基于微網(wǎng)的線路無源智能測溫裝置研究與應(yīng)用

劉延權(quán)

摘 要：在用電過程中，當(dāng)電力供應(yīng)不足而進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)容時(shí)，就不可避免地會(huì)引起輸電線路溫度升高。當(dāng)溫度過高時(shí)，會(huì)引起短路或線路老化，甚至引發(fā)火災(zāi)。這就需要實(shí)時(shí)監(jiān)測線路溫度，以供供電部門合理調(diào)配。鑒于輸電線路處于高空環(huán)境，需要將更加智能化的測溫裝置應(yīng)用于設(shè)備及電網(wǎng)線路的監(jiān)測中。為此，設(shè)計(jì)了基于微網(wǎng)的線路無源智能測溫裝置。該裝置由輸電線直接提供能量，無需外加電源，可以取代人工巡檢監(jiān)測電氣結(jié)點(diǎn)的發(fā)熱情況。這樣將大大提高電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平，防止事故發(fā)生。該測溫裝置具有體積小、安裝方便、無需人為維護(hù)、智能化、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路組網(wǎng)式的溫度監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：微網(wǎng)；無源智能測溫裝置；溫度采集系統(tǒng)；傳感器

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.103

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長，城鄉(xiāng)用電量猛增，在用電高峰期，線路供電負(fù)荷在極限附近運(yùn)行或超極限運(yùn)行的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。當(dāng)前，輸電線路高負(fù)荷運(yùn)行越來越普遍，耐張塔上的引流板或者接續(xù)管處的接點(diǎn)溫度過高成為線路安全運(yùn)行的“死穴”。因此，為了確保電網(wǎng)安全，通常要在用電高峰季來臨之前對(duì)高壓輸電線路的引流線夾進(jìn)行全面的監(jiān)測，防止因?qū)Ь€連接點(diǎn)發(fā)熱而影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。考慮到輸電線路所處的環(huán)境及直接進(jìn)行溫度測量的難度，需要將智能化組網(wǎng)式的溫度測量裝置應(yīng)用于整個(gè)電網(wǎng)線路的溫度監(jiān)測中。

該裝置采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以在桿塔、輸電線和重要的高壓設(shè)備上部署的智能測溫傳感器組成測溫傳感器協(xié)同感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過傳感器采集導(dǎo)線溫度數(shù)據(jù)，利用無線通信方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)窖矙z儀。當(dāng)參數(shù)出現(xiàn)異常情況時(shí)，該裝置就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒值班人員和管理人員及時(shí)采取相關(guān)措施進(jìn)行處理，以免發(fā)生事故。該裝置的電源為高壓電，即從高壓電線上取能，并將其轉(zhuǎn)換為適合該裝置工作的電源，無需外部另加電源。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

基于微網(wǎng)的線路無源智能測溫裝置主要是為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)測溫方式實(shí)時(shí)性和可靠性方面的不足。借助這一裝置，工作人員只需在室內(nèi)便可以實(shí)時(shí)監(jiān)控輸電線路接頭處的溫度。本系統(tǒng)主要由兩部分組成，即溫度采集、發(fā)送裝置和溫度接收、上傳裝置。溫度采集、發(fā)送裝置包括電源部分、無線溫度傳輸部分、溫度數(shù)據(jù)采集部分，溫度接收、上傳裝置包括電源部分和無線溫度接收部分。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收發(fā)都是通過無線網(wǎng)絡(luò)完成的，其中，溫度采集系統(tǒng)之間通過射頻網(wǎng)絡(luò)通信。當(dāng)一個(gè)溫度采集器采集到溫度信息后，會(huì)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)發(fā)送到對(duì)應(yīng)的一個(gè)中繼接收器；中繼接收器將接收到的多個(gè)采集器發(fā)來的溫度值發(fā)送到巡檢儀，以供用戶查看。

該系統(tǒng)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)就是供電部分均由輸電線感應(yīng)取電電源模塊負(fù)責(zé)提供能量，無需外接輸入電源。這樣，就避免了對(duì)使用外加電源的維護(hù)，也排除了因電池受使用年限或老化等因素的影響而給裝置的使用帶來不便。一旦將這一裝置安裝于輸電線上，在其使用的過程中基本不需要人工維護(hù)。

1.2 溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該套裝置中的溫度采集、發(fā)送裝置負(fù)責(zé)獲取導(dǎo)線表面的溫度，然后發(fā)送出去；溫度接收、上傳裝置以“一對(duì)多”的方式獲取采集裝置發(fā)來的溫度值，然后通過巡檢儀查看數(shù)據(jù)。

