基于NB?IoT技術(shù)的高壓開關(guān)溫度監(jiān)測系統(tǒng)

梁志勛 施運應 趙家祺 林芳

摘? 要： 針對電網(wǎng)中高壓開關(guān)發(fā)熱監(jiān)測不及時、測量難度大的問題， 提出一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（NB?IoT）和輸電線路感應取電技術(shù)，設(shè)計一種高壓開關(guān)溫度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過輸電線路感應取電方式為溫度采集系統(tǒng)提供電源，采用低功耗微控制器STM32L151結(jié)合NB?IoT、云存儲技術(shù)和LabVIEW虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)對高壓開關(guān)工作溫度的遠程實時監(jiān)測及其數(shù)據(jù)處理。實驗測試結(jié)果表明，當有20 A電流流過輸電線時，感應取電輸出功率為0.257 W，而系統(tǒng)平均消耗功率為0.174 W，能滿足長期穩(wěn)定工作要求。系統(tǒng)溫度監(jiān)測誤差平均值為0.32 ℃，溫度數(shù)據(jù)能夠在10 s內(nèi)完成一次刷新，滿足監(jiān)測實時性要求。

關(guān)鍵詞： 高壓開關(guān); 溫度監(jiān)測; NB?IoT; 感應取電; 在線監(jiān)測; 系統(tǒng)測試

Abstract： As the high?voltage switch heat monitoring in the power grid is not timely and difficult， a high?voltage switch heat monitoring system based on narrow?band Internet of Things （NB?IoT） technology and power induction on power transmission line is designed. The system can provide power supply for the temperature acquisition system by means of the power induction on power transmission line. The low?power microcontroller STM32L151 combines with NB?IoT， cloud storage technology and LabVIEW virtual instrument technology to realize the remote real?time monitoring of the working temperature of the high?voltage switch and its data processing. The experimental testing results show that when a current of 20 A flows through the transmission line， the output power of the power induction is 0.257 W， and the average power consumption of the system is 0.174 W， which can meet the long?term stable working requirements. The average temperature error of the system temperature monitoring is 0.32 °C， and the temperature data can be refreshed within 10 seconds， which meets the real?time requirements of monitoring.

Keywords： high voltage switch; temperature monitoring; NB?IoT; power induction; on?line monitoring; system testing

0? 引? 言

高壓開關(guān)是高壓配電網(wǎng)中的重要設(shè)備，是保證電力供應系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行的重要部分，正常穩(wěn)定運行的前提是及時發(fā)現(xiàn)并且排除故障，然而高壓開關(guān)運行具有電壓高、電流大、運行環(huán)境惡劣等特點，開關(guān)觸頭在接觸不良時開關(guān)溫度過高造成供電系統(tǒng)故障的情況時有發(fā)生[1]。因此，及時發(fā)現(xiàn)高壓開關(guān)發(fā)熱的缺陷極為重要[2?3]。目前多數(shù)變電站對高壓開關(guān)的溫度監(jiān)測主要有感溫蠟測溫、紅外測溫和光纖測溫等方法。感溫蠟是一種可隨溫度變化而改變顏色的材料，通過觀察它的顏色變化來大致確定溫度范圍，這種方法測量準確度低，可讀性差，無法實現(xiàn)實時測量。紅外測溫需依靠人力采用紅外測溫儀監(jiān)測，部分發(fā)達地區(qū)也采用機器人定期巡視測溫，這種方法在0～200 ℃溫度之間的測量誤差小，準確度高，但是也不能做到對高壓開關(guān)的實時監(jiān)測[4]。光纖測溫主要有光纖光柵溫度傳感器和光纖傳輸溫度信號兩種方式，具有耐高壓、抗腐蝕、抗干擾等優(yōu)點，但測量設(shè)備與高壓開關(guān)需要通過光纖連接，安全性較低[5?6]?；谝陨锨闆r，文獻[7?8]設(shè)計了一種基于ZigBee無線傳感網(wǎng)技術(shù)的高壓開關(guān)溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)，其測量精度高，實時性好，但是ZigBee屬于自組網(wǎng)系統(tǒng)，傳輸距離有限。文獻[9?12]結(jié)合聲表面波傳感技術(shù)設(shè)計了一類高壓開關(guān)柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)，這類系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，監(jiān)測端不需要增加額外的電源，方便安裝，但是仍需要就近安裝一系列自組網(wǎng)收集節(jié)點，當收集數(shù)據(jù)節(jié)點安裝不恰當時，會導致數(shù)據(jù)丟失或誤傳。物聯(lián)網(wǎng)及5G時代的到來使得各行各業(yè)迅速發(fā)展，在國家智能電網(wǎng)的建設(shè)中也得到了實質(zhì)性的發(fā)展。

