程志芳
 

　　安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
 

　　摘要：針對傳統(tǒng)的有線測溫方法因無法*解決高壓絕緣問題而不能應(yīng)用于高壓開關(guān)柜溫度檢測的問題，設(shè)計(jì)了一種高壓開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)，分析了系統(tǒng)測試過程中存在 的問題并給出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)可穩(wěn)定地運(yùn)行于工作環(huán)境，滿足一次安裝、2a內(nèi)無需維護(hù)的要求。
 

　　關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)柜；溫度檢測；無線網(wǎng)絡(luò)；ZiBee；JN5148；DS18B20
 

　　0 引 言
 

　　高壓開關(guān)柜在運(yùn)行過程中，柜內(nèi)觸點(diǎn)與母線連接處、動靜觸頭電路發(fā)熱過大，易引發(fā)停電和火災(zāi)事故。因此，高壓開關(guān)柜內(nèi)溫度監(jiān)測尤其是三相觸點(diǎn)溫度監(jiān)測非常重要。
 

　　高壓設(shè)備存在裸露電壓，傳統(tǒng)的有線溫度檢測方法因無法*解決高壓絕緣問題而不能應(yīng)用。無線測溫系統(tǒng)采用無線電波進(jìn)行信息傳輸，不需要布線，與高壓設(shè)備等電勢，不需要采取絕緣措施。因而無線測溫系統(tǒng)可解決高壓設(shè)備測溫難題。本文采用ARM 單片機(jī)及無線模塊JN5148構(gòu)建星形結(jié)構(gòu)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合溫度傳感器實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)柜關(guān)鍵部位的溫度監(jiān)測。
 

　　1 ZiBee技術(shù)
 

　　ZiBee 網(wǎng) 絡(luò) 有 協(xié) 調(diào) 器 (Coordinator)、路 由(Router)和終端(EndDevice)3 種功能器件[2]。前2種功能器件具有信息中繼功能，稱為全功能設(shè)備(FullFuctionDevice，F(xiàn)FD)，而終端只能接收、發(fā)送與本身有關(guān)的信息，稱 為精簡功能設(shè)備 (Reduced FuctionDevice，RFD)。ZiBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器有且只有1個(gè)。ZiBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有星形、網(wǎng) 狀、樹 狀 3種，如圖1所示。其中星形結(jié)構(gòu)具有便于集中控制、易維護(hù)、安全等優(yōu)點(diǎn)，因此本文采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
 

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
 

　　高壓開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)由測溫節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)3個(gè)部分組成，如圖2所示。三相觸點(diǎn)、母線連接處的溫度是監(jiān)測重點(diǎn)，每個(gè)開關(guān)柜內(nèi)三相觸點(diǎn)、3個(gè)母線連接處共6個(gè)位置各安裝1個(gè)測溫節(jié)點(diǎn)。三相觸點(diǎn)處測溫節(jié)點(diǎn)置于靜觸頭上，母線連接處測溫節(jié)點(diǎn)置于導(dǎo)電臂上，測溫節(jié)點(diǎn)均用高壓絕緣膠布綁扎固定。測溫節(jié)點(diǎn)傳感器與測溫部位間涂抹導(dǎo)熱硅脂以保證熱量的充分傳遞。測溫節(jié)點(diǎn)在ZiBee網(wǎng)絡(luò)中為終端節(jié)點(diǎn)。各開關(guān)柜內(nèi)還放置1個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)一方面作為ZiBee協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)、收集數(shù)據(jù)，另一方面作為 Modbus從站響應(yīng)來自上位機(jī)的請求幀，并在現(xiàn)場實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)。各開關(guān)柜內(nèi)的6個(gè)測溫節(jié)點(diǎn)和1個(gè)中心節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)ZiBee星形網(wǎng)絡(luò)，不同開關(guān)柜內(nèi)的ZiBee網(wǎng)絡(luò)有不同的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號，各自之間不存在信號串?dāng)_問題。
 

　　測溫節(jié)點(diǎn)在檢測溫度的同時(shí)，利用無線模塊內(nèi)自帶的電壓檢測功能對節(jié)點(diǎn)供電電壓進(jìn)行檢測，與溫度值一同發(fā)送。上位機(jī)將接收到的溫度、電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及存儲，并提供查詢功能，同時(shí)在溫度值超過預(yù)警值或電壓值低于閾值時(shí)發(fā)出警報(bào)。
 

　　3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
 

　　3.1測溫節(jié)點(diǎn)
 

　　測溫節(jié)點(diǎn)是高壓開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)的基本裝置，負(fù)責(zé)采集和發(fā)送溫度值、電壓值。它由 SOC 芯片JN5148、單總線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 和電源模塊組成，如圖3所示。
 

