變電站設(shè)備無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王樹鵬

[摘要]在無線通信技術(shù)當(dāng)中，無線傳感器是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的一種重要技術(shù)，也是無線通信技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。在變電站當(dāng)中，由于設(shè)備數(shù)量與種類都比較多，所以對(duì)無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行有效的利用，可以對(duì)變電站當(dāng)中的設(shè)備溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，通過這樣的方式使得人們對(duì)于變電站設(shè)備的實(shí)際使用情況以及使用壽命方面有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)變電站設(shè)備的智能控制?；诖?，文章就變電站設(shè)備無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行簡要的分析，希望可以提供一個(gè)借鑒。

[關(guān)鍵詞]變電站設(shè)備；無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

[DOI]1013939/jcnkizgsc201736054

1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

11系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，要遵循一定的設(shè)計(jì)要求，依據(jù)變電站的實(shí)際情況來進(jìn)行。在變電站運(yùn)行過程中，其運(yùn)行環(huán)境特殊、內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，因此要求系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足以下幾個(gè)方面的要求：首先，在變電站自身的結(jié)構(gòu)方面其比較簡單，所以要使得每一個(gè)節(jié)點(diǎn)所占用的物理空間要盡量保證最小，在進(jìn)行操作與維護(hù)的過程中要更加方便；其次，為了保證系統(tǒng)能夠在各種各樣的條件下都可以保持正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，就需要使得裝置在可靠性方面比較高、裝置價(jià)格適宜并且具有較強(qiáng)的通用性；再次，為了能夠與實(shí)際的變電站情況相互適應(yīng)，就應(yīng)當(dāng)對(duì)系統(tǒng)的抗干擾性能進(jìn)行有效的保證，只有這樣才能夠使得設(shè)備的安全運(yùn)行得以有效的保證；最后，在上位機(jī)當(dāng)中，其應(yīng)當(dāng)具有超限報(bào)警、溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控以及歷史數(shù)據(jù)查詢等重要功能。

12系統(tǒng)的總體架構(gòu)及功能

在實(shí)際應(yīng)用的基本需求上，文章通過該系統(tǒng)進(jìn)行簡單的分層，主要包括管理分析層、數(shù)據(jù)采集層以及系統(tǒng)通信層等，其整體框架如下圖所示。

系統(tǒng)總體架構(gòu)

在數(shù)據(jù)采集層當(dāng)中，其主要的構(gòu)成內(nèi)容包括刀閘觸頭、母線接頭等一些設(shè)備上的溫度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)以及中心節(jié)點(diǎn)，在這一層當(dāng)中，其主要的功能是對(duì)每一個(gè)測溫點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行一定的收集與整理。在系統(tǒng)的通信層當(dāng)中，其所發(fā)揮的主要作用是促進(jìn)上位機(jī)與中心節(jié)點(diǎn)之間可以實(shí)現(xiàn)信息的有效的交流，然而在各個(gè)中心節(jié)點(diǎn)之間，無法實(shí)現(xiàn)相互之間的交流工作。在管理分析層當(dāng)中，其主要的適應(yīng)是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

21芯片的選擇

（1）MSP430

F149MSP430系列單片機(jī)是一中比較特殊的單片機(jī)，這種單片機(jī)當(dāng)中超低功耗是其最為顯著的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，這一單片機(jī)具有較強(qiáng)的集成能力，并且外圍電路也特別豐富。

（2）nRF905

在經(jīng)過與其他的芯片進(jìn)行比較之后可以看出，在 nRF905中，其主要的特點(diǎn)是可以有效地實(shí)現(xiàn)短距離通信的單片射頻收發(fā)器。這種芯片的原材料是一種低耗能材料，在運(yùn)行的過程中還能夠依據(jù)實(shí)際的情況對(duì)內(nèi)部通道進(jìn)行調(diào)整，從而使其具有更多的輸出功能來進(jìn)行選擇。

22溫度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

221數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件總體設(shè)計(jì)

在進(jìn)行溫度傳感器選擇的過程中需要根據(jù)實(shí)際的使用條件來進(jìn)行，實(shí)際的需求需要從以下方面來進(jìn)行：測溫的精度、尺寸和外形、A/D數(shù)據(jù)處理等。

222數(shù)據(jù)采集單元

在當(dāng)前的主流測溫器件當(dāng)中，熱電偶是重要的一種，其特點(diǎn)是精度高、費(fèi)用低，所以選擇MAX6675來作為主芯片采溫。

223微處理單元

在本節(jié)點(diǎn)功能的實(shí)現(xiàn)過程中，微處理器單元是重要的中樞環(huán)節(jié)，一方面，微處理單元能夠?qū)λ杉降年P(guān)鍵點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)做好有效的處理與分析，并且使用無線形式對(duì)信息進(jìn)行有效的傳輸；另一方面，可以將有關(guān)指令向數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行發(fā)送。