本文提出基于NB?IoT技術(shù)的高壓開關(guān)溫度監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用間接供電方式，通過輸電線路感應取電為溫度采集系統(tǒng)供電，儲能鋰電池使溫度監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定工作。系統(tǒng)采用低功耗嵌入式芯片STM32L151作為溫度采集系統(tǒng)的主控芯片，結(jié)合DS18B20溫度傳感器實現(xiàn)對高壓開關(guān)的溫度監(jiān)測，通過NB?IoT通信模塊采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)將溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過蜂窩網(wǎng)絡(luò)上傳至云服務器和后臺數(shù)據(jù)處理平臺，最后在LabVIEW監(jiān)測平臺實現(xiàn)對高壓開關(guān)工作溫度的遠程實時監(jiān)測。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于NB?IoT技術(shù)的高壓開關(guān)溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要包括溫度數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理三部分。由溫度數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸終端模塊、NB?IoT云平臺和遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺等功能部分構(gòu)成，根據(jù)其實現(xiàn)的功能作用可以概括為感知層、傳輸層和應用層。溫度監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)如圖1所示，采集終端采用NB?IoT通信技術(shù)通過移動蜂窩基站將采集到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至NB?IoT云平臺，用戶應用平臺可以在遠程獲取溫度數(shù)據(jù)進行下一步處理。

2? 感知層硬件設(shè)計

高壓開關(guān)溫度監(jiān)測系統(tǒng)的感知層由感應取電模塊、儲能電池模塊和測溫系統(tǒng)模塊組成。溫度監(jiān)測系統(tǒng)的感知層硬件設(shè)計如圖2所示，輸電線路感應取電模塊通過輸電線獲取電能并向儲能電池充電，而測溫系統(tǒng)通過儲能電池獲取電能能夠持續(xù)工作。

圖2中，測溫系統(tǒng)采用STM32L151微控制器作為主控芯片，數(shù)據(jù)發(fā)送部分由NB?IoT模塊BC95構(gòu)成，測溫的溫度傳感器為DS18B20。STM32L151是基于Cortex?M3內(nèi)核的微控制器，其內(nèi)置了128 KB的FLASH，16 KB的RAM， 具有JTAG接口，利于調(diào)試程序，3個USART可方便地與通信模塊對接，并且支持時鐘控制機制和四種超低功耗模式[13]。

DS18B20的通信接口為單總線， 既可通過串行口線，也可通過其他I/O口線與微機接口，無須經(jīng)過其他變換電路，直接輸出被測溫度的9～12位二進制數(shù)字信號[14]。每片DS18B20內(nèi)部的ROM都刻了惟一的64位編碼，在多點測溫系統(tǒng)中，可實現(xiàn)對各測溫點的定位和識別;另外，DS18B20測量范圍為-55～125 ℃，精度為±0.5 ℃，靜態(tài)功耗<3 μA。由于DS18B20測量溫度范圍寬，測量精度高，并且其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便靈活，體積非常小，非常適合在空間有限的高壓開關(guān)柜內(nèi)靈活布置。本文研發(fā)的無線測溫實物如圖3所示。

