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王蒙蒙
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)計了一種高壓開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng),詳細介紹了該系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計,分析了系統(tǒng)測試過程中存在 的問題并給出了相應(yīng)的化措施。測試結(jié)果表明,系統(tǒng)可穩(wěn)定地運行于工作環(huán)境,滿足一次安裝、2a內(nèi)無需維護的要求。
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)柜在運行過程中,柜內(nèi)觸點與母線連接處、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,FFD),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。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、安全等點,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
高壓開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)由測溫節(jié)點、中心節(jié)點、上位機3個部分組成,如圖2所示。三相觸點、母線連接處的溫度是監(jiān)測重點,每個開關(guān)柜內(nèi)三相觸點、3個母線連接處共6個位置各安裝1個測溫節(jié)點。三相觸點處測溫節(jié)點置于靜觸頭上,母線連接處測溫節(jié)點置于導(dǎo)電臂上,測溫節(jié)點均用高壓絕緣膠布綁扎固定。測溫節(jié)點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)點在ZiBee網(wǎng)絡(luò)中為終端節(jié)點。各開關(guān)柜內(nèi)還放置1個中心節(jié)點,該節(jié)點一方面作為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)來自上位機的請求幀,并在現(xiàn)場實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)。各開關(guān)柜內(nèi)的6個測溫節(jié)點和1個中心節(jié)點組成一個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)點在檢測溫度的同時,利用無線模塊內(nèi)自帶的電壓檢測功能對節(jié)點供電電壓進行檢測,與溫度值一同發(fā)送。上位機將接收到的溫度、電壓數(shù)據(jù)進行處理及存儲,并提供查詢功能,同時在溫度值超過預(yù)警值或電壓值低于閾值時發(fā)出警報。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
3.1測溫節(jié)點
測溫節(jié)點是高壓開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)的基本裝置,負責(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)點組成
JN5148是由Jennic公司生產(chǎn)的三代超低功耗、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2400 mA·h。
3.2中心節(jié)點
中心節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖4所示。
中心節(jié)點負責(zé)接收測溫節(jié)點傳來的信息并上傳信息給上位機,同時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)點還接有鍵盤作為輸入設(shè)備。中心節(jié)點工作量大、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、管腳數(shù)量少的缺點,故選用ARM 系列 LPC2132作為中心節(jié)點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
JN5148應(yīng)用ZiBeePRO協(xié)議棧,運行在實時操作系統(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)度不同先級的實時任務(wù)時具備及時性和靈活性。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*上免費下載,從而降低了開發(fā)成本。
4.1測溫節(jié)點軟件
測溫節(jié)點上電后先對硬件進行初始化,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,測溫節(jié)點則進入睡眠模式。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)計采用睡眠功耗模式,即由實時時鐘喚醒。為更及時地發(fā)現(xiàn)溫度異常情況,測溫節(jié)點采用動態(tài)睡眠機制,即在溫度 正常時睡眠時間為設(shè)定的基準(zhǔn)值,當(dāng)溫度升高時睡眠 時間將在基準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上減小,溫度越高睡眠時間越 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)計中電壓檢測周期比溫度檢測周期大。圖5為測溫節(jié)點軟件程序流程。
