高壓開關(guān)柜無線紅外在線測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉東明，李 軍，王軍波，王俊清，王瀟霏

（1.國網(wǎng)山東省電力公司煙臺供電公司，山東 煙臺 265000；2.國網(wǎng)山東省電力公司萊陽市供電公司，山東 萊陽 265200）

0 引言

高壓開關(guān)柜作為電力系統(tǒng)中極其重要的電力設(shè)備。在電力傳輸過程中，承載著控制電力線路、保護(hù)用電設(shè)備等重要功能。由于開關(guān)柜是封閉且緊湊的，無法有效散熱；加上開關(guān)柜處于高電壓、大電流、高磁場的環(huán)境中，必然存在發(fā)熱問題［1］。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜中過高的溫度，會出現(xiàn)斷電和火災(zāi)等問題，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由此可見，對高壓開關(guān)柜進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控是十分重要的。通過監(jiān)控溫度，提前對發(fā)熱設(shè)備進(jìn)行故障診斷，避免電力事故的發(fā)生。

目前，在高壓開關(guān)柜中溫度監(jiān)測方面，國內(nèi)外學(xué)者和有關(guān)企業(yè)開展了大量研究和工程實(shí)踐，溫度監(jiān)測方法有溫度傳感器電子式接觸測溫、光纖光柵測溫、聲表面測溫、紅外輻射測溫、紅外成像測溫等方法，主要對柜中高壓觸頭、出線口等重要載流連接部位進(jìn)行溫度監(jiān)測。文獻(xiàn)［2］采用了溫度傳感器電子式接觸測溫方法，容易受開關(guān)柜中強(qiáng)磁場影響，測量誤差較大。文獻(xiàn)［3］提出了光纖光柵測溫方法，其光纖光柵波長容易受溫度和應(yīng)力交叉影響，并且安裝成本大。文獻(xiàn)［4］提出的聲表面測溫雖然無線無源比較前沿，但設(shè)備成本較大，在現(xiàn)場應(yīng)用方面也具有一定的未知性。文獻(xiàn)［5］提出的紅外輻射測溫存在布線復(fù)雜、光路影響測量誤差等問題。

針對以上問題，設(shè)計(jì)了一套高壓開關(guān)柜無線紅外測溫系統(tǒng)。以高性能、低成本、低功耗的STM32F103RCT6 作為整個(gè)測溫系統(tǒng)的核心，同時(shí)采用MLX90640 新型溫度傳感器，其優(yōu)勢在于高集成度、低功耗、高精度、大視角等，通過RS485 轉(zhuǎn)無線數(shù)據(jù)傳遞方式，實(shí)現(xiàn)對多套高壓開關(guān)柜中溫度的實(shí)時(shí)采集，將數(shù)據(jù)無線上傳到監(jiān)控中心進(jìn)行匯總預(yù)判。紅外測溫方法圖像直觀、不接觸高壓觸頭、不受強(qiáng)電磁干擾，無線通信技術(shù)解決了布線困難的難題，整套系統(tǒng)低功耗、高性能、高集成度、安裝方便，具有極高的性價(jià)比，在工程應(yīng)用中前景廣泛。

1 系統(tǒng)組成

整個(gè)系統(tǒng)由主控芯片、溫度傳感器、數(shù)據(jù)通信模塊和電源模塊4 部分組成?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主控芯片通過I2C 總線讀取溫度傳感器采集到的溫度信息，再通過數(shù)據(jù)通信模塊利用RS485 總線轉(zhuǎn)無線將數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)控中心，電源模塊給整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的工作電壓。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的無線紅外在線測溫裝置作為下位機(jī)子系統(tǒng)分布在高壓開關(guān)柜等重要的電力設(shè)備裝置內(nèi)，通過QZ01-485 無線轉(zhuǎn)RS485 數(shù)據(jù)通信模塊，利用IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee 協(xié)議，采取一點(diǎn)對多點(diǎn)之間的設(shè)備間數(shù)據(jù)的透明傳輸方式，將電氣設(shè)備的實(shí)時(shí)溫度上傳至上位機(jī)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備溫度的分布式監(jiān)測與管理。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片