根據(jù)電磁感應原理，當交變電流流過輸電線時，輸電線周圍產(chǎn)生交變的磁場，放置在輸電線附近的互感裝置輸出同頻交流電壓，經(jīng)過全橋整流、濾波、穩(wěn)壓電路變化后實現(xiàn)為后端的監(jiān)測系統(tǒng)供電[15?16]。感應取電又分為直接供電方式和間接供電方式，這兩種方式的區(qū)別在于取電系統(tǒng)中是否有儲能電池。本設(shè)計采用間接供電感應方式，此方式可以為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源和較大的瞬時電流，即使在用電低谷期也能使溫度監(jiān)測系統(tǒng)正常工作。感應取電電源通過互感器裝置從高壓輸電線中感應獲取電能，一旦輸電線路發(fā)生單相短路、兩相短路等線路故障，或者遇到直擊雷等產(chǎn)生巨大的沖擊電流時，感應取電裝置將輸出非常大的電壓值。充電電路和電源穩(wěn)壓電路如圖4所示。充電電路采用國產(chǎn)芯片TPA4056，該芯片為專門為鋰電池線性充電芯片，具有電池極性接反保護功能。穩(wěn)壓電路采用DC/DC穩(wěn)壓芯片完成電池到3.3 V的轉(zhuǎn)換。該芯片性能優(yōu)異，當輸入電壓低于3.3 V時，其主動變?yōu)樯龎耗Ｊ?，當輸入電壓高?.3 V時，其主動變?yōu)榻祲耗Ｊ?。這種模式有利于充分利用鋰電池的能源和系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定工作。

NB?IoT通信模組采用上海移遠通信的BC95通信模組，BC95是一款高性能、低功耗的NB?IoT無線通信模塊，緊湊的尺寸能最大限度地滿足終端設(shè)備對小尺寸模塊產(chǎn)品的需求，并且具有超低功耗和超高靈敏度的特點，與本文設(shè)計的測溫系統(tǒng)所需要模塊極大相符。BC95功能框架如圖5所示，其主要闡述了模塊射頻部分、電源管理部分和外圍接口部分的功能。

BC95模塊通過串口通信方式與MCU通信，MCU可以通過AT指令控制NB?IoT模塊BC95，實現(xiàn)NB?IoT的組網(wǎng)以及將系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過AT指令控制BC95通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。

表1中AT指令是實現(xiàn)NB?IoT模塊BC95組網(wǎng)以及無線收發(fā)功能流程的指令及其含義。

應用層數(shù)據(jù)解析處理流程如圖6所示。系統(tǒng)啟動時先進行NB?IoT的組網(wǎng)，完成組網(wǎng)后才能繼續(xù)進行對高壓開關(guān)的溫度監(jiān)測，在上傳DS18B20所采集的數(shù)據(jù)之前設(shè)置一個數(shù)據(jù)終端判斷，判斷當前終端號和數(shù)據(jù)是否符合規(guī)定。系統(tǒng)具有閑時休眠的功能，設(shè)置一定時間休眠間隔使系統(tǒng)達到節(jié)能功能，因此每次上傳數(shù)據(jù)時先進行休眠判斷，若在休眠期內(nèi)則進行休眠等待，休眠期結(jié)束后再進行上傳。在完成數(shù)據(jù)上傳后，將會收到上傳成功信號，在未接收到成功信號時則重復上傳，直到上傳數(shù)據(jù)成功為止。

3? 傳輸層數(shù)據(jù)通信協(xié)議

NB?IoT網(wǎng)絡(luò)主要由用戶終端設(shè)備、運營商基站、NB?IoT云平臺和用戶應用平臺組成，用戶通過安裝在終端設(shè)備上的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)卡接入NB?IoT網(wǎng)絡(luò)，并通過運營商基站進行數(shù)據(jù)信息的發(fā)送和接收。本系統(tǒng)的運輸層協(xié)議為UDP，主要原因是要區(qū)別于TCP協(xié)議的“三次握手”建立連接和“四次揮手”釋放連接的時延損耗，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)的實時性。在應用層采用CoAP協(xié)議與傳輸層的UDP協(xié)議配套使用更是彌補了UDP通信協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸不可靠的缺陷，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。傳輸層通信數(shù)據(jù)協(xié)議如圖7所示，本系統(tǒng)中主要是實現(xiàn)將感知層采集到的溫度數(shù)據(jù)通過NB?IoT透傳到云平臺上，在用戶應用平臺上實現(xiàn)對高壓開關(guān)工作溫度的實時監(jiān)測。表2為數(shù)據(jù)格式協(xié)議定義。