224無線通信單元

在這一單元當(dāng)中，主要包含的方面有：與天線匹配電路、外圍電路和MSP430F149的接口電路。

225電源單元

如果在變電站的內(nèi)部進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的安裝的話，在實(shí)際應(yīng)用之后要進(jìn)行查看的話就會(huì)有諸多不便，在對(duì)電源進(jìn)行裝設(shè)的時(shí)候應(yīng)當(dāng)對(duì)其壽命問題進(jìn)行認(rèn)真的考慮。所以，在這一節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，使用的是37V鋰電池，其容量為4200mAh。

23中心節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)當(dāng)中，中心節(jié)點(diǎn)所發(fā)揮的作用主要是承上啟下，在這一節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，對(duì)于硬件電路來說應(yīng)當(dāng)具備以下幾個(gè)方面的功能：第一，應(yīng)當(dāng)保證和溫度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)之間可以實(shí)現(xiàn)無線通信；第二，利用串口的方式來使得可以和監(jiān)測計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)相互通信；第三，利用存儲(chǔ)單元來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份與儲(chǔ)存。

3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

31自組織自管理過程分析

在實(shí)際的設(shè)計(jì)實(shí)踐當(dāng)中，對(duì)于中心節(jié)點(diǎn)來說應(yīng)當(dāng)要和多個(gè)下屬節(jié)點(diǎn)之間形成一個(gè)無線通信網(wǎng)絡(luò)，在中心節(jié)點(diǎn)當(dāng)中能夠通過網(wǎng)絡(luò)將指令發(fā)送到各個(gè)下屬節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，在節(jié)點(diǎn)上應(yīng)當(dāng)表示出電已經(jīng)進(jìn)入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。

在保證上電以后，在中心節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，需要向網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中進(jìn)行持續(xù)不斷的聯(lián)網(wǎng)信號(hào)的發(fā)送，次數(shù)為3次，在下屬節(jié)點(diǎn)開始工作之后，分析網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中來自中心節(jié)點(diǎn)所發(fā)出的聯(lián)網(wǎng)信號(hào)，保證在聯(lián)網(wǎng)成功之后，能夠在最短的時(shí)間之內(nèi)將其傳到中心節(jié)點(diǎn)上面。

32動(dòng)態(tài)時(shí)隙的分配

在當(dāng)前階段當(dāng)中，對(duì)于溫度數(shù)據(jù)的采集，在其節(jié)點(diǎn)上，設(shè)備在進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)傳遞的過程中，TDMA是一個(gè)非常重要的路徑，但是在具體的TDMA中，其也會(huì)有缺陷之處存在，TDMA在具體的執(zhí)行過程中需要以S-ID大小為重要參考來對(duì)時(shí)隙優(yōu)先級(jí)進(jìn)行分配，但是使用這種分配機(jī)制的話其過程比較死板，如果發(fā)生緊急情況的話，不能夠優(yōu)先將指令發(fā)送到節(jié)點(diǎn)上，所以需要進(jìn)一步改進(jìn)。

4基于無線通信的變電站設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

41電源管理

首先，電池的選擇。在每一個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)上，電池都是其主要的電能來源，因此在選擇的過程中應(yīng)當(dāng)盡量選擇壽命長、能量高的。其次，對(duì)硬件進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)。在進(jìn)行低功耗的設(shè)計(jì)過程中，所選擇的處理器芯片的特點(diǎn)應(yīng)當(dāng)是電壓較低并且功耗也比較低。此外，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的過程中，還需要保證其低功耗的設(shè)計(jì)，通過對(duì)相關(guān)資源加以合理、有效的開發(fā)，從而使得系統(tǒng)的能耗降到最低。

42抗干擾技術(shù)

在對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)以及中心節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的過程中，干擾問題是其中一個(gè)非常重要的問題，根據(jù)實(shí)際的干擾產(chǎn)生的性質(zhì)，將其分成內(nèi)部干擾與外部干擾兩種。其中，內(nèi)部干擾就是指在系統(tǒng)內(nèi)部當(dāng)中電子電路所形成的干擾問題，而外部干擾就是一些外在影響因素對(duì)于系統(tǒng)所造成的感染。針對(duì)這些問題，在實(shí)際的應(yīng)用過程中，要想使得溫度數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性與可靠性得到最大限度的保證，就應(yīng)當(dāng)及時(shí)對(duì)干擾問題進(jìn)行排除，從而保證設(shè)備的良好運(yùn)行。

43通信協(xié)議

對(duì)于變電站設(shè)備來說，在進(jìn)行溫度監(jiān)測的過程中，系統(tǒng)所使用的通信協(xié)議包括CSMA和TDMA。在CSMA通信當(dāng)中，其屬于爭用型介質(zhì)訪問控制協(xié)議，主要的依托是ALOHA網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

總的來說，在變電站當(dāng)中無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)的主要作用是對(duì)設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下的實(shí)施溫度狀態(tài)進(jìn)行記錄，降低安全事故發(fā)生的概率，從而為電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行奠定一個(gè)重要的基礎(chǔ)。在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)當(dāng)中，其抗干擾性強(qiáng)、可靠性高、移動(dòng)性強(qiáng)、功耗小，所以可以在工業(yè)當(dāng)中進(jìn)行廣泛的應(yīng)用。

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