網(wǎng)電纜接頭的在線溫度監(jiān)測系統(tǒng)，終端裝置采用低功耗的SmartNode模塊為核心，組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)采用以太網(wǎng)與上位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，該系統(tǒng)具有以下新特點(diǎn)：（1）靈活，探測點(diǎn)可以隨時(shí)增加；（2）溫度閾值監(jiān)控，通過GPRS模塊發(fā)送報(bào)警短信給運(yùn)行人員；（3）可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，對電纜運(yùn)行狀況進(jìn)行評估。

1 基于無線通信的在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

目前電力部門采用的電纜測溫系統(tǒng)大多是基于有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袦厥诫娎|測溫系統(tǒng)（比如分布式光纖測溫系統(tǒng)），由于受到已有布線的限制，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行改造時(shí)線路容易遭到損壞，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)不易移動，不利于探點(diǎn)的增減。而無線通信技術(shù)相對于目前電纜測溫系統(tǒng)普遍采用的有線通信技術(shù)[3]而言，有以下顯著特點(diǎn)。

（1）移動性：在通信區(qū)域內(nèi)的任何地方，用戶都可以實(shí)時(shí)訪問信息。

（2）安裝的快速性和簡單性：安裝無線通信系統(tǒng)既快速又簡單，同時(shí)消除了穿墻或挖掘電纜溝布線的繁瑣工作。

（3）安裝的靈活性：無線技術(shù)可以遍及有線通信所不能到達(dá)的地方。

（4）減少投資：無線網(wǎng)絡(luò)減少了布線的費(fèi)用，而且維護(hù)費(fèi)用的減少可以使得投資回報(bào)在變電站投運(yùn)以后逐步體現(xiàn)。

（5）擴(kuò)展能力：無線通信可以組成多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，容易擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)[4，5]。

2 溫度監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施方案

根據(jù)實(shí)際情況，該系統(tǒng)主要有兩部分：（1）硬件設(shè)計(jì)主要完成溫度數(shù)據(jù)的采集功能；（2）軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對電纜的溫度監(jiān)測及存儲、報(bào)警等功能即實(shí)時(shí)評估體系和顯示與存檔系統(tǒng)[6，7]。

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以電力公司內(nèi)部380 V供電電纜以及遠(yuǎn)端變電站做為參考對象進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)通過無線探測器將電纜溫度采集上傳至無線數(shù)據(jù)采集模塊，每個(gè)無線探測器都具有唯一ID號進(jìn)行識別，可以做到準(zhǔn)確定位，無線數(shù)據(jù)采集器通過TCP/IP協(xié)議將溫度、電壓等檢測數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)上傳至監(jiān)控主機(jī)，監(jiān)控主機(jī)通過軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控各單位的溫度等數(shù)據(jù)，進(jìn)行判別并存儲數(shù)據(jù)[8]。如果發(fā)生預(yù)警將通過協(xié)議轉(zhuǎn)換與電力調(diào)度通信，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)向運(yùn)行人員發(fā)送報(bào)警信息。

2.2 無線傳感器

系統(tǒng)無線傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括溫度傳感器、無線傳輸模塊、電池和天線幾個(gè)部分。

2.2.1 溫度傳感器

溫度傳感器采用了數(shù)字溫度傳感器DSl8B20，具有如下主要特點(diǎn)：（1）數(shù)據(jù)傳輸采用單總線(1WireBus)結(jié)構(gòu)，無需外圍其他元件；（2）能應(yīng)用在分布式測量系統(tǒng)中；（3）溫度輸出為9～12位可編程；（4）測溫范圍為-55～+125℃，在-10～85℃時(shí)精度為±0.5℃；（5）輸出分辨率為12位時(shí)最大的轉(zhuǎn)換時(shí)間為750 ms；（6）具有可編程的溫度報(bào)警功能；（7）具有可靠的CRC數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)功能：（8）電源電壓范圍為3～5.5 V；（9）低功耗，無需外接電源也能可靠工作。

DSl8B20為數(shù)字化溫度傳感器，具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能適應(yīng)分接箱電接頭處的惡劣環(huán)境。傳感器測量精度高、情況穩(wěn)定，長期運(yùn)行無需調(diào)校，具有在線自檢功能，自動溫度校準(zhǔn)，自動錯(cuò)誤監(jiān)測，全密封絕緣防水防塵，保證了整個(gè)系統(tǒng)的高可靠性。

2.2.2 無線傳輸模塊

探測器采用SmartNode S102無線通信模塊，主要特點(diǎn)：（1）超低功耗，偵聽電流7 uA，休眠電流60 nA；（2）功 率 可 調(diào)，5 mw（7 dbm）～400 m，40 mw（17 dbm）～2 000 m；（3）通信頻率，315 MHz，434 MHz，470 MHz，780 MHz，868 MHz，915 MHz，各64信道（或240～960 MHz可設(shè)）；（4）數(shù)據(jù)傳輸模式，Smart-Node協(xié)議傳輸；（5）數(shù)據(jù)傳輸方式，點(diǎn)對點(diǎn)，點(diǎn)對多點(diǎn)，中繼轉(zhuǎn)發(fā)（8級組網(wǎng)深度）；（6）接口支持，1路TTL串口、2路I/O，或4路I/O，或4路10位A/D轉(zhuǎn)換。

2.3 無線數(shù)據(jù)采集器

系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)采集器結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括單片機(jī)、無線傳輸模塊、電源和天線幾個(gè)部分。無線采集器采用SmartNode協(xié)議與無線傳感器進(jìn)行互聯(lián)，通過它可以接受傳感器的參數(shù)信息及溫度、電壓信號，并通過以太網(wǎng)接口與數(shù)據(jù)終端互聯(lián)；同時(shí)將終端對無線傳感器參數(shù)設(shè)置命令下發(fā)給網(wǎng)內(nèi)的無線傳感器。

