電力電纜頭溫度監(jiān)測與報警系統(tǒng)的設(shè)計與研究

王錕 譚王景 劉曉莎

1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 陜西省咸陽市 712000 2.咸陽市新能源及微電網(wǎng)重點實驗室 陜西省咸陽市 713503

隨著傳感器產(chǎn)品技術(shù)、測量技術(shù)及計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，目前中國國內(nèi)的電力電纜測試領(lǐng)域已涌現(xiàn)出了通過測試預判線纜過熱隱患、利用直流堆疊方法根據(jù)獲取的直流分量測算線纜絕緣阻力、利用交流疊加法監(jiān)測線纜的絕緣老化程度，及根據(jù)直流分量法測試由水樹枝整流產(chǎn)生的直流泄漏分量等手段。目前，電力電纜發(fā)熱分析方法主要有二個特點，一是聚焦于利用研究電纜對自身本身的發(fā)熱來判斷電力電纜的有效載流，另一是通過考察應用環(huán)境中產(chǎn)生的外部或人工熱量對電力電纜有效載流的影響。

溫度檢測技術(shù)主要有光纖、熱敏電阻等接觸式測溫，以及紅外線等非接觸式測溫。光纖測溫技術(shù)主要是將光纖在線纜中加工時預制在線纜的絕緣保護層，從而能夠直接檢測到線纜中絕緣保護層的溫度，但是由于光纜測溫技術(shù)具有成本高昂、光纖易斷且不易更新等問題，制約著光纖測溫技術(shù)的廣泛使用。而熱敏電阻測溫技術(shù)由于簡便、安全、檢測精確、體積小和靈敏度高等而得到了大量的使用，但是由于熱敏電阻測溫的技術(shù)主要應用在短距離測溫，而遠距離傳輸時將會由于距離的增大，而產(chǎn)生溫度信息的快速衰減。紅外線測量溫度盡管具備了測量范圍較廣，且不會改變被測量對象自身的溫度場，且紅外線測溫儀自身也不受到被測量設(shè)備溫度場的損傷等優(yōu)勢，但仍面臨著易受周圍環(huán)境溫濕度檢測影響且只能檢測到設(shè)備外部環(huán)境溫度等問題。本文設(shè)計了電力電纜頭溫度監(jiān)測與報警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

電力電纜頭溫度監(jiān)測與報警系統(tǒng)的實現(xiàn)需要溫度監(jiān)測終端、4G通信、云服務(wù)器以及信息管理系統(tǒng)、溫度異常判斷以及報警功能動作之間相互聯(lián)系，系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本文所提出的電力電纜頭溫度監(jiān)測與報警系統(tǒng)的工作原理，如圖2所示。首先，在整個的系統(tǒng)中搭建4G網(wǎng)絡(luò)通信，利用溫度采集模塊進行實時采集溫度數(shù)據(jù)，將采集得到的溫度數(shù)據(jù)由云服務(wù)器傳輸至信息管理系統(tǒng)，在信息管理系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)處理，主要是尋找異常的溫度數(shù)據(jù)，并判斷電力電纜頭溫度異常缺陷，并根據(jù)情況作出預警報警等功能動作，直至任務(wù)結(jié)束。系統(tǒng)的工作流程呈現(xiàn)單向的現(xiàn)行結(jié)構(gòu)，不存在彼此之間任務(wù)的重復與交叉。這種結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)勢在于：系統(tǒng)各個部分的工作之間能夠最大程度的減少干擾，各個部門各司其職，能夠最大保證數(shù)據(jù)處理的準確性，避免因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于復雜，導致最終的數(shù)據(jù)處理結(jié)果出現(xiàn)問題，使得實際工作受到損失。

圖2 系統(tǒng)工作原理

2 溫度監(jiān)測與報警系統(tǒng)的硬件設(shè)計

電力電纜頭溫度監(jiān)測裝置的硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要由以下幾個重要的部分組成：CPU核心板（STM32F103）、4G通信模塊、溫度采集模塊、電源電路以及儲能電池。在硬件設(shè)計當中，電源的設(shè)計是極其重要的一個部分，在系統(tǒng)硬件中所要應用到的電池，需要有著極大的儲電量，在實際應用貫徹各種更不需要進行頻繁的更換，這樣在節(jié)省項目應用成本的同時，還能夠很大程度上減少系統(tǒng)維護工作人員的工作壓力，保障相關(guān)人員的工作安全。同時，電力電纜頭部分工作過程中會產(chǎn)生局部的高溫，用于電力電纜頭部位的溫度監(jiān)測終端硬件要具備極強的耐高溫能力，防止因高溫造成系統(tǒng)硬件的使用故障。為此，本次設(shè)計中關(guān)于系統(tǒng)中硬件終端的電池，選擇使用儲能更多是，更能適應高溫環(huán)境工作條件的高能電池，作為本次系統(tǒng)設(shè)計中溫度監(jiān)測終端硬件的基礎(chǔ)電源。