圖3 測溫節(jié)點(diǎn)組成
 

　　JN5148是由Jennic公司生產(chǎn)的第三代超低功耗、高 性 能 無 線 模 塊。JN5148 可 支 持  新 的ZiBee協(xié)議———ZiBeePRO，休眠電流為2.6μA，通信距離(可視)可達(dá)1km，發(fā)送電流為15 mA，接收電流為 17.5 mA，工 作電壓為 2.3～3.6 V。32位RISC MCU 保證了JN5148強(qiáng)大的處理能力。該系統(tǒng)中應(yīng)用的JN5148模塊自帶陶瓷天線，免去了復(fù)雜的射頻設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和高成本的開發(fā)測試過程。
 

　　DS18B20為 Dallas公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器，采用外接電源的方法供電，溫度測量范圍為-55～+125 ℃，測量精度為0.5℃，可滿足系統(tǒng)測溫要求。
 

　　電源模塊采用鋰電池直接供電方式。單節(jié)鋰電池額定電壓為3.6V，容量達(dá)2400 mA·h。
 

　　3.2中心節(jié)點(diǎn)
 

　　中心節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。
 

　　中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收測溫節(jié)點(diǎn)傳來的信息并上傳信息給上位機(jī)，同時(shí)將信息顯示在放置于開關(guān)柜柜門上的液晶屏上，以供現(xiàn)場察看。為調(diào)整監(jiān)測、通信參數(shù)，中心節(jié)點(diǎn)還接有鍵盤作為輸入設(shè)備。中心節(jié)點(diǎn)工作量大、占用管腳數(shù)多，用JN5148 作為核心控制器存在程序不易設(shè)計(jì)、管腳數(shù)量少的缺點(diǎn)，故選用ARM 系列 LPC2132作為中心節(jié)點(diǎn)MCU，JN5148僅作為無線傳輸單元，與LPC2132之間通過串口通信。由于中心節(jié)點(diǎn)需要長期不間斷工作，因此，電源采用電網(wǎng)交流供電。
 

　　4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
 

　　JN5148應(yīng)用ZiBeePRO協(xié)議棧，運(yùn)行在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)JenOS 上。JenOS 是由Jennic公司開發(fā)的專門應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)。JenOS在調(diào)度不同優(yōu)先級的實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)具備及時(shí)性和靈活性。JN5148的集成開發(fā)環(huán)  境為CodeBlocks，該軟件是Jennic公司提供的代碼編輯和編譯環(huán)境，可在Jennic上免費(fèi)下載，從而降低了開發(fā)成本。
 

　　4.1測溫節(jié)點(diǎn)軟件
 

　　測溫節(jié)點(diǎn)上電后先對硬件進(jìn)行初始化，然后搜索ZiBee網(wǎng)絡(luò)，如存在則加入網(wǎng)絡(luò)，加入網(wǎng)絡(luò)后即開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、發(fā)送等任務(wù)。當(dāng)沒有數(shù)據(jù)采集、發(fā)送等任務(wù)時(shí)，測溫節(jié)點(diǎn)則進(jìn)入睡眠模式。JN5148有工作、睡眠、深度睡眠3 種功耗模式，因深度睡眠模式只能通過端口中斷觸發(fā)喚醒，本設(shè)計(jì)采用睡眠功耗模式，即由實(shí)時(shí)時(shí)鐘喚醒。為更及時(shí)地發(fā)現(xiàn)溫度異常情況，測溫節(jié)點(diǎn)采用動態(tài)睡眠機(jī)制，即在溫度 正常時(shí)睡眠時(shí)間為設(shè)定的基準(zhǔn)值，當(dāng)溫度升高時(shí)睡眠 時(shí)間將在基準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上減小，溫度越高睡眠時(shí)間越 短，溫度回到正常范圍后睡眠周期變?yōu)樵O(shè)定基準(zhǔn)值。睡眠基準(zhǔn)值范圍為3～600s。相對于溫度變化，電池電壓的變化較緩慢，故本設(shè)計(jì)中電壓檢測周期比溫度檢測周期大。圖5為測溫節(jié)點(diǎn)軟件程序流程。
 

4.2中心節(jié)點(diǎn)的JN5148模塊軟件
 

　　中心節(jié)點(diǎn)的JN5148模塊在ZiBee網(wǎng)絡(luò)中作為協(xié)調(diào)器，上電后先對硬件初始化，然后搜索信道，在 未使用的信道上建立網(wǎng)絡(luò)，建網(wǎng)成功后即等待終端 加入網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后通過串口將數(shù)據(jù)傳給 LPC2132。上位機(jī)與LPC2132 之間通過RS485現(xiàn)場總線連接，采用Modbus協(xié)議傳輸信息。上位機(jī)作為 Modbus主機(jī)，各開關(guān)柜內(nèi)的 LPC2132作為 Modbus從機(jī)。圖6為中心節(jié)點(diǎn)的JN5148模塊軟件程序流程。
 