圖2 單片機(jī)外圍電路

溫度檢測模塊的主控芯片采用STM32F103RCT6，該芯片以32 位Cortex-M3 CPU 為內(nèi)核，時(shí)鐘主頻為72 MHz，閃存為256 KB，SRAM 為64 KB，其板載資源有連接到2 個(gè)APB 總線的各種增強(qiáng)型I／O 和包括ADC、定時(shí)器、I2C 以及DART 等外設(shè)，并且具有標(biāo)準(zhǔn)和高級通信接口，是一種具有低工作電壓、低功耗、溫度范圍廣、靈敏度高、時(shí)鐘主頻高、抗干擾性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的高性能嵌入式單片機(jī)。STM32F103RCT6工作溫度為-40～105°C，滿足高壓開關(guān)柜的環(huán)境要求。外圍電路如圖2 所示，單片機(jī)最小系統(tǒng)包括時(shí)鐘模塊、復(fù)位模塊、SWD 調(diào)試電路、電源模塊，選擇58和59 引腳連接溫度傳感器的SCL、SDA 引腳，選擇15、16 和17 引腳連接通信模塊的485-EN，485-TX與485-RX 引腳。

2.2 溫度傳感器模塊

本系統(tǒng)采用的MLX90640 是一種新型紅外傳感器，具有32×24 像素紅外陣列，工作溫度為-40～85 ℃，可測量的溫度為-40～300 ℃，采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的4 引腳TO39 封裝，帶有I2C兼容數(shù)字接口。因其小尺寸、低成本、高集成度、高精度、低功耗、視野廣等諸多優(yōu)點(diǎn)而被選用，溫度傳感器模塊設(shè)計(jì)電路如圖3所示，MLX90640 由3.3 V 電壓供電，MLX90640 的SCL、SDA 引腳各經(jīng)限流電阻和上拉電阻通過I2C 接口連接到主控芯片上。

圖3 溫度傳感器模塊設(shè)計(jì)電路

基于MLX90640 紅外測溫模塊的無線紅外在線測溫裝置，可以實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)柜中高壓觸頭等關(guān)鍵部位的紅外溫度成像。由于溫度成像為32×24 像素紅外陣列，通過主控芯片對溫度數(shù)據(jù)的處理，可以更加直觀高效地顯示實(shí)時(shí)成像溫度，并可以將溫度保存并繪制成曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，當(dāng)某節(jié)點(diǎn)溫度超過給定范圍，系統(tǒng)會實(shí)時(shí)檢測并發(fā)出高溫預(yù)警。

2.3 數(shù)據(jù)通信模塊

高速數(shù)據(jù)通信模塊是高壓開關(guān)柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)中各監(jiān)測點(diǎn)與監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)連接的關(guān)鍵部分，數(shù)據(jù)通信必須滿足實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性的要求。本系統(tǒng)使用的是MAX485ESA 型數(shù)據(jù)通信收發(fā)器，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RS485 收發(fā)器，內(nèi)含1 個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和1 個(gè)信號接收器，為半雙工通信。MAX485 具有三態(tài)輸出特性，在使用MAX485 時(shí)，總線最多可以同時(shí)連接32 個(gè)MAX485 芯片，通信波特率可以達(dá)到2.5 Mbps，具有低功耗、高精度、限制擺率等特點(diǎn)。其電路設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)通信模塊設(shè)計(jì)電路

MAX485ESA 芯片的RO 引腳經(jīng)限流電阻連接主控芯片的485-RX 引腳，RE 與DE 引腳連接主控芯片的485-EN 引腳，DI 引腳經(jīng)限流電阻連接主控芯片的485-TX 引腳，A 引腳經(jīng)大電阻接電源，B 腳經(jīng)大電阻接地，A、B 引腳之間接小電阻，且A、B 引腳分別經(jīng)雙向穩(wěn)壓二極管接地，防止過電壓進(jìn)而保護(hù)RS485 芯片。

2.4 電源模塊

電源的穩(wěn)定性和電壓精度是電源模塊的2 個(gè)重要指標(biāo)。本系統(tǒng)中供電電源為24 V，主控芯片、溫度傳感器、數(shù)據(jù)通信模塊的供電電源為3.3 V，故本系統(tǒng)采用的DC／DC 轉(zhuǎn)換芯片為WRB2403S-1WR2，具有寬輸入、I／O 隔離、短路保護(hù)、工作溫度范圍廣等特點(diǎn)，其電路連接如圖5 所示。

