快插式無(wú)線測(cè)溫裝置在電氣設(shè)備溫升試驗(yàn)中的應(yīng)用

王廣濤，王 楠，鞏文東，張 勇

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.山東職業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

變壓器、高低壓開(kāi)關(guān)柜等電氣設(shè)備在進(jìn)行溫升試驗(yàn)時(shí)要監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度和試品上不同部位的溫度，并將其作為溫升試驗(yàn)是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)及是否存在局部過(guò)熱點(diǎn)的判據(jù)［1］。GB 1094.2—2013《電力變壓器第2 部分：液浸式變壓器的溫升》等標(biāo)準(zhǔn)中有每隔一定時(shí)間記錄讀數(shù)或采用自動(dòng)連續(xù)記錄儀器進(jìn)行溫度測(cè)量的要求，部分標(biāo)準(zhǔn)中明確指出溫度測(cè)量的時(shí)間間隔，如5 min、10 min［2］。

大部分電氣設(shè)備試驗(yàn)時(shí)要求的測(cè)量點(diǎn)比較多，少至數(shù)十個(gè)，多至一百多個(gè)，在較小時(shí)間間隔內(nèi)采用人工記錄的方式難以滿足快速準(zhǔn)確測(cè)量的要求。常規(guī)的自動(dòng)連續(xù)記錄儀需要外接電源（如220 V），在布置溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)測(cè)溫點(diǎn)）時(shí)容易受到電源距離制約，大多數(shù)情況下需外帶電源盤(pán)［3］；測(cè)量信號(hào)至計(jì)算機(jī)控制裝置或者其他二次儀表上需要數(shù)據(jù)通信線，布置測(cè)溫點(diǎn)時(shí)需考慮通信線長(zhǎng)度是否合適；如果測(cè)試線或補(bǔ)償導(dǎo)線比較長(zhǎng)（如3 m 以上），在收放線時(shí)極易交叉錯(cuò)亂且易損壞。因此采用無(wú)線測(cè)溫的方式是必然的趨勢(shì)。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)無(wú)線測(cè)溫的研究主要是基于不同的通信方法，提高通信的可靠性，但是在獨(dú)立電源和多種傳感器探頭的支持上還有所欠缺。文獻(xiàn)［4］采用ZIGBEE 通信方式進(jìn)行了無(wú)線測(cè)溫試驗(yàn)，證實(shí)了無(wú)線通信可以可靠快速采集現(xiàn)場(chǎng)的溫度數(shù)據(jù)；文獻(xiàn)［5］對(duì)低功耗式的無(wú)線測(cè)溫裝置進(jìn)行了一定的研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了不同無(wú)線通信芯片的功耗差異。目前同時(shí)支持多種溫度傳感器探頭的無(wú)線測(cè)溫裝置幾乎沒(méi)有，因此，設(shè)計(jì)一種兼容多種類(lèi)型的溫度傳感器探頭的快插式多終端獨(dú)立電源型無(wú)線測(cè)溫裝置是有必要的。

1 硬件設(shè)計(jì)方案

整套無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)由溫度傳感器探頭、無(wú)線測(cè)溫裝置，無(wú)線采集裝置構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。溫度傳感器探頭包括K 型熱電偶、二線制熱電阻、四線制熱電阻等多種類(lèi)型；無(wú)線測(cè)溫裝置最多可支持4 路不同類(lèi)型的溫度傳感器探頭；無(wú)線采集裝置可以同時(shí)采集最多100 個(gè)無(wú)線測(cè)溫裝置的數(shù)據(jù)。

圖1 無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)

1.1 測(cè)溫模塊

測(cè)溫模塊采用低功耗的STM32L041 單片機(jī)，STM32L041 提供WLCSP32 小封裝，具有高達(dá)64 kB閃存、高達(dá)8 kB RAM 及高達(dá)2 kB 嵌入式EEPROM，此系列還具有帶DMA 功能的外設(shè)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、低功耗時(shí)鐘、硬件加密模塊以及100 kB／s 采樣時(shí)僅需48 μA 的超低功耗12 位ADC。

由于極低的運(yùn)行功耗，非常適合需要長(zhǎng)時(shí)間高頻率測(cè)量的無(wú)線測(cè)溫裝置，可以大大減輕鋰電池的負(fù)擔(dān)，使待機(jī)時(shí)間有效延長(zhǎng)。

STM32L041 單片機(jī)的運(yùn)行模式有以下幾種，如表1 所示。

表1 STM32L041 運(yùn)行模式及功耗

在軟件設(shè)計(jì)中，根據(jù)用戶對(duì)溫度測(cè)量時(shí)間間隔的需求情況，通過(guò)在低功耗運(yùn)行和旁路模式之間進(jìn)行切換，降低系統(tǒng)功耗，延長(zhǎng)電池的待機(jī)時(shí)間。溫度采樣觸發(fā)時(shí)進(jìn)入低功耗運(yùn)行模式，此時(shí)無(wú)線測(cè)溫裝置完成對(duì)溫度的一次采樣并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后，通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送出去，完成采樣后，為降低功耗，將轉(zhuǎn)入旁路模式，待下一個(gè)采樣周期開(kāi)始時(shí)再次轉(zhuǎn)入低功耗運(yùn)行模式。