4.3上位機(jī)軟件
 

　　上位機(jī)管理軟件采用面向?qū)ο蟮?VB6.0開發(fā)。上位機(jī)將接收到的溫度、電壓值及對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的ID按時(shí)間線存儲，經(jīng)過處理后，用戶可通過該管理軟件查看任意節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)刻的溫度值、電壓值及其變化趨勢圖。另外，該軟件可在溫度值超過預(yù)警值或電壓值低于閾值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號，用戶根據(jù)節(jié)點(diǎn)的ID即可找到有異常情況的開關(guān)柜。
 

　　5系統(tǒng)測試與優(yōu)化
 

　　為驗(yàn)證高壓開關(guān)柜測溫系統(tǒng)的可行性，筆者對該系統(tǒng)進(jìn)行了測試。測試過程中發(fā)現(xiàn)如下問題：(1)高壓開關(guān)柜內(nèi)電磁環(huán)境復(fù)雜，易對節(jié)點(diǎn)尤其是測溫節(jié)點(diǎn)正常工作產(chǎn)生影響。(2)高壓開關(guān)柜內(nèi)存在高壓且允許隨意中斷工作，致使測溫節(jié)點(diǎn)后期維護(hù)不便。
 

　　針對以上問題，筆者采取以下措施：(1)軟件、硬件抗干擾措施。軟件方面，應(yīng)用數(shù)字編碼、解碼技 術(shù)剔除干擾信號，并 加入軟件濾波技術(shù)，同 時(shí)對DS18B20轉(zhuǎn)換溫度取3 次平均值以消除隨機(jī)干擾；硬件方面，JN5148 本身具有金屬屏蔽罩，同時(shí)加強(qiáng)各級濾波能力以消除高頻干擾。(2)軟件設(shè)計(jì)時(shí)增加自動重新加入網(wǎng)絡(luò)功能，保證在中心節(jié)點(diǎn)因某種原因重啟后，測溫節(jié)點(diǎn)能自動重新加入網(wǎng)絡(luò)，無需人工干預(yù)。
 

　　為計(jì)算測溫節(jié)點(diǎn)鋰電池的供電時(shí)間，筆者在模擬開關(guān)柜環(huán)境下，用 TekDPO4054數(shù)字示波器電流探頭對測溫節(jié)點(diǎn)的工作電流進(jìn)行采樣，電流曲線如圖7所示。
 

　　計(jì)算測溫節(jié)點(diǎn)鋰電池供電時(shí)間的難點(diǎn)在于溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間、溫度轉(zhuǎn)換時(shí)工作電流及發(fā)射時(shí)間的獲取。如圖7所示，在 T0 時(shí)刻測溫節(jié)點(diǎn)從睡眠狀態(tài)被喚醒，T1 時(shí)刻3次溫度值轉(zhuǎn)換結(jié)束并發(fā)送數(shù)據(jù)，T2 時(shí)刻數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，測  溫節(jié)點(diǎn)重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)。JN5148 模 塊 睡 眠 電 流 為 2.6 μA，發(fā) 射 電 流 為 15 mA，溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間 T1 -T0、發(fā)射時(shí)間 T2 -T1分別為1500 ms、10 ms，溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的工作電流I為11 mA。以常規(guī)的測溫周期為5 min 為例，得到鋰電池供電時(shí)間為
 

　　可得鋰電池的理論供電時(shí)間約為4.7a。然而實(shí)際環(huán)境中鋰電池存在自放電問題，且電量不可能全部放盡，壽命無法達(dá)到4.7a，因此本設(shè)計(jì)中將運(yùn)行年限設(shè)定為2a。
 

　　系統(tǒng)經(jīng)測試與優(yōu)化后，可穩(wěn)定地運(yùn)行于工作環(huán)境，而對測溫節(jié)點(diǎn)鋰電池供電時(shí)間的驗(yàn)證，表明系統(tǒng)滿足一次安裝、無需維護(hù)的要求。
 

　　6安科瑞無線測溫系統(tǒng)介紹與選型
 

　　安科瑞無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)當(dāng)前無線測溫系統(tǒng)的要求，在廣泛征求用戶和專家意見的基礎(chǔ)上,充分吸收當(dāng)前國內(nèi)外廠家的成功案例，并結(jié)合安科瑞多年來的豐富經(jīng)驗(yàn)，采用面向?qū)ο蟮姆謱臃植际皆O(shè)計(jì)思想，結(jié)合自動化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)而設(shè)計(jì)的一款專業(yè)的無線測溫軟件。
 

