基于LabView和無(wú)線通信技術(shù)開(kāi)關(guān)柜的溫度在線監(jiān)測(cè)

張闊,趙清軍,宋紹江

(天津市電力公司,天津 300450)

基于LabView和無(wú)線通信技術(shù)開(kāi)關(guān)柜的溫度在線監(jiān)測(cè)

張闊,趙清軍,宋紹江

(天津市電力公司,天津 300450)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜的溫度狀況,提出一種基于LabView和無(wú)線通信技術(shù)的開(kāi)關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。針對(duì)開(kāi)關(guān)柜特殊的構(gòu)造特點(diǎn)設(shè)計(jì)了無(wú)線傳感器測(cè)量觸頭溫度,并本著縮小體積,延長(zhǎng)使用壽命的原則利用電池和超級(jí)電容給系統(tǒng)供電。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單,人機(jī)交互方便,針對(duì)串口通信設(shè)計(jì)了通信協(xié)議,提高了串口通信的可靠性。

開(kāi)關(guān)柜;溫度;LabView;在線監(jiān)測(cè);無(wú)線通信

1 前言

開(kāi)關(guān)柜是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備,起到通斷、保護(hù)和控制等作用[1],以輸送和倒換電力負(fù)荷,保證電力系統(tǒng)安全退出故障設(shè)備和線路[2]。然而高壓開(kāi)關(guān)柜在長(zhǎng)期的運(yùn)行中,因其高壓接點(diǎn)部位受環(huán)境濕度、溫度、電弧沖擊、接觸電阻大以及超負(fù)荷運(yùn)行等原因造成部分絕緣老化發(fā)熱現(xiàn)象,溫度不斷上升,會(huì)給設(shè)備的安全運(yùn)行埋下隱患,如果不能及時(shí)處理,可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)柜、電纜接頭等爆炸事故,造成大量的財(cái)產(chǎn)損失,所以針對(duì)上述問(wèn)題對(duì)開(kāi)關(guān)柜的溫度監(jiān)測(cè)尤為重要[3-4]。

由于開(kāi)關(guān)柜的特殊環(huán)境,監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：

1)能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作,無(wú)需經(jīng)常性更換電池;

2)可適應(yīng)復(fù)雜的電磁噪聲環(huán)境;

3)體積輕便,方便部署在開(kāi)關(guān)柜各個(gè)位置;

4)盡量保留現(xiàn)有系統(tǒng),避免對(duì)原有電力設(shè)備的改造;

5)監(jiān)測(cè)具有較高的可靠性。

針對(duì)以上問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外許多科研機(jī)構(gòu)及高校都對(duì)開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了大量的研究。常用的監(jiān)測(cè)方法主要有無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)、光纖測(cè)溫[5]、紅外測(cè)溫[6]等幾種方式。

紅外非接觸式測(cè)溫是高壓運(yùn)行設(shè)備測(cè)溫最常用的方式,是利用物體相對(duì)輻射強(qiáng)度與溫度之間存在特定的關(guān)系。這種傳感器與測(cè)量設(shè)備不接觸,對(duì)設(shè)備的運(yùn)行沒(méi)有影響,解決了高壓隔離以及傳感器環(huán)境的問(wèn)題。但是這種方式只可以測(cè)量在傳感器直視范圍內(nèi)測(cè)量點(diǎn)的溫度,不適合開(kāi)關(guān)柜這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備,且無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。傳感器離目標(biāo)較遠(yuǎn),易受外界因素影響,故測(cè)量精度較低。

光纖測(cè)溫具有良好的絕緣性能和抗干擾,探頭可埋設(shè)在電力設(shè)備內(nèi)部的高壓選定部位,直接測(cè)出該點(diǎn)的實(shí)際溫度,因而得到了較為廣泛的使用。但其本身易折斷,不耐高溫,且光纖測(cè)溫儀在柜內(nèi)的安裝和改造比較麻煩,布線難度較大,存在灰塵爬電的可能,且不滿足長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的要求。

