一種組網(wǎng)式電纜分支箱在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

康 健, 宗榜馗, 張大寧, 李懷亮, 張 旋

(1.哈爾濱理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院，黑龍江 綏化 152000；3.華電國(guó)際電力股份有限公司鄒縣發(fā)電廠，山東 濟(jì)寧 273522)

一種組網(wǎng)式電纜分支箱在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

康 健1, 宗榜馗1, 張大寧1, 李懷亮2, 張 旋3

(1.哈爾濱理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院，黑龍江 綏化 152000；3.華電國(guó)際電力股份有限公司鄒縣發(fā)電廠，山東 濟(jì)寧 273522)

針對(duì)電纜分支箱內(nèi)的分接頭故障率較高這一現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一組網(wǎng)式電纜分支箱在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以超低功耗單片機(jī)為主控制芯片的信息采集終端，對(duì)電纜分支箱內(nèi)環(huán)境信息和電氣參數(shù)進(jìn)行采集、運(yùn)算與處理。采用GSM無(wú)線傳輸方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控臺(tái)的LabVIEW上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了分支箱內(nèi)環(huán)境溫度、電纜分接頭溫度、線路故障信息及帶電狀態(tài)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)其他電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)具有很好的借鑒意義。

溫度傳感器; 在線監(jiān)測(cè); 遠(yuǎn)程監(jiān)控; 溫度采集; GSM; LabVIEW

0 引言

電纜分支箱內(nèi)的分接頭是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行中的薄弱環(huán)節(jié)。由于受制作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不利因素的影響及制作工藝的限制，導(dǎo)致了電纜分接頭壓接質(zhì)量的不可靠。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的大電流運(yùn)行后，在壓接點(diǎn)處產(chǎn)生過(guò)熱、氧化，接觸電阻逐漸增大，如處理不及時(shí)，接頭溫度進(jìn)一步升高、絕緣老化，最終會(huì)導(dǎo)致事故發(fā)生[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電纜接頭事故率占電纜事故的90%。

目前，國(guó)內(nèi)電纜分支箱監(jiān)測(cè)主要通過(guò)人工巡檢方式。檢修中存在檢修過(guò)?；驒z修不足等問(wèn)題，耗費(fèi)大量人力、物力。本文在電纜分接頭測(cè)溫的基礎(chǔ)上，輔以環(huán)境溫度、線路故障及帶電狀態(tài)等信息，提高了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的多功能性，可對(duì)電纜分支箱進(jìn)行故障判斷、預(yù)測(cè)，使電網(wǎng)運(yùn)行更加可靠、智能[3-7]。

1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體技術(shù)方案

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是集溫度采集、故障電流獲取、高壓帶電的狀態(tài)信息獲取及故障定位于一體化的多功能系統(tǒng)。結(jié)合10 kV電纜中間接頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該系統(tǒng)可以分為三層：MCU數(shù)據(jù)的采集、GSM數(shù)據(jù)包傳輸、LabVIEW上位機(jī)顯示。

數(shù)據(jù)采集部分設(shè)置在電纜分支箱內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的溫度信息、線路電流值、帶電狀態(tài)及故障電流類型判斷等信息由超低功耗MCU待定采集。

當(dāng)電纜線路發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即采集此信息，通過(guò)GSM傳輸至主控制臺(tái)，進(jìn)行報(bào)警。

當(dāng)電纜線路無(wú)故障時(shí)，采集時(shí)間主要由溫度采集模塊控制，可設(shè)置相應(yīng)間隔采集時(shí)間。當(dāng)采集溫度時(shí)間到達(dá)時(shí)，通過(guò)射頻傳給已經(jīng)休眠的MSP430[8](此時(shí)功耗非常低)，產(chǎn)生中斷，此時(shí)單片機(jī)喚醒進(jìn)行各個(gè)數(shù)據(jù)采集；采集完成后，將數(shù)據(jù)打包通過(guò)GSM無(wú)線模塊[9-11]傳輸給主顯示臺(tái)。這樣，終端匯集了所有電纜分支箱數(shù)據(jù)。通過(guò)LabVIEW，處理溫度的歷史曲線、線路的故障次數(shù)以及某段線路的位置等信息。