　　6.1 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
 

　　Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)通過RS485總線或以太網(wǎng)與間隔層的設(shè)備直接進(jìn)行通信(如圖8)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規(guī)約，安全性、可靠性和開放性都得到了很大地提高。
 

　　Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)具有遙信、遙測、遙控、遙調(diào)、遙設(shè)、事件報(bào)警、曲線、棒圖、報(bào)表和用戶管理功能。可以監(jiān)控?zé)o線測溫系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)快速報(bào)警響應(yīng)，預(yù)防嚴(yán)重故障發(fā)生。
 

　　Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)主要特點(diǎn)是開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件兼容性強(qiáng)，軟件移植性好，應(yīng)用功能豐富。該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的處理能力，快速的事件響應(yīng)，友好的人機(jī)界面，方便的擴(kuò)充手段。其軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)軟件工程的設(shè)計(jì)規(guī)范,模塊劃分合理，接口簡捷明了，主要包括主控模塊、人機(jī)界面、圖形組態(tài)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、通信管理等幾大模塊。
 

6.2 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)功能
 

　　■實(shí)時(shí)監(jiān)測
 

　　Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控軟件人機(jī)界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)及有關(guān)故障、告警等信息。
 

　　■溫度查詢
 

　　溫度歷史曲線(1分鐘、5分鐘、60分鐘可選)
 

　　■運(yùn)行報(bào)表
 

　　查詢各回路設(shè)備運(yùn)行溫度報(bào)表
 

　　■實(shí)時(shí)報(bào)警
 

　　壁掛式無線測溫監(jiān)控設(shè)備具有實(shí)時(shí)報(bào)警功能，設(shè)備能夠?qū)囟仍较薜仁录l(fā)出告警。
 

　　■設(shè)備提供以下方式：
 

　　a.彈岀事件報(bào)驚窗口.
 

　　b.實(shí)時(shí)語音報(bào)警功能，能夠?qū)λ惺录l(fā)出語音告警.
 

　　C.短信吿警，可以向指發(fā)送吿警信息短信.
 

　　■歷史告警査詢
 

　　Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ袇叹录涗涍M(jìn)行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)和告警等事件進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。
 

　　■用戶權(quán)限管理
 

　　Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。
 

　　通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)的操作(如數(shù)據(jù)庫修改等)?？梢远x不同級別用戶的 登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。
 

　　■定值設(shè)置
 

　　用于修改高溫定值、超溫定值。
 

　　■WEB(可選)
 

　　展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)量等概況信息， 設(shè)備溫度、通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。首頁顯示場站的變壓器數(shù)量、回路個(gè)數(shù)、有功功率、無功功率、用電量、事件記錄等概況信息，可通過實(shí)時(shí)監(jiān)控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。
 

　　實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線可監(jiān)測各個(gè)回路的測點(diǎn)溫度、電壓、電流、功率曲線信息。
 

　　接線圖頁面通過一次圖實(shí)時(shí)反映電氣參數(shù)變化，包括測量量、信號量等信息(信號量 需要斷路器提供輔助觸點(diǎn)支持)。
 

　　能耗統(tǒng)計(jì)頁面顯示各回路的功率峰值和用電量峰值，功率、電能趨勢曲線，電能環(huán)比，用電排名。
 

　　運(yùn)維管理\通信狀態(tài)顯示監(jiān)測接入系統(tǒng)設(shè)備的通信狀態(tài)。
 

　　■APP(可選)
 

　　設(shè)備數(shù)據(jù)員面顯示各設(shè)備的電參量數(shù)據(jù)、溫 度數(shù)據(jù)以及曲線。
 

　　6.3 安科瑞ARTM系列無線測溫終端產(chǎn)品選型
 

　　安科瑞電氣接點(diǎn)無線測溫方案由無線溫度傳感器、收發(fā)器、顯示單元組成。溫度傳感器直接安裝于斷路器動觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發(fā)熱接點(diǎn)，將測溫?cái)?shù)據(jù)通過無線射頻技術(shù)傳至接收裝置，再由接收器485通訊至測溫終端或無線測溫系統(tǒng)(如圖9)。
 

6.3.1 安科瑞無線溫度傳感器
 

　　無線溫度傳感器共有5種，分別對應(yīng)螺栓固定、表帶固定、扎帶捆綁、合金片固定等安裝方式。針對不同的變電站要求，可根據(jù)傳感器供電方式以及安裝位置的不同，考慮安裝方便的因素，選擇相匹配的傳感器。
 

　　【參考文獻(xiàn)】
 

　　[1] 王福凱，蘭西柱，董瑞琦，李海洪，趙殷瑤.高壓開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動化，2012(7)：108-112.
 

　　[2] 孫科，肖賓杰.ZigBee技術(shù)在測溫系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].測控技術(shù)，2008(1)：36-38.
 

　　[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2019.11版.