將24 V 電壓接入到WRB2403S-1WR2 芯片的VIN 引腳，在其VO 引腳處可得到3.3 V 電壓。此外在電源和大地之間加的電容起到了濾波的作用，得到的電壓滿足系統(tǒng)電壓精度和穩(wěn)定性要求。

圖5 電源模塊設(shè)計(jì)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測溫系統(tǒng)程序依托圖形化底層庫生成軟件STM32CubeMX，在此基礎(chǔ)上采用C 語言進(jìn)行系統(tǒng)軟件程序編寫。系統(tǒng)軟件流程如圖6 所示。

圖6 軟件流程圖

系統(tǒng)通電后主控芯片開始運(yùn)行，首先初始化設(shè)置單片機(jī)、硬件I2C 接口等，初始化完成后，系統(tǒng)進(jìn)入溫度數(shù)據(jù)采集處理、溫度信號數(shù)據(jù)傳送、是否上傳和休眠檢驗(yàn)。數(shù)據(jù)上傳檢驗(yàn)程序保證測溫系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性。加入定時(shí)休眠程序，保證了數(shù)據(jù)測量的實(shí)時(shí)性，同時(shí)降低了測溫系統(tǒng)的功耗，延長了測溫設(shè)備工作壽命。在各個(gè)高壓開關(guān)柜測溫節(jié)點(diǎn)通過無線周期性上傳溫度數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心對每個(gè)高壓開關(guān)柜測溫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行溫度匯總和記錄。

4 系統(tǒng)性能測試

根據(jù)高壓開關(guān)柜無線紅外在線測溫系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，對開發(fā)的裝置進(jìn)行測試。將在線監(jiān)測裝置分別布置在多個(gè)高壓開關(guān)柜中，將裝置的紅外無線傳感器平行放置在三相高壓觸頭中部位置，由于MLX90640 模塊采用110°×75°廣角視野，可根據(jù)需要監(jiān)測的高壓觸頭面積，計(jì)算出裝置與高壓觸頭的合適的垂直距離并進(jìn)行放置。

測溫性能測試中，主要考察測溫系統(tǒng)的測溫誤差和測溫時(shí)延2 個(gè)指標(biāo)。通過系統(tǒng)和紅外測溫儀分別測得12 組數(shù)據(jù)，如表1 所示。通過對比，測溫誤差平均為0.3 ℃，并且記錄平均測溫時(shí)延為5 s 左右，滿足高壓開關(guān)柜中對測溫誤差和測溫時(shí)延的要求。

表1 測溫模塊與紅外測溫儀測得溫度數(shù)據(jù)表 ℃

數(shù)據(jù)通信測試中，初步測試通過RS485 轉(zhuǎn)有線（RS485 轉(zhuǎn)TTL 或RS485 轉(zhuǎn)RS232）和RS485 轉(zhuǎn)無線（RS485 轉(zhuǎn)換無線通信模塊轉(zhuǎn)4G 通信模塊）進(jìn)行串口通信測試，由上位機(jī)向某一開關(guān)柜測點(diǎn)系統(tǒng)發(fā)送1 幀的查詢命令，回報(bào)9 幀的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)測驗(yàn)數(shù)據(jù)回傳可靠。進(jìn)一步測試，通過監(jiān)控中心的上位機(jī)對測溫設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)一周記錄監(jiān)測。測溫系統(tǒng)連續(xù)工作168 h，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。最后進(jìn)行通信聯(lián)網(wǎng)測試，每臺設(shè)備有一個(gè)固定的地址，經(jīng)測試通過上位機(jī)對每臺設(shè)備進(jìn)行查詢命令，均能獲得每臺設(shè)備數(shù)據(jù)的可靠回傳。通過實(shí)驗(yàn)室測試，滿足測溫系統(tǒng)對數(shù)據(jù)通信可靠性和穩(wěn)定性的要求。

5 結(jié)語

采用MLX90640 新型紅外成像傳感器測量高壓開關(guān)柜溫度，以STM32F103RCT6 做主控芯片，通過RS485 通信轉(zhuǎn)無線將數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)控中心，設(shè)計(jì)一套高壓開關(guān)柜無線紅外在線測溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)體積小、集成度高、精度高、功耗小、成像直觀、耐高溫、防強(qiáng)磁干擾、工作穩(wěn)定，適用于高壓開關(guān)柜中的溫度測量。