溫度采集、發(fā)送裝置主要負(fù)責(zé)采集被測點(diǎn)的溫度信息，并將其通過無線模塊發(fā)送到接收端。該裝置采用數(shù)字式溫度芯片DS18B20。這樣就可以將整個(gè)PCB板集中到磨具中，只需要在磨具背面開一小孔傳遞溫度即可。該溫度傳感器支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，一個(gè)測溫裝置可以對(duì)多點(diǎn)進(jìn)行測量，既增加了測量點(diǎn)，又保證了測量的合理性。在采集溫度信息后，將其傳輸?shù)浇K端的中繼集中器，再由接收端查看數(shù)據(jù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

基于微網(wǎng)的線路無源智能測溫裝置作為線路狀態(tài)監(jiān)測和各類相關(guān)數(shù)據(jù)集中展現(xiàn)的平臺(tái)，一方面能在發(fā)現(xiàn)線路隱患時(shí)及時(shí)預(yù)警，及時(shí)指導(dǎo)檢修處理工作的開展，避免線路發(fā)生事故；另一方面能對(duì)輸變電線路設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，為輸變電線路故障的分析、技術(shù)措施的研究和檢修處理方案的制訂等提供了有力的信息化數(shù)據(jù)，從而有效提高了輸變電線路的故障預(yù)防能力。

該裝置功能的實(shí)現(xiàn)主要由以下三部分完成：①電源部分。在該裝置工作的過程中，無需提供外部電源，系統(tǒng)工作所需的電能通過轉(zhuǎn)換直接從輸電線上獲取。②溫度數(shù)據(jù)采集部分。裝置采用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器獲取輸電線表面溫度。③無線傳輸部分。處理器將采集到的溫度值處理后經(jīng)CC1101無線模塊發(fā)送到中繼集中器。

2.1 電源部分

電源是任何電子產(chǎn)品能量的核心，采用良好的供電方式不僅能節(jié)約成本，還能提升整個(gè)產(chǎn)品的使用性能。線路無源智能測溫裝置的無源性源于無需外部電源供電，系統(tǒng)工作所需的能量直接從輸電線上獲取，從而避免對(duì)電池的維護(hù)和使用造成污染，符合節(jié)能環(huán)保的要求。

2.1.1 輸電線取電原理

針對(duì)高壓電網(wǎng)中測量裝置的供電問題，相關(guān)人員研發(fā)了一種電場感應(yīng)式電源，用于為測量裝置供電。其基本原理是利用高壓設(shè)備攜帶的高電壓電場獲取能量，在電網(wǎng)電壓穩(wěn)定時(shí)就能為裝置穩(wěn)定供電。這樣，不僅節(jié)省了電能，還避免了因使用電源而造成的污染。由于高壓輸電線中的電流是以正弦波的方式變化的，因此其產(chǎn)生的磁場也是變化的。由法拉第“電磁感應(yīng)定律”可知，當(dāng)磁通量發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)在穿有鐵芯的線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，其大小為：

在電磁耦合方式下，線圈感應(yīng)輸出端近似等效于恒流源，隨著一次側(cè)電流的增加，二次側(cè)感應(yīng)輸出的電流也在增加。此時(shí)，如果二次側(cè)保持負(fù)載不變，則二次側(cè)回路上的電壓會(huì)因電流對(duì)濾波電容器的充電而升高。當(dāng)升高到一定范圍時(shí)，就會(huì)因過壓而損壞器件。本次設(shè)計(jì)將取能線圈獲取的交流電再次降低，并在裝置后作防浪涌和過壓保護(hù)處理。通過保護(hù)電路對(duì)幅值降低的正弦電壓進(jìn)行整流、濾波和穩(wěn)壓處理，并將穩(wěn)定后的電壓信號(hào)用于為裝置供電。

對(duì)整個(gè)取電過程進(jìn)行理論分析，初步假設(shè)初級(jí)線圈和次級(jí)線圈為全耦合電磁感應(yīng)，忽略初級(jí)和次級(jí)繞組線圈漏感，根據(jù)電磁學(xué)基本理論，則可以得出以下方程：