4.2中心節(jié)點的JN5148模塊軟件
中心節(jié)點的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。上位機作為 Modbus主機,各開關(guān)柜內(nèi)的 LPC2132作為 Modbus從機。圖6為中心節(jié)點的JN5148模塊軟件程序流程。
4.3上位機軟件
上位機管理軟件采用面向?qū)ο蟮?VB6.0開發(fā)。上位機將接收到的溫度、電壓值及對應(yīng)節(jié)點的ID按時間線存儲,經(jīng)過處理后,用戶可通過該管理軟件查看任意節(jié)點在任意時刻的溫度值、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發(fā)出報警信號,用戶根據(jù)節(jié)點的ID即可找到有異常情況的開關(guān)柜。
5 系統(tǒng)測試與化
為驗證高壓開關(guān)柜測溫系統(tǒng)的可行性,筆者對該系統(tǒng)進行了測試。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)點尤其是測溫節(jié)點正常工作產(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)點后期維護不便。
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 時對DS18B20轉(zhuǎn)換溫度?。?次平均值以消除隨機干擾;硬件方面,JN5148 本身具有金屬屏蔽罩,同時加強各級濾波能力以消除高頻干擾。(2)軟件設(shè)計時增加自動重新加入網(wǎng)絡(luò)功能,保證在中心節(jié)點因某種原因重啟后,測溫節(jié)點能自動重新加入網(wǎng)絡(luò),無需人工干預(yù)。
為計算測溫節(jié)點鋰電池的供電時間,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)點的工作電流進行采樣,電流曲線如圖7所示。
計算測溫節(jié)點鋰電池供電時間的難點在于溫度轉(zhuǎn)換時間、溫度轉(zhuǎn)換時工作電流及發(fā)射時間的獲取。如圖7所示,在 T0 時刻測溫節(jié)點從睡眠狀態(tài)被喚醒,T1 時刻3次溫度值轉(zhuǎn)換結(jié)束并發(fā)送數(shù)據(jù),T2 時刻數(shù)據(jù)發(fā)送完畢,測 溫節(jié)點重新進入睡眠狀態(tài)。JN5148 模 塊 睡 眠 電 流 為 2.6 μA,發(fā) 射 電 流 為 15 mA,溫度轉(zhuǎn)換時間 T1 -T0、發(fā)射時間 T2 -T1分別為1500 ms、10 ms,溫度轉(zhuǎn)換時的工作電流I為11 mA。以常規(guī)的測溫周期為5 min 為例,得到鋰電池供電時間為
可得鋰電池的理論供電時間約為4.7a。然而實際環(huán)境中鋰電池存在自放電問題,且電量不可能全部放盡,壽命無法達到4.7a,因此本設(shè)計中將運行年限設(shè)定為2a。
系統(tǒng)經(jīng)測試與化后,可穩(wěn)定地運行于工作環(huán)境,而對測溫節(jié)點鋰電池供電時間的驗證,表明系統(tǒng)滿足一次安裝、無需維護的要求。
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,采用面向?qū)ο蟮姆謱臃植际皆O(shè)計思想,結(jié)合自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)而設(shè)計的一款專業(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)備直接進行通信(如圖8),系統(tǒng)設(shè)計遵循標(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)、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能??梢员O(jiān)控?zé)o線測溫系統(tǒng)的設(shè)備運行狀況,實現(xiàn)快速報警響應(yīng),預(yù)防嚴(yán)重故障發(fā)生。
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)主要特點是開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu),硬件兼容性強,軟件移植性好,應(yīng)用功能豐富。該系統(tǒng)具有強大的處理能力,快速的事件響應(yīng),友好的人機界面,方便的擴充手段。其軟件系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)軟件工程的設(shè)計規(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
■實時監(jiān)測
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控軟件人機界面友好,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)
■運行報表
查詢各回路設(shè)備運行溫度報表
■實時報警
壁掛式無線測溫監(jiān)控設(shè)備具有實時報警功能,設(shè)備能夠?qū)囟仍较薜仁录l(fā)出告警。
■設(shè)備提供以下凡種告式:
a.彈岀事件報驚窗口.
b.實時語音報警功能,能夠?qū)λ惺录l(fā)出語音告警.
C.短信吿警,可以向發(fā)送吿警信息短信(需選配).