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 分支箱數(shù)據(jù)采集層的結(jié)構(gòu)原理與實(shí)現(xiàn)

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2.1 高壓帶電顯示原理

設(shè)置在電纜分接頭處的電壓傳感器將電壓分壓，以得到較低的電壓來(lái)觸發(fā)光耦電路中的光電耦合器。隔離電壓達(dá)3 750 V，保證了處理器與強(qiáng)電隔離。

首先，設(shè)線路的電壓為U，C1、C2上的電壓分別為U1、U2,根據(jù)兩個(gè)電容串聯(lián)分壓的計(jì)算公式得到：

U1=C2U/(C1+C2)

(1)

U2=C1U/(C1+C2)

(2)

電壓經(jīng)C1、C2電容分壓作用，分到C2上的電壓經(jīng)過(guò)BRIDGE2整流穩(wěn)壓作用，將小信號(hào)If發(fā)送給光耦電路6N139高倍率、高速達(dá)林頓光耦合器。

Ic=βIf

(3)

式中：Ic為基極的電流值；β為電流放大倍數(shù)。

由式(3)得到的電流Ic乘以R4，得到電阻R4上的電壓U3，故LM139A芯片的輸入電壓Uin為：

(4)

電壓比較器能有效避免因檢測(cè)帶來(lái)的誤差，其傳輸特性曲線如圖3所示。

圖3 電壓比較器傳輸特性曲線

(5)

(6)

式中：R1為反饋電阻；R2為輸入電阻。

將式(5)與式(6)作差，得出回差電壓：

(7)

2.2 短路故障預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

采用短路和接地傳感器，當(dāng)短路傳感器檢測(cè)到電流高于預(yù)設(shè)值時(shí)，則輸出信號(hào)經(jīng)光纖傳送給三相故障電流處理電路。當(dāng)接收到短路信號(hào)后，三極管工作在線性區(qū)，通過(guò)單閥值比較器LM139A將預(yù)警信號(hào)發(fā)送給主機(jī)。

由復(fù)合序網(wǎng)可求出故障處的各序電流和電壓。

(8)

(9)

根據(jù)對(duì)稱分量的合成公式，可得各相電流、電壓為：

(10)

(11)

圖4 單相接地短路電流相量圖

接地故障傳感器也就是零序電流互感器。當(dāng)電纜出現(xiàn)單相接地時(shí)，由以上公式分析得三相電流矢量和不為0。傳感器檢測(cè)到的故障，通過(guò)光纖傳送至單相短路零序電流處理。單相短路零序電流處理電路如圖5所示。

圖5 單相短路零序電流處理電路圖

2.3 溫度采集子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

WD01L39無(wú)線測(cè)溫傳感器的主要特點(diǎn)為：定時(shí)傳送溫度數(shù)據(jù)，待機(jī)電流為2 mA，最大瞬間功耗為+20 dBm，其直線距離為1 800 m左右，室內(nèi)可以隔墻傳輸10～15層，從根本上解決了大部分應(yīng)用對(duì)無(wú)線通信能力的要求。其內(nèi)部集成DS18B20測(cè)溫傳感器，并采用標(biāo)準(zhǔn)UART協(xié)議，與MCU進(jìn)行RS-485進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。其內(nèi)部通用數(shù)據(jù)包如表1所示。