近年來(lái)出現(xiàn)了采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行溫度采集的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過(guò)無(wú)線通訊方式進(jìn)行高壓隔離和信號(hào)傳輸。無(wú)線通信固有的絕緣和抗電磁場(chǎng)干擾性能從根本上解決了高壓開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)復(fù)雜、觸點(diǎn)運(yùn)行溫度不易監(jiān)測(cè)的難題,方便部署,對(duì)原有電力設(shè)備影響小,滿足了非接觸監(jiān)測(cè)的要求[7]。

文中采用了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè),溫敏電阻傳感器不受復(fù)雜電磁環(huán)境的影響,電池與感應(yīng)取電聯(lián)合供電保證了溫敏電阻傳感器節(jié)點(diǎn)工作的穩(wěn)定性,測(cè)溫傳感節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線方式與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信,上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)觀察開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的溫濕度值,當(dāng)開(kāi)關(guān)柜觸頭或環(huán)境溫度超過(guò)閾值時(shí),上位機(jī)軟件將及時(shí)進(jìn)行報(bào)警處理。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為三個(gè)部分,測(cè)溫單元、無(wú)線主節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 測(cè)溫系統(tǒng)總框圖

溫敏電阻傳感器電池電量有限,則大多數(shù)時(shí)間均處于睡眠狀態(tài),平均發(fā)送周期較長(zhǎng),發(fā)送間隔由主節(jié)點(diǎn)分配。

主節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期處于接收狀態(tài),實(shí)時(shí)接收溫敏電阻傳感器節(jié)點(diǎn)信息。當(dāng)接收到溫敏電阻傳感器節(jié)點(diǎn)的信息后,主節(jié)點(diǎn)將根據(jù)當(dāng)前的溫敏電阻傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目及上個(gè)節(jié)點(diǎn)到來(lái)的時(shí)間為傳感器計(jì)算下次傳送的時(shí)隙,并向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送包含時(shí)隙信息的應(yīng)答信息。當(dāng)接收到溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的信息后,主節(jié)點(diǎn)將回復(fù)應(yīng)答信息防止多次發(fā)送。

主節(jié)點(diǎn)接收到兩種節(jié)點(diǎn)上傳的溫度信息后立即通過(guò)RS232串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī),由上位機(jī)軟件統(tǒng)一進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、報(bào)警。上位機(jī)還可向主節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)送命令信息,以改變網(wǎng)絡(luò)上傳周期等參數(shù)。

3 溫度測(cè)量單元設(shè)計(jì)

溫度測(cè)量單元上電后對(duì)單片機(jī)與無(wú)線芯片進(jìn)行初始化,在完成寫(xiě)參數(shù)后,使用A/D讀取當(dāng)前溫度值,并交由CC1101無(wú)線芯片進(jìn)行發(fā)送。節(jié)點(diǎn)在發(fā)送結(jié)束后立刻轉(zhuǎn)換到接收狀態(tài),等待100 ms,若100 ms內(nèi)接收到主機(jī)的應(yīng)答數(shù)據(jù)包,則從數(shù)據(jù)包中讀取出睡眠時(shí)間,進(jìn)入睡眠模式;若 100 ms內(nèi)未接收到主機(jī)的應(yīng)答數(shù)據(jù)包,則從新發(fā)送數(shù)據(jù)。若三次發(fā)送內(nèi)成功接收到主節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答信號(hào),則認(rèn)為通信成功,節(jié)點(diǎn)睡眠等待下一個(gè)周期的發(fā)送;若三次發(fā)送均未得到應(yīng)答,則認(rèn)為發(fā)生了頻偏等其他問(wèn)題,節(jié)點(diǎn)將進(jìn)行自動(dòng)重啟。溫度測(cè)量單元與主節(jié)點(diǎn)工作流程如圖2所示。

圖2 溫度測(cè)量單元軟件流程圖

主節(jié)點(diǎn)上電初始化后,便一直處于接收狀態(tài)。當(dāng)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包后,首先讀取命令字節(jié),確定是哪種傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的信息,再根據(jù)情況發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。發(fā)送完應(yīng)答信號(hào)后,主節(jié)點(diǎn)會(huì)立即通過(guò)串口向上位機(jī)發(fā)送此節(jié)點(diǎn)的所有信息,保證服務(wù)器可以實(shí)時(shí)監(jiān)控所有開(kāi)關(guān)柜的溫濕度狀態(tài)。