■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行存儲和管理,方便用戶對系統(tǒng)和告警等事件進行歷史追溯,查詢統(tǒng)計、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)運行、維護、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。頁顯示場站的變壓器數(shù)量、回路個數(shù)、有功功率、無功功率、用電量、事件記錄等概況信息,可通過實時監(jiān)控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。
實時數(shù)據(jù)曲線可監(jiān)測各個回路的測點溫度、電壓、電流、功率曲線信息。
接線圖頁面通過一次圖實時反映電氣參數(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支持)。
能耗統(tǒng)計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。
運維管理\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,將測溫數(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。
物料名稱 | 型號 | 參數(shù)說明 |
電池型無線測溫傳感器 |
ATE100 | 電池供電,壽命≥5年;-40℃~+125℃; 2.4GHz,空曠距離10米; 102.37*47.93*23mm,φ13.5mm(長*寬*高,孔徑)。 |
ATE200 | 電池供電,壽命≥5年;-40℃~+125℃; 2.4GHz,空曠距離10米; 44.17*30*18.5mm,L=325.40mm(長*寬*高,三色表帶)。 | |
ATE300B | 電池供電,壽命≥5年;-10℃~+125℃; 470MHz,空曠距離150米; 49.95*35.95*22mm(長*寬*高)。 | |
CT取電型無線測溫傳感器 |
ATE300 | CT感應(yīng)取電,啟動電流≥5A;-10℃~+125℃; 470MHz,空曠距離150米; 扎帶固定,合金片取電;73*33.5*16mm(長*寬*高)。 |
ATE400 | CT感應(yīng)取電,啟動電流≥5A;-50℃~125℃; 433MHz,空曠距離150米; 合金片固定、取電;三色外殼;25.82*20.42*12.8mm(長*寬*高)。 |
6.3.2 安科瑞無線收發(fā)器
無線測溫收發(fā)器共有3種,通過無線射頻方式接收溫度數(shù)據(jù)。收發(fā)器根據(jù)不同的傳感器型號進行匹配,同時傳感器的傳輸距離決定接收裝置能否多柜接收。
物料名稱 | 型號 | 參數(shù)說明 |
無線收發(fā)器 | ATC200 | 可接收12個ATE100/200 |
ATC400 | 可接收240個ATE300/ATE300B | |
ATC450-C | 可接收240個ATE400 |
6.3.3 安科瑞顯示終端
顯示裝置通過RS485連接收發(fā)器,可嵌入式安裝于柜體上,若柜體開孔不便,也可選擇壁掛式安裝于配電室內(nèi)。方便操作人員現(xiàn)場及時查看電氣節(jié)點實時溫度的同時,也可以通過RS485或以太網(wǎng)通訊的方式在后臺系統(tǒng)查看現(xiàn)場情況。
物料名稱 | 型號 | 參數(shù)說明 |
顯示終端 | ARTM-Pn | 面框96*96*17mm,深度65mm;開孔92*92mm; AC85-265V或DC100-300V供電; 一路上行RS485接口,Modbus協(xié)議; 接收多達60個ATE100/200/300/400;配套ATC200/300/450。 |
顯示終端 | ASD320 ASD300 | 面框237.5*177.5*15.3mm,深度67mm;開孔220*165mm; AC85-265V或DC100-300V供電; 一路上行RS485接口,Modbus協(xié)議; 接收多達12個ATE100/200/300/400;配套ATC200/300/450。 |
顯示終端 | ATP007 ATP010 | 面框226.5*163*6mm,深度70mm;開孔215*152mm; DC24V供電;一路上行RS485接口;一路下行RS485接口; 接收20個ATC200/1個ATC400/1個ATC450-C。 |
無線測溫集中集中采集設(shè)備 | Acrel-2000T/A | 壁掛式安裝 標(biāo)配一路485接口、一路以太網(wǎng)口 自帶蜂鳴器告警 柜體尺寸480*420*200 (單位mm) |
無線測溫監(jiān)控設(shè)備 | Acrel-2000T/B | 硬件:內(nèi)存4G,硬盤128G,以太網(wǎng)口 顯示器:12寸,分辨率800*600 操作系統(tǒng):Windows7 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng):Microsoft SQL Server 2008 R2 可選Web平臺/APP服務(wù)器 柜體尺寸為480*420*200(單位mm) |
7 結(jié)語
高壓開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)采用片上系統(tǒng)高性能、低功耗無線微控制器JN5148 與數(shù)字溫度傳感器 DS18B20為基本元件組建ZiBee無線系統(tǒng),避免了復(fù)雜的現(xiàn)場布線過程,解決了高壓開關(guān)柜不易絕緣的問題。該系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線與上位機通信,實現(xiàn)了高壓開關(guān)柜的遠程實時溫度監(jiān)測。
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[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2019.11版.
作者簡介:王蒙蒙,安科瑞電氣股份有限公司,主要從事無線測溫系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。