表1 通用數(shù)據(jù)包

2.4 匯聚節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

通過(guò)RS-485通信將WD01L39無(wú)線接收模塊各個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)定時(shí)通過(guò)P3.3口傳送到相應(yīng)存儲(chǔ)寄存器內(nèi)，此時(shí)MSP430由睡眠狀態(tài)喚醒，對(duì)線路的帶電狀態(tài)、電流值等信息進(jìn)行采集。采集后的數(shù)據(jù)打包存儲(chǔ)到數(shù)組中，通過(guò)GSM以短信的方式發(fā)送給主機(jī)，顯示在上位機(jī)LabVIEW上。如果某電纜分支箱出現(xiàn)故障電流，掉電狀態(tài)，系統(tǒng)立即會(huì)給單片機(jī)發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)，單片機(jī)也會(huì)被喚醒，通過(guò)GSM發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

3 主控制臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)軟件采用LabVIEW作為開(kāi)發(fā)環(huán)境。LabVIEW是基于NI設(shè)計(jì)平臺(tái)的核心，使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序[12]，屬于圖形化語(yǔ)言。上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)圖

上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)預(yù)處理、判斷溫度值和溫升值是否符合相關(guān)的電力系統(tǒng)安全規(guī)定[13]、確定設(shè)備缺陷等級(jí)，并給出預(yù)警信號(hào)。通過(guò)GSM短信收發(fā)模塊發(fā)送報(bào)警短信，將各項(xiàng)數(shù)據(jù)結(jié)果通過(guò)軟件實(shí)時(shí)顯示。

3.1 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

電纜分支箱內(nèi)的各個(gè)參數(shù)通過(guò)MCU+GSM的采集與發(fā)送功能，發(fā)送至站內(nèi)的主控制臺(tái)顯示。上位機(jī)的前面板為主頁(yè)面，主頁(yè)面的電纜終端在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為某城區(qū)部分地理位置線路的鋪設(shè)結(jié)構(gòu)，有15個(gè)節(jié)點(diǎn)(電纜分支箱)，包括節(jié)點(diǎn)的信息、歷史故障記錄、溫度曲線等信息，并輔以通信模塊的信號(hào)強(qiáng)度。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行及結(jié)果

站內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行后，對(duì)電纜分支箱內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)界面為節(jié)點(diǎn)00號(hào)分支箱內(nèi)A、B、C三相電纜接頭的溫度曲線、環(huán)境溫度曲線、三相帶電狀態(tài)及是否存在短路電流故障等狀態(tài)信息；過(guò)電流過(guò)電壓報(bào)警用狀態(tài)量“1”表示，沒(méi)有故障用狀態(tài)量“0”表示；實(shí)時(shí)曲線可觀測(cè)箱內(nèi)電纜接頭的溫度狀況，通過(guò)一段時(shí)間內(nèi)電纜接頭的溫度曲線，進(jìn)而更加了解接頭處溫度的變化情況，防止電纜接頭溫度過(guò)高而導(dǎo)致一系列故障。軟件中設(shè)置了溫度上線閥值，溫度超過(guò)此值，系統(tǒng)會(huì)立馬報(bào)警。

對(duì)于10 kV線路，當(dāng)電流值超過(guò)單項(xiàng)短路電流值或者線路掉電，就會(huì)產(chǎn)生狀態(tài)量信息，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警；當(dāng)系統(tǒng)超過(guò)6 h沒(méi)有收到實(shí)時(shí)信息，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。通過(guò)對(duì)歷史信息的記錄，分析系統(tǒng)線路信息，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)，防止故障的發(fā)生。

3.3 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，本在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)電纜分支箱內(nèi)的電壓、電流、溫度等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)GSM遠(yuǎn)距離傳入站內(nèi)PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)。當(dāng)電纜分支箱內(nèi)線路及分接頭運(yùn)行發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)可以及時(shí)報(bào)警。溫度數(shù)據(jù)采用WD01L39溫度傳感器的射頻傳輸方式，通過(guò)GSM遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)，滿足監(jiān)控的實(shí)時(shí)性和可靠性需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