供電模塊電路如圖3所示。本設(shè)計(jì)采用電池與超級(jí)電容感應(yīng)取電配合的供電方式,保證了節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。采用電流互感器從母排耦合出電流,利用整流橋?qū)⒔涣髯兂芍绷?利用穩(wěn)壓管將整流橋電壓限制恒定在3.6V,對(duì)電容充電。如果電容充滿電高于電池電壓,D4導(dǎo)通,對(duì)設(shè)備供電;如果電容充電電壓低于電池電壓,D4截至,D5導(dǎo)通,電池對(duì)設(shè)備供電。

圖3 供電模塊電路設(shè)計(jì)

4 服務(wù)器監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件基于LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì),上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)了與下位機(jī)主節(jié)點(diǎn)的通信,接收主節(jié)點(diǎn)上傳的溫度信息,并進(jìn)行溫度過(guò)高預(yù)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示。用戶可根據(jù)需要對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查看,并可向測(cè)溫單元下發(fā)重啟指令。上位機(jī)界面操作簡(jiǎn)單,人機(jī)交互方便,登錄系統(tǒng)及管理員設(shè)置保證了系統(tǒng)操作的安全性。

4.1 串口通信協(xié)議設(shè)計(jì)

主節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通過(guò)RS232串口連接,為了防止數(shù)據(jù)區(qū)和起始字符和結(jié)束字符發(fā)生沖突,設(shè)計(jì)了一套串口通信協(xié)議,提高了串口通信的可靠性。

系統(tǒng)基于RS232串口通信建立與下位機(jī)主節(jié)點(diǎn)通信系統(tǒng),接收下位機(jī)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),可以實(shí)時(shí)下發(fā)控制信號(hào)、監(jiān)測(cè)參數(shù)信息等。圖4所示為RS232通信系統(tǒng)接收的流程圖,圖 5所示為RS232通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖。

圖4 RS232接收數(shù)據(jù)流程圖

圖5 RS232發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖

通信系統(tǒng)波特率設(shè)置為9 600,8個(gè)數(shù)據(jù)位, 1個(gè)停止位,無(wú)奇偶校驗(yàn),通過(guò)串口中斷實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀出和寫(xiě)入。系統(tǒng)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)格式為結(jié)構(gòu)體,即每次通信下位機(jī)從上位機(jī)接收一組或者多組結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù),或下位機(jī)往上位機(jī)上傳一組或多組結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)。通信格式幀如表1所示。

表1 通信系統(tǒng)通信格式

為了防止數(shù)據(jù)區(qū)和起始字符和結(jié)束字符發(fā)生沖突,對(duì)數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。假設(shè)數(shù)據(jù)區(qū)有三個(gè)字節(jié)a、b、c,不夠三個(gè)字節(jié)補(bǔ)空字節(jié),各個(gè)字節(jié)信息如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)區(qū)移位前數(shù)據(jù)格式

對(duì)a、b、c進(jìn)行如下移位處理：

按照上面代碼移位后存儲(chǔ)位四個(gè)字節(jié)排列如表3所示：

表3 數(shù)據(jù)區(qū)移位后數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式

這樣三個(gè)字節(jié)用四個(gè)字節(jié)存儲(chǔ),每個(gè)字節(jié)高兩位空,然后移位的存儲(chǔ)字節(jié)值加上ANSII‘=’值,這樣每個(gè)字節(jié)值避免了與起始位、結(jié)束位相同,數(shù)據(jù)區(qū)不會(huì)出現(xiàn)起始位和結(jié)束位。這樣可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)以幀的形式發(fā)送,利用串口中斷方式,容易識(shí)別數(shù)據(jù)起始數(shù)據(jù),結(jié)束數(shù)據(jù),然后對(duì)數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行移位處理,還原數(shù)據(jù)等。為了保證數(shù)據(jù)可靠性,在數(shù)據(jù)區(qū)結(jié)束后加CRC效驗(yàn),進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)的可靠性。接收數(shù)據(jù)按照上面的協(xié)議進(jìn)行移位還原數(shù)據(jù)。