圖3 電力電纜頭溫度監(jiān)測裝置整體框架

溫度采集模塊中的溫感元件主要是采用PT100監(jiān)測溫度。PT100溫度傳感器是一種以白金做成的電阻式溫度檢測器。PT100的測溫原理主要是基于電阻的熱效應進行溫度測量，根據(jù)電阻的阻值隨溫度的變化而改變的特點，因此通過感溫電阻的阻值來確定溫度。PT100測溫元件，當溫度為0攝氏度時，阻值為100歐，其電阻R和溫度T變化的關(guān)系式如式2-1：

PT100探頭主要放置在電力電纜頭相應的溫度測量位置，溫度變化會引起PT100阻值發(fā)生變化，對應單片機的ADC采集引腳的電壓也會發(fā)生相應的變化，電壓信號測量的準確度將直接影響溫度測量的精確度。

為減小測量誤差，采用了如圖4所示的測溫電路，該電路選用三線制的PT100測溫元件通過橋式測溫電路有效的消除傳輸過程中造成的信號干擾，通過AD623放大器將mV級壓差信號放大51倍后傳輸至STM32F103的ADC引腳。

圖4 電力電纜頭溫度測量模塊

電壓信號被單片機讀取后，利用公式(2-2)可以計算得到PT100的實時阻值，通過公式(2-1)反求溫度值，即得到電力電纜頭的溫度監(jiān)測值。

3 溫度監(jiān)測與報警系統(tǒng)的軟件設(shè)計

溫度采集模塊采集電力電纜頭溫度數(shù)據(jù)，設(shè)定每秒采樣1次，每分鐘內(nèi)對比出最高溫度Tmax，以配合4G網(wǎng)絡(luò)通信程序每隔一分鐘將Tmax值實時傳輸至信息管理與報警后臺系統(tǒng)，做進一步數(shù)據(jù)處理，具體的流程如圖5所示。

圖5 溫度數(shù)據(jù)采集子程序

云服務(wù)器實時接收PT100溫感元件測量的溫度數(shù)據(jù)，溫度數(shù)據(jù)被存入數(shù)據(jù)庫中，然后調(diào)取云數(shù)據(jù)庫feeder表數(shù)據(jù)，將feeder表數(shù)據(jù)存入本地數(shù)據(jù)庫并和設(shè)定的溫度進行對比，要是超過閾值就報警，如果溫度正常等待新的溫度數(shù)據(jù)，整個異常數(shù)據(jù)的報警算法的實現(xiàn)如圖6所示。

圖6 異常報警模塊實現(xiàn)算法

4 溫度監(jiān)測終端功能模塊檢驗

本文為了驗證整個溫度監(jiān)測裝置，通過在實驗室恒溫加熱箱內(nèi)進行溫度采樣實驗，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。得出本系統(tǒng)溫度監(jiān)測終端采集的溫度誤差不大于±1℃，平均誤差為0.36℃。實驗結(jié)果證明本系統(tǒng)溫度監(jiān)測終端溫度采樣數(shù)據(jù)準確度高。

表1 溫度測量與誤差數(shù)據(jù)表

5 總結(jié)

電力電纜頭是電網(wǎng)系統(tǒng)中的最為薄弱的環(huán)節(jié)，電纜頭過熱會引發(fā)電纜故障，如果不及時進行溫度監(jiān)測，將會引發(fā)電網(wǎng)癱瘓，為能夠有效提升電網(wǎng)運行的可靠性和安全性，本文設(shè)計了電力電纜頭溫度監(jiān)測和報警系統(tǒng)，介紹了溫度監(jiān)測與報警系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計并驗證了溫度監(jiān)測終端功能，為電力電纜存在的隱患進行了提前預判，及時處理電纜異常情況，提高供電可靠性。