式（2）（3）（4）（5）中：u1為初級(jí)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢；u2為次級(jí)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢；N1為初級(jí)線圈匝數(shù)；N2為次級(jí)線圈匝數(shù)；Φ為磁通量；i1初級(jí)為線圈電流；i2次級(jí)為線圈電流；H為磁場強(qiáng)度；l為磁路長度；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；A為鐵心截面積；ur為鐵芯的相對(duì)磁導(dǎo)率。

線路無源智能測溫裝置具有低功耗特點(diǎn)，其工作電壓為3.3 V，設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)一次側(cè)高壓線上電流的大小確定線圈的匝數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用過程中，可根據(jù)高壓導(dǎo)線中流過的電流的大小和導(dǎo)線截面積的大小等來設(shè)計(jì)合適的線圈匝數(shù)，以得到符合要求的u2.

考慮到高壓電線復(fù)雜的電磁環(huán)境及電流的大幅變化，確保供電的抗干擾能力及穩(wěn)定性是需要解決的首要問題。如果設(shè)計(jì)得不好，不僅會(huì)影響裝置的正常工作，還可能會(huì)給輸電線造成意想不到的危害。因此，在從高壓線上取能后，要在使用的前端加入保護(hù)電路，以保證裝置供電的穩(wěn)定性和可靠性。

2.1.2 防浪涌電路

任何用電設(shè)備都存在供電電壓的允許范圍，超出范圍將可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成災(zāi)難性的損壞，有時(shí)即便是很窄的過電壓沖擊，也會(huì)造成設(shè)備電源損壞，尤其是一些敏感的微電子設(shè)備，有時(shí)很小的浪涌沖擊就可能會(huì)對(duì)其造成致命的損壞。在輸入電路合閘瞬間，由于電容上的初始電壓為零，會(huì)形成很大的瞬時(shí)沖擊電流，特別是大功率開關(guān)電源，其輸入采用較大容量的濾波電容器，沖擊電流可達(dá)100 A以上。線路無源智能測溫裝置安裝于戶外高空高壓線上，引入防浪涌電路能有效避免雷擊危險(xiǎn)，保護(hù)裝置不會(huì)因瞬間的電流變化而受損，使裝置有一個(gè)穩(wěn)定的電源供電環(huán)境。

2.1.3 過壓保護(hù)電路

將過壓保護(hù)電路引入電路中，可以有效預(yù)防因拉閘、合閘引起的輸電線電流變化、雷擊等偶然因素而導(dǎo)致的電路過壓，預(yù)防電壓瞬間變化而造成設(shè)備不能正常工作，甚至損壞設(shè)備，有效保護(hù)供電的穩(wěn)定性和安全性。

2.1.4 整流濾波穩(wěn)壓電路

該系統(tǒng)的工作電壓為3.3 V，因此，要將從高壓輸電線上獲取的交流正弦電壓先轉(zhuǎn)換成低幅值的正弦電壓，然后對(duì)此電壓信號(hào)進(jìn)行整流、濾波、穩(wěn)壓處理，轉(zhuǎn)換成可供測溫裝置使用的直流電壓。

2.2 溫度數(shù)據(jù)采集及無線傳輸部分

2.2.1 控制器選取

線路無源智能測溫裝置采用的處理器芯片為意法半導(dǎo)體公司的超低功耗STM8L051單片機(jī)，其配置完全能夠滿足本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，超低功耗的設(shè)計(jì)更加符合本產(chǎn)品設(shè)計(jì)的理念?？紤]到復(fù)雜的電磁環(huán)境，在控制系統(tǒng)中加入了看門狗復(fù)位電路，在裝置因意外死機(jī)后可自動(dòng)重啟。

2.2.2 溫度數(shù)據(jù)采集部分

隨著用電負(fù)荷的變化，受載流量熱穩(wěn)定限額等技術(shù)的限制，原有輸電線路的輸送容量大大降低，已經(jīng)難以完成送電任務(wù)，不能滿足電力用戶的需要，尤其是在用電高峰期、檢修狀態(tài)下或發(fā)生故障等情況下，線路互通容量不足將會(huì)形成壓限負(fù)荷，導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性下降。因此，有必要對(duì)輸電線輸送能力的提高進(jìn)行研究。

研究表明，線路的輸電能力與導(dǎo)線的運(yùn)行溫度有直接的關(guān)系，因此，實(shí)時(shí)關(guān)注輸電線的溫度變化，能夠?yàn)楣╇姴块T監(jiān)控輸電線以及對(duì)電力進(jìn)行分配、調(diào)度提供依據(jù)。測溫裝置貼近輸電線表面，利用傳感器獲取輸電線表面的溫度信息，并在處理器內(nèi)計(jì)算處理后通過無線模塊發(fā)送出去。