1.2 無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊采用ZM433SX-M，模塊采用的LoRa 調(diào)制技術(shù)設(shè)計(jì)，抑制同頻干擾的性能較強(qiáng)。另外，模塊集成了+20 dBm 的可調(diào)功率放大器，并可獲得超過(guò)-148 dBm 的接收靈敏度。ZM430SX 系列模塊采用SPI 接口作為從機(jī)與用戶MCU 連接，天線從模塊管腳引出，支持多種休眠和待機(jī)模式，讓能耗和性能得到更加細(xì)化平衡。模塊可以通過(guò)調(diào)整擴(kuò)頻因子（數(shù)值為6～12）、調(diào)制帶寬及糾錯(cuò)率等變量，在通信速率及傳輸距離和抗干擾特性之間取得更好的平衡；在發(fā)射功率一定時(shí)，通常擴(kuò)頻因子被設(shè)置得越大，模塊可獲得的接收靈敏度就越高，通信距離將越遠(yuǎn)，但會(huì)同時(shí)導(dǎo)致通信速率降低。

在無(wú)線測(cè)溫裝置中，測(cè)溫模塊將測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)傳送到無(wú)線通信模塊，采用433 MHz 的頻段將數(shù)據(jù)發(fā)送給無(wú)線采集模塊。

1.3 獨(dú)立供電模塊

獨(dú)立供電模塊采用的是容量為2 400 mAh，輸出電壓為5 V 的可充電鋰電池，考慮到測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境一般較為惡劣（如粉塵易集聚等場(chǎng)合），因此外殼封裝時(shí)不預(yù)留充電接口。按照以溫度采樣頻率2 Hz，24 h 不間斷工作，無(wú)線通信模塊每隔2 min 響應(yīng)并將溫度數(shù)據(jù)傳到無(wú)線采集裝置的工況，獨(dú)立供電模塊可以連續(xù)待機(jī)150 天以上（若無(wú)線通信模塊每隔5 min響應(yīng)，獨(dú)立供電模塊待機(jī)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)1 年以上）。當(dāng)獨(dú)立供電模塊電量不能滿足正常運(yùn)行時(shí)模塊會(huì)發(fā)出蜂鳴聲，提示試驗(yàn)人員電量不足，此時(shí)可以將外殼拆開(kāi)，電池取出，采用專(zhuān)用的充電器進(jìn)行充電。

1.4 無(wú)線采集裝置

無(wú)線采集裝置按照采樣周期查詢(xún)無(wú)線測(cè)溫裝置的溫度數(shù)據(jù)，查詢(xún)到的溫度數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)顯示，也可以推送至上位機(jī)的溫度分析軟件參與數(shù)據(jù)運(yùn)算。

2 軟件處理流程

無(wú)線測(cè)溫裝置中的測(cè)溫模塊對(duì)溫度傳感器進(jìn)行采樣，采樣頻率為2 Hz，同時(shí)根據(jù)設(shè)定的溫度傳感器探頭類(lèi)型，對(duì)采得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使用中值濾波算法提高測(cè)溫精度，無(wú)線溫度采集裝置每隔2 min 發(fā)起通信，無(wú)線測(cè)溫裝置中的無(wú)線通信模塊在接收到無(wú)線溫度采集發(fā)來(lái)的指令后，進(jìn)行響應(yīng)并將溫度數(shù)據(jù)返回給無(wú)線溫度采集裝置。無(wú)線測(cè)溫裝置的軟件處理流程如圖2 所示。

圖2 軟件處理流程

3 溫度數(shù)據(jù)比對(duì)

無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)與恒溫箱進(jìn)行溫度比對(duì)實(shí)驗(yàn)。比對(duì)過(guò)程為：將四線制的Pt100 熱電阻探頭及K 型熱電偶探頭，放入恒溫箱中；為便于比對(duì)將恒溫箱溫度設(shè)定為10 ℃的整數(shù)倍，每種溫度設(shè)定值恒溫時(shí)間10 min；將恒溫箱升溫至設(shè)定值后，無(wú)線采集裝置讀取溫度數(shù)據(jù)，與恒溫箱設(shè)定的溫度進(jìn)行對(duì)比，無(wú)線采集裝置每隔2 min 讀取一次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 溫度對(duì)比試驗(yàn) ℃

從表2 中可以看出，四線制Pt100 熱電阻的測(cè)溫精度高于K 型熱電偶，Pt100 熱電阻的測(cè)溫精度在±0.5 ℃以?xún)?nèi)，K 型熱電偶的測(cè)溫精度為±1 ℃。

4 結(jié)語(yǔ)

獨(dú)立供電模塊的應(yīng)用使系統(tǒng)無(wú)須引接外部電源，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可移動(dòng)性，溫度傳感器以快插方式接入，有效避免了布線過(guò)程中多回路的相互交叉，兩者結(jié)合使無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)更加微型化，測(cè)溫點(diǎn)的布置更加靈活，在元器件緊密布置的高低壓開(kāi)關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)和溫升試驗(yàn)中的使用意義更加明顯。

設(shè)計(jì)的快插式多終端獨(dú)立電源型無(wú)線測(cè)溫裝置大大提高了傳感器探頭的適配性和兼容性，熱電偶測(cè)溫范圍寬、熱電阻測(cè)溫精度高的優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮，同時(shí)兼容二線制、四線制多種規(guī)格的熱電阻，可以更加有效地利用傳感器探頭資源完成變壓器、開(kāi)關(guān)設(shè)備的溫度測(cè)量。

經(jīng)恒溫箱比對(duì)，四線制熱電阻在10～90 ℃的測(cè)溫區(qū)間內(nèi)精度可以達(dá)到±0.5 ℃，K 型熱電偶的測(cè)溫精度在±1 ℃以?xún)?nèi)，能夠滿足變壓器、開(kāi)關(guān)設(shè)備等電氣設(shè)備溫升試驗(yàn)的要求。