該無線數(shù)據(jù)采集器特點(diǎn)：（1）功率可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍1～18 dbm；（2）數(shù)據(jù)傳輸模式，透明傳輸，SmartNode協(xié)議傳輸；（3）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)、多級中繼；（4）高抗干擾能力和低誤碼率，基于FSK的調(diào)制方式，采用高效前向糾錯(cuò)和信道交織編碼技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)抗隨機(jī)干擾和突發(fā)干擾的能力；（5）多種天線配置方案，多種增益的膠棒天線、吸盤天線可滿足用戶不同的結(jié)構(gòu)需要。

2.4 軟件部分

系統(tǒng)軟件主要需要實(shí)現(xiàn)包括無線傳感器、無線采集器組網(wǎng)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置，電纜溫度、傳感器狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，溫度數(shù)據(jù)的存儲查詢以及報(bào)警等功能。監(jiān)控界面簡單明了，不需要進(jìn)行復(fù)雜的組網(wǎng)參數(shù)設(shè)置，將軟件分為參數(shù)設(shè)置、調(diào)試軟件和運(yùn)行監(jiān)控軟件。

2.4.1 參數(shù)設(shè)置軟件

系統(tǒng)底層由多個(gè)無線傳感器及無線信號采集器組成，為了保證物理層能夠正確組網(wǎng)成功，需要對網(wǎng)內(nèi)的無線傳感器和信號采集器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。軟件設(shè)置無線傳感器參數(shù)界面如圖4所示，主要可以通過改變工作頻率、無線傳輸速率、功率、休眠時(shí)間、上報(bào)時(shí)間等參數(shù)，適應(yīng)不同的環(huán)境需求，提高產(chǎn)品的應(yīng)用面。

圖4 參數(shù)設(shè)置界面

2.4.2 監(jiān)控運(yùn)行軟件

監(jiān)控運(yùn)行軟件主要功能包括站點(diǎn)選擇、實(shí)時(shí)溫度顯示，溫度曲線的繪制、歷史溫度數(shù)據(jù)查詢等功能。

2.5 報(bào)警方式

系統(tǒng)通過各點(diǎn)的測溫是否超過限額、電纜溫度與室溫的比較、各相間的溫度進(jìn)行比較，智能判斷火災(zāi)告警，并選取了采用GPRS無線短信方式或站內(nèi)遙信的方式進(jìn)行報(bào)警，將報(bào)警信息傳與運(yùn)行監(jiān)控人員，由運(yùn)行人員在現(xiàn)場進(jìn)行故障性質(zhì)的判斷。

3 系統(tǒng)裝置實(shí)際調(diào)試運(yùn)行

為了更好地驗(yàn)證該系統(tǒng)在各種情況下具有廣泛的應(yīng)用性，選取了兩類環(huán)境，即供電公司下屬的110 kV變電站和供電公司生產(chǎn)調(diào)度大樓內(nèi)部的380 V配電網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控終端選擇在供電局大樓的監(jiān)控中心。

在110 kV遠(yuǎn)端變電站，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，采用若干個(gè)無線傳感器加一個(gè)無線數(shù)據(jù)采集器的模式，通過測試，無線數(shù)據(jù)發(fā)送接收正常，一個(gè)無線數(shù)據(jù)采集器能夠滿足整個(gè)變電站的無線接收功能；同時(shí)，利用電力局域網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳送至控制終端。

在供電局大樓內(nèi)部380 V配電電纜的溫度測試中碰到了調(diào)試中最大的問題：電纜進(jìn)線柜位于地下一層，電纜配線柜位于17樓，而數(shù)據(jù)終端放置于18樓。由于無線信號過墻后強(qiáng)度會急劇衰減，18樓的數(shù)據(jù)采集器無法采集到地下一樓的傳感器數(shù)據(jù)信號。根據(jù)實(shí)際情況，采用大樓本身的網(wǎng)絡(luò)布線，在一樓安裝一個(gè)數(shù)據(jù)中繼器，通過已有網(wǎng)線與18樓數(shù)據(jù)終端的路由器相聯(lián)，解決了特殊環(huán)境的組網(wǎng)需求。一樓的中繼器接受無線傳感數(shù)據(jù)相當(dāng)穩(wěn)定，再經(jīng)網(wǎng)線、路由器傳遞到數(shù)據(jù)終端，保證了通信的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了遙測數(shù)據(jù)的正常傳遞。

在系統(tǒng)安裝調(diào)試階段，分別用熱源對各點(diǎn)進(jìn)行加熱模擬，監(jiān)測裝置均能正確告警。系統(tǒng)在供電公司調(diào)度大樓380 V配電電纜以及110 kV變電站中掛網(wǎng)試運(yùn)行至今，運(yùn)行穩(wěn)定，無線數(shù)據(jù)通道穩(wěn)定，收集了正常運(yùn)行時(shí)電纜溫度的歷史數(shù)據(jù)，便于運(yùn)行人員加強(qiáng)對電纜溫度的有效監(jiān)控。

4 結(jié)束語

采用低功耗的短距離無線通信方式組成溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)的方法，可實(shí)現(xiàn)電纜溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，存儲和報(bào)警等功能。該系統(tǒng)通過對電纜接頭溫升預(yù)警，有效解決了開關(guān)柜節(jié)點(diǎn)溫度越限的此類問題，并對電力設(shè)備運(yùn)行中溫度狀態(tài)進(jìn)行在線檢修、評估、預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)分析，進(jìn)而達(dá)到防患于未然的目的。 該方案在不改變?nèi)魏瓮獠拷泳€的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，設(shè)備低廉，便于推廣。

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