線路無源智能測溫裝置的溫度傳感器采用的是DS18B20數(shù)字溫度傳感器，測量溫度范圍為-55～125 ℃，固有測溫誤差為1 ℃。該傳感器支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上（最多只能并聯(lián)8個(gè)），實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。如果數(shù)量過多，會(huì)使供電電源電壓過低，從而造成信號(hào)傳輸不穩(wěn)定。該傳感器體積較小，可在一個(gè)測溫裝置內(nèi)對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行多點(diǎn)測量，并對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和評(píng)估，從而使測量結(jié)果更為合理。另外，該傳感器是單總線接口，可以將采集到的溫度信號(hào)直接輸入到單片機(jī)中，無需加入AD轉(zhuǎn)換，對(duì)信號(hào)的處理來說比較方便。

2.2.3 溫度的無線傳輸部分

線路無源智能測溫裝置運(yùn)行中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是將采集到的輸電線上的溫度值通過無線模塊發(fā)送到中繼集中器上。采用無線傳輸?shù)膬?yōu)勢在于可以使信號(hào)的傳輸更加簡便，組網(wǎng)更加容易，同時(shí)，有多個(gè)溫度采集點(diǎn)將采集到的溫度值發(fā)送到同一個(gè)接收器中（中繼集中器）。每個(gè)采集裝置都有自己的地址，便于故障定位。由此可見，采用無線組網(wǎng)方式既可以節(jié)約成本，又方便集中管理。

該裝置使用的無線收發(fā)模塊為極低功耗單片無線收發(fā)器芯片CC1101無線模塊。該模塊可通過SPI接口與STM8L051單片機(jī)通信，其主要被應(yīng)用于工業(yè)、科研和醫(yī)療（ISM）以及短距離無線通信設(shè)備（SRD）中。CC1101可提供對(duì)數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)傳輸、接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）、空閑信道評(píng)估（CCA）、鏈路質(zhì)量指示和無線喚醒（WOR）等的硬件支持，且在代碼、封裝和外引腳方面均與其他模塊兼容，可被用于全球最為常用的開放式、頻率低于1 GHz的RF設(shè)計(jì)中。與WiFi、BlueTooth和Zigbee相比，采用CC1101無線模塊操作更簡單，給成本更低。

2.2.4 接收部分

該套裝置采用短距離無線技術(shù)的系統(tǒng)通信組網(wǎng)方案，各采集裝置定時(shí)將采集到的溫度發(fā)送到接收裝置上，實(shí)現(xiàn)測溫接收端與溫度測量發(fā)送端的組網(wǎng)通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

線路無源智能測溫裝置發(fā)送溫度信息的方式為：每隔10 min讀取一次溫度值，到1 h時(shí)，對(duì)獲取的6個(gè)溫度值取平均值，然后由無線模塊將其發(fā)送到對(duì)應(yīng)的接收端。由于每個(gè)裝置都有自己的地址，因此，中繼集中器接收的溫度值也都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的地址。這樣，一旦出現(xiàn)溫度異常，就可以根據(jù)地址定位到異常點(diǎn)，方便工作人員及時(shí)監(jiān)控并找出故障原因。

本系統(tǒng)溫度采集、發(fā)送部分軟件的工作流程主要為：采集、處理溫度值，并使用無線模塊發(fā)送出去，實(shí)現(xiàn)溫度信息的采集。

4 總結(jié)

綜上所述，線路無源智能測溫裝置是一種較為實(shí)用的新型線夾溫度在線監(jiān)測裝置，其無線溫度傳感器采用低功耗設(shè)計(jì)，運(yùn)行于低功耗模式下，在密封情況下由動(dòng)態(tài)取電進(jìn)供電（無電或者停電時(shí)，啟用備用鋰電池供電），使用壽命長達(dá)10年，且具有體積小、質(zhì)量輕、便于安裝、測量準(zhǔn)確（誤差小于1%）和無線數(shù)據(jù)傳輸靈活等特點(diǎn)，可作為“紅外測溫儀”的替代品。該裝置的推廣和應(yīng)用不僅有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路線夾早期燒毀故障，還可以大幅降低檢修人員巡視查看的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省人力、物力，可靠性高，對(duì)線路的安全供電起著重要的作用。

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〔編輯：劉曉芳〕