基于溫度傳感器技術(shù)的電纜接口溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)

劉泊辰，張衛(wèi)東，劉 凱，王 毅，劉 廣

（國網(wǎng)淄博供電公司，山東 淄博 255000）

0 引 言

隨著我國電力技術(shù)的不斷發(fā)展，電纜在電力系統(tǒng)中的應用越來越重要。電纜中間接頭是電纜重要的連接部位，尤其在環(huán)網(wǎng)柜工作運行中，一定要把握接口的溫度，避免因為電阻過大產(chǎn)生缺陷。例如：電能負荷過高導致電纜接頭溫度過高，從而加劇電纜絕緣老化，縮短使用壽命，造成電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定。電纜接頭溫度傳感器技術(shù)有效提升了對電纜在線接口溫度的監(jiān)測，具有重要的應用價值。

1 環(huán)網(wǎng)柜電纜的結(jié)構(gòu)與分類

電力電纜按材質(zhì)劃分有油浸紙絕緣電纜、塑料絕緣電纜和橡皮絕緣電纜，通常由纖芯、保護層、屏蔽層和絕緣層構(gòu)成。每種電纜的特性不同，有不同的耐受點、溫度控制能力以及阻燃性等特征，針對使用場景的不同材料也具有差異。環(huán)網(wǎng)柜電纜的分類有多種，目前分類中最常見的是按照電壓等級和絕緣材料分類。依照電壓等級進行分類，可分為[1]：低壓其電壓小于1 kV，通常為0.6/1 kV或1/1 kV；中壓和高壓的電壓在6～35 kV，一般分為3.6/6 kV、8.7/15 kV、26/35 kV等；高壓環(huán)網(wǎng)柜的電纜電壓介于63～220 kV，通常為36/63 kV、64/110 kV或127/220 kV等。研究得知，電力電纜的絕緣質(zhì)量會直接影響環(huán)網(wǎng)柜電纜的傳輸性能。

2 電纜接口溫度監(jiān)控技術(shù)原理

電纜接口導電線芯可以分為銅芯電纜頭和鋁芯電纜頭。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同可以分為T型電纜接頭和肘型電纜接頭。電纜頭普遍存在密封性強特點，在實際工作中難以測控導線線芯的溫度。所以，對于電纜頭的溫度控制，要通過測量電纜接頭表面溫度反映線芯溫度，設計如何進行傳熱，從而建立起電纜接頭表面溫度和線芯溫度的關(guān)系。

電纜接口溫度監(jiān)控系統(tǒng)采用傳熱基本理論進行。傳熱學是物體和物體之間、物體內(nèi)部之間進行傳遞熱量的科學。溫度只要有高低差異，必然會從溫度高的地方向溫度低的地方流轉(zhuǎn)。熱機理不同，分為導熱、對流以及熱輻射3種方式[1]。導熱是由微觀粒子進行無序運動建立的物理過程，從溫度高的地方流向溫度低的地方，通過導熱系數(shù)、物理參數(shù)實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，與材料種類和溫度有關(guān)。對流是一種物體間宏觀相對運動進行的熱量傳遞，對流發(fā)生流體中進行導熱，而對流換熱系數(shù)作為重要的參數(shù)，可以反映對流強弱的物理量，它取決于流體的熱物性、流體流速、流態(tài)以及幾何大小和溫差。輻射能是物體在運動發(fā)展變化中不同的電磁波釋放以及物體間互相發(fā)射電磁波的情況。

3 電纜接口溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計

溫度傳感器作為電纜接頭溫度在線監(jiān)控的重要終端硬件，主要負責對監(jiān)控區(qū)域的各個電纜接頭的溫度采集和監(jiān)測，并將信息傳遞給協(xié)調(diào)器節(jié)點。一般從硬件和軟件兩個方面降低功耗，選擇硬件集成化程度高、功能全面成熟的芯片。軟件選擇主控制模塊軟件和GPRS模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

3.1 終端節(jié)點的硬件設計

3.1.1 終端節(jié)點的結(jié)構(gòu)設計

終端節(jié)點由ZigBee節(jié)點和溫度采集模塊組成。ZigBee節(jié)點一般分為處理器、采集部分、電源部分以及調(diào)試和復位電路等，最重要的部分是處理部分和無線通信部分。外圍電路有電源管理、編程調(diào)試復位電路等。