4? 應用層軟件設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)應用層是物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)中的最頂層，它可以對感知層采集到的數(shù)據(jù)進行計算、處理和知識挖掘，從而實現(xiàn)對物理世界的實時控制、精確管理和科學決策。在本文中應用層設(shè)計主要實現(xiàn)對感知層溫度采集系統(tǒng)采集到的溫度數(shù)據(jù)進行處理、顯示，進而實現(xiàn)對高壓開關(guān)工作溫度的實時監(jiān)測和對高壓開關(guān)設(shè)備的科學管理。本文應用層高壓開關(guān)溫度監(jiān)測平臺是在美國國家儀器（NI）公司的程序開發(fā)環(huán)境LabVIEW設(shè)計完成，LabVIEW具有強大的數(shù)據(jù)處理功能，可按需定制各種儀器，是開發(fā)測量和控制系統(tǒng)的理想選擇。本設(shè)計溫度監(jiān)測平臺主要實現(xiàn)對高壓開關(guān)工作溫度和工作狀態(tài)的實時顯示，溫度監(jiān)測平臺界面如圖8所示。如圖9所示，亦可查詢一段時間的歷史數(shù)據(jù)。

溫度監(jiān)測平臺具有通信參數(shù)配置、監(jiān)測開關(guān)點位置顯示、實時溫度、實時溫度曲線、實時報警和歷史數(shù)據(jù)查詢的功能。監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)處理流程如圖10所示。監(jiān)測平臺從NB?IoT云平臺獲取到數(shù)據(jù)，解析數(shù)據(jù)并判斷設(shè)備號是否正確，如果正確，則進入歸類處理和數(shù)據(jù)顯示，同時判斷是否需要進行門限報警。

5? 數(shù)據(jù)測試與分析

5.1? 電源供電測試

為了測試電源的取電能力和穩(wěn)定性，在實驗室搭建了實驗測試平臺。電子負載JT6348A吸收掉傳輸線的電能，而取電感應裝置掛載在傳輸線上，將另一電子負載接在電源輸出端，分別測量其輸出電流和電壓，當測試電流分別為10 A，20 A，30 A，40 A時，電源輸出的電流和電壓如表3所示。輸出均為直流形式的電流和電壓，通過功率計算公式可得流過輸電線各個電流值的電源輸出功率值。

在感知層硬件設(shè)計時，將硬件系統(tǒng)分為發(fā)送數(shù)據(jù)模式和休眠模式。發(fā)送數(shù)據(jù)模式時所有器件都工作，這時功耗最大;休眠模式時，單片機進入低功耗休眠模式，而NB?IoT模塊BC95也進入休眠模式，此時只有單片機的定時器在工作。系統(tǒng)功耗可以用下列公式進行定義：

式中：T為工作時間;V為供電電壓;[Iwork]和[Iidle]分別為工作電流和休眠電流，根據(jù)測試得[Iwork]和[Iidle]分別為0.1 A和0.005 A。因此，根據(jù)可計算得平均功耗為0.174 W，當電力線的電流達為20 A時，電源輸出功率為0.257 W，只要有蓄電池存儲能量，無論是用電高峰期還是低谷期，系統(tǒng)都能夠保持長期穩(wěn)定運行。

5.2? 采集溫度測試

在實驗室中對設(shè)計的模塊進行測溫實驗，首先將無線測溫系統(tǒng)調(diào)試好，接著將溫度傳感器放置在標定的溫度環(huán)境中模擬高壓開關(guān)的測溫過程，然后通過LabVIEW對讀取到的溫度數(shù)據(jù)進行分析，經(jīng)過實驗測試得到四個溫度傳感器的測溫數(shù)據(jù)，分別如表4～表7所示，可得，誤差算術(shù)平均值為0.32 ℃，相對誤差約為0.18%。

6? 結(jié)? 論

本文提出一種基于NB?IoT技術(shù)的高壓開關(guān)溫度監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對高壓開關(guān)的實時監(jiān)測，有效減輕電力工人的工作難度和工作強度。系統(tǒng)采用當前流行的窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，具有低功耗、低成本、信號強、抗干擾、網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點，采用間接供電的輸電線感應取電技術(shù)實現(xiàn)了高壓開關(guān)監(jiān)測系統(tǒng)的真正無源工作，同時實現(xiàn)在復雜環(huán)境中的穩(wěn)定工作。經(jīng)實驗測試，高壓開關(guān)溫度監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了高精度實時溫度監(jiān)測。

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