上位機(jī)接收到一幀數(shù)據(jù)后,根據(jù)通信協(xié)議對(duì)幀進(jìn)行校驗(yàn)。若校驗(yàn)成功,通知數(shù)據(jù)處理、顯示模塊提取數(shù)據(jù),最后將數(shù)據(jù)保存到指定的內(nèi)存和文件。

4.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

為了保證不丟失上傳數(shù)據(jù)包,利用數(shù)據(jù)生產(chǎn)者-消費(fèi)者循環(huán)來(lái)完成串口數(shù)據(jù)的處理;為了提高系統(tǒng)的處理效率和界面響應(yīng)速度,利用事件生產(chǎn)者-消費(fèi)者循環(huán)來(lái)完成用戶對(duì)界面的操作。

當(dāng)發(fā)生溫度過(guò)高的危險(xiǎn)情況,則進(jìn)行聲音報(bào)警并彈出溫度過(guò)高警報(bào)界面顯示溫度過(guò)高的箱柜號(hào)、節(jié)點(diǎn)編號(hào)、節(jié)點(diǎn)類(lèi)型 (A表示溫敏電阻傳感器節(jié)點(diǎn)、B表示溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn))、溫度值、濕度值 (若為溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn))及上傳時(shí)間。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一套開(kāi)關(guān)柜觸頭溫度的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),針對(duì)開(kāi)關(guān)柜特殊的構(gòu)造特點(diǎn)設(shè)計(jì)了無(wú)線傳感器測(cè)量觸頭溫度,并本著縮小體積,延長(zhǎng)使用壽命的原則利用電池和超級(jí)電容給系統(tǒng)供電。上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì),操作簡(jiǎn)單,人機(jī)交互方便,登錄系統(tǒng)及管理員設(shè)置保證了系統(tǒng)操作的安全性。針對(duì)串口通信設(shè)計(jì)了通信協(xié)議,提高了串口通信的可靠性。

[1] 徐東晟,許一聲.高壓開(kāi)關(guān)柜觸頭溫度在線監(jiān)測(cè)的研究[J].高壓電器,2001,37(1)：54-55.

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[3] 苑舜.高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版,2001.

[4] 胡春海,鄒曉紅,王玉田.光纖熒光溫度傳感器用于高壓設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)的研究 [J]..工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2004,(5)：53-54.

[5] L.Balgard,L.Lundin.Monitoring Primary Circuit Temperature and Breakers Condition in MV Substations[J].ABB Review 1993(3)：21-26.

[6] Huang Xiping,Wang Xin,Qiang Wen.Development of Online Monitoring Equipment of Medium Voltage Switchgear[J] .The Eighth International Conference on Electronic Measurement and Instruments,2007(3)：388-392.

[7] 劉建勝,綁達(dá),張凡.一種用于變電站高壓觸點(diǎn)溫度在線監(jiān)測(cè)的新方法 [J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2004,28(4).

Temperature of Switchgear On-line Condition Monitoring System Based on Labview and Wireless Communication

ZHANG Kuo,ZHAO Qingjun,SONG Shaojiang
(State Grid Tianjin Electric Power Company,Tianjin 300450)

In order to monitor the switchgear temperature in real-time,a temperature monitoring system based on LabView and wireless communication is presented in this paper.Considering the switchgear special construction features,a wireless sensor is designed to measure the temperature of the contact.The batteries and super capacitors is utilized to supply power to the system with the principle of reducing volume,extending the use of life cycle.PC monitoring system is simple,and convenient for human-computer interaction.A serial communications protocol is designed to improve the reliability of serial communication.

switchgear;temperature;LabView;On-line detecting;wireless communication

TM561.5

B

1006-7345(2014)03-0093-04

2014-02-24

張闊 (1986),男,碩士,助理工程師,天津市電力公司,從事配電運(yùn)行與維護(hù)方面研究工作 (e-mail)zhangkuo0505@sina.com。

趙清軍 (1970),男,本科,工程師,天津市電力公司,從事配電運(yùn)行與維護(hù)方面研究工作。

宋紹江 (1971),男,本科,中級(jí)技師,天津市電力公司,從事配電運(yùn)行與維護(hù)方面研究工作。