3.1.2 系統(tǒng)硬件設計

該系統(tǒng)硬件采用溫度傳感器、GPRS定位模塊、微處理電路設備、ZigBee通信模塊和支撐電源模塊組成[2]，其中溫度傳感器采用數(shù)字溫度傳感器，利用單總線的傳輸原理，可以和微處理器進行一根線連接，并且能夠支持多個網(wǎng)點布控，實現(xiàn)多點溫度測溫。使用時與外圍電源以及器件達到配合效果，將測控溫度參數(shù)通過通信節(jié)點及時傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)端。ZigBee模塊采用獨立芯片，實現(xiàn)微處理串口通信連接，發(fā)送AT指令實現(xiàn)與GPRS模塊的傳輸，通過基于TCP/IP協(xié)議的GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的信號傳輸。

3.2 系統(tǒng)軟件設計

主控模塊作為軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，程序初始化后，中斷各個串口的數(shù)據(jù)，執(zhí)行子程序，實現(xiàn)和ZigBee協(xié)調(diào)器、GPRS模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸，如圖1所示。

圖1 處理器軟件流程圖

GPRS模塊要通過指令完成協(xié)議，格式為AT+指令文字方式，回車鍵操作，中間添加實際內(nèi)容，主要包括操作設置、測試、狀態(tài)查詢以及命令執(zhí)行等。當GPRS模塊收到相應AT指令后，實現(xiàn)電纜接頭實時溫度控制，并且發(fā)送數(shù)據(jù)到終端電腦上分析。具體流程：建立一個TCP/IP功能初始化，建立一條TCP/IP鏈接打開現(xiàn)場數(shù)據(jù)和服務器傳輸入口，設置數(shù)據(jù)模式并進行發(fā)送，實現(xiàn)電纜接頭溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測發(fā)送工作，發(fā)送完成后關(guān)閉鏈接。

3.3 ZigBee無線網(wǎng)絡軟件設計

該網(wǎng)絡是建立在溫度采集終端和協(xié)調(diào)端之間的程序。ZigBee無線網(wǎng)絡編程在開發(fā)憑條及IAR進行，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)程序通過ANSI標準編輯器、ISO/ANSI C和嵌入式C++庫進行編程，大大提升了效率，提升了多種代碼的優(yōu)化方式[3]。一般對系統(tǒng)格式化，執(zhí)行操作系統(tǒng)，跳到用戶時間，實現(xiàn)終端設備和協(xié)調(diào)設備的連接。

3.3.1 讀溫度傳感器數(shù)據(jù)

程序啟動后初始化傳感器，進行數(shù)據(jù)循環(huán)收集工作，使用溫度傳感器采集溫度，數(shù)字信號無需轉(zhuǎn)換。對多點測控溫度，建立傳感器64位序列號和測控為支點，通過芯片進行工序控制和讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲在CC2530芯片內(nèi)存，再通過ROM進行數(shù)據(jù)編號，匹配ROM給出一個地址編碼，只有編碼和溫度傳感器一致才能響應，從而為下一步傳感器讀寫作準備。

3.3.2 終端節(jié)點的程序設計

通過加入網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳遞到協(xié)調(diào)器，終端節(jié)點和ZigBee模塊初始化操作，協(xié)調(diào)發(fā)送信號給網(wǎng)絡。該設計要與接收的超幀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)設備同步，終端節(jié)點一一配對。匹配成功后，實現(xiàn)終端節(jié)點與協(xié)調(diào)端建立起無線網(wǎng)絡傳輸溫度數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

電纜接口的穩(wěn)定性對電力正常運轉(zhuǎn)具有重要作用，可提升產(chǎn)品質(zhì)量和現(xiàn)場工藝水平。溫度是反映電纜運行的重要參數(shù)，因此對環(huán)網(wǎng)柜電纜接頭進行監(jiān)測，可有效防止電纜接頭老化，消除安全隱患，增強電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，實現(xiàn)電力企業(yè)的健康發(fā)展。