電纜分支箱在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中分接頭的溫度用表帶式溫度傳感器將溫度數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線可靠傳輸、短路電流信息用短路電流傳感器通過(guò)光纖傳輸。各個(gè)測(cè)量部分均與超低功耗單片機(jī)MSP430進(jìn)行可靠的電氣隔離，克服了箱內(nèi)高電壓、大電流的強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)電磁輻射、高頻噪聲和諧波的干擾問(wèn)題。系統(tǒng)輔以GSM遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，克服了距離大、布線難的問(wèn)題，大大提高了電纜分支箱運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)效益。多個(gè)電纜分支箱覆蓋整個(gè)區(qū)域，構(gòu)成組網(wǎng)式電纜分支箱在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)具有保護(hù)、測(cè)量、控制、通信等功能，功能集成度高，滿足分支箱通信實(shí)時(shí)性和高速性的需求，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、可靠性和實(shí)時(shí)性，具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廣闊前景。

[1] 孫曉雅，李永倩，李天,等.基于光纖光柵的開(kāi)關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)通信， 2012， 33(5):6-10.

[2] 楊黎明，朱智恩，楊榮凱，等. 柔性直流電纜絕緣料及電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37(15)：117-124.

[3] 黃新波，王霄寬，方壽賢，等．智能變電站斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)IED設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36(22)：95-99.

[4] 梁海波，方博濤，鄧臻.壓裂施工遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2016，37(2):57-60．

[5] 邢曉敏，李波， 陳靜.電力高壓觸頭溫度無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010， 22(38):174-178.

[6] 黃煒宏，謝章洪，陳祥偉，等.基于Zigbee技術(shù)的成套式開(kāi)關(guān)設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].高壓電器，2013，49(2):125-130.

[7] 李小博，黃新波，陳紹英，等．基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能變電站設(shè)備溫度綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]．高壓電器，2011，47(8)：18-21．

[8] 沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[9] 季仲致，曹軍，姜濱．GPRS技術(shù)在木材干燥窯數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．自動(dòng)化儀表，2014，35(3):42-45．

[10]鄭爭(zhēng)兵，趙峰．基于GSM的遠(yuǎn)程心率監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012，32(7):2082-2084．

[11]張玉杰，邊旭曄，楊萍．基于GPRS技術(shù)的遠(yuǎn)程互相關(guān)流量測(cè)控系統(tǒng)[J]．自動(dòng)化儀表，2014，35(7):44-47．

[12]楊樂(lè)平.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2001：381-408.

[13]賀偉.基于分布式光纖的電纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)處理研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2011.

Design of the Online Monitoring System for a Networking Cable Branch Box

KANG Jian1, ZONG Bangkui1, ZHANG Daning1, LI Huailiang2, ZHANG Xuan3

(1.College of Automation，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China；2.School of Electrical Engineering，Suihua University，Suihua 152000，China；3.Zou Power Plants，Huadian Power International Corporation Limited ，Jining 273522，China)

In view of the higher failure rate of the taps inside cable branch box,an online monitoring system for the networking cable branch box is designed,to realize real-time monitoring of cable branch box.With the ultra-low power consumption single chip computer as the main control chip,the information acquisition terminal is design for collecting,operating and processing the environmental information and electrical parameters inside the cable branch box.By adopting GSM wireless transmission mode,the data are sent to the PC of master station for displaying and storing via LABVIEW,thus the temperature inside the taps,the temperature inside cable branch box,fault information of power lines and the charged status are monitored remotely in real time.The field operation indicates that the system is running stably; it provides valuable reference for remote online monitoring of other electrical equipment.

Temperature sensor; Online monitoring; Remote monitoring; Temperature acquisition; GSM; LabVIEW

康健(1991—)，男，在讀碩士研究生，主要從事復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)同步及其保密通信應(yīng)用領(lǐng)域方向的研究。E-mail:814549632@qq.com。 宗榜馗(通信作者)，男，在讀碩士研究生，主要從事智能在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的研制與開(kāi)發(fā)。E-mail:1650435060@qq.com。

TH7；TP277

A

10686/j.cnki.issn 1000-0380.201701023

修改稿收到日期:2016-05-05