安科瑞 鮑靜君

　　摘要：電力系統(tǒng)中，各類設(shè)備的開斷接觸點，由于制造、環(huán)境污染、觸點氧化、電弧沖擊等原因造成接觸電阻變大，在運行時往往不斷發(fā)熱，溫度不斷上升，給設(shè)備安全運行埋下隱患，如果不及時發(fā)現(xiàn)，容易導(dǎo)致起火或爆炸，造成大量財產(chǎn)損失。因此，電力設(shè)備的溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)越來越得到大家的認可和重視。傳統(tǒng)的紅外、光纖及有源無線測溫系統(tǒng)在安全性、適用性、穩(wěn)定性、實時性等方面存在一定的技術(shù)缺陷。感應(yīng)取電無源無線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)在高壓電力設(shè)備上得到廣泛應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)測溫技術(shù)在安全性、可靠性、穩(wěn)定性、實用性等方面存在的問題。

　　關(guān)鍵詞：無線傳感器；感應(yīng)取電；無線測溫；物聯(lián)網(wǎng)

　　1概述

　　無源無線測溫系統(tǒng)一般有三部分構(gòu)成：無源無線測溫節(jié)點、無線溫度接收終端、數(shù)據(jù)服務(wù)器及APP，系統(tǒng)組成如圖1所示：

圖1系統(tǒng)示意圖

　　無線測溫節(jié)點作為系統(tǒng)的感知層，分布于各個發(fā)熱點，實時測量觸點表面溫度，并將溫度數(shù)據(jù)通過無線方式上傳給接收終端。接收終端在系統(tǒng)中承擔(dān)著數(shù)據(jù)中繼功能，它接收到傳感器的數(shù)據(jù)之后再通過485或者無線等方式傳輸給數(shù)據(jù)后臺，他們形成了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層。數(shù)

　　據(jù)到達后臺后，用戶可以通過計算機組態(tài)界面監(jiān)測現(xiàn)場每個傳感器的實時溫度、歷史曲線，如果出現(xiàn)超溫情況，可以快速定位并及時通知相關(guān)人員，這就是系統(tǒng)的應(yīng)用層。

　　2無源感應(yīng)取電理論依據(jù)

　　本系統(tǒng)無源無線取電應(yīng)用法拉第電磁定律，充分利用高壓開關(guān)柜內(nèi)三相母線產(chǎn)生大量電磁能，根據(jù)變壓器模型如圖2所示。母線作為取電感應(yīng)器的一次側(cè)線圈，取電線圈作為取電感應(yīng)器的二次側(cè)線圈，組成取電電路，二次側(cè)處于短路工作狀態(tài)，相當于電流互感器。

圖2變壓器模型

　　取電電路關(guān)鍵在于導(dǎo)磁材料的選擇，該電路選擇了1J85型薄膜合金帶，薄膜合金帶是一款高導(dǎo)磁合金材料，其特點是含有45%～81%的中鎳，Bs=0.7～1.6T，導(dǎo)磁率從5到50萬，采用不同的制作工藝和熱處理制度可以獲得普通回線-高初始磁導(dǎo)率，矩形回線-高剩余磁感應(yīng)強度，扁平回線-低剩余磁感應(yīng)強度。高磁感且高磁導(dǎo)率低損耗，縮小磁性元件和體積，在潮濕的環(huán)境中耐腐蝕性強。常用薄膜合金帶主要參數(shù)指標如表1所示：

　　表 1 常用薄膜合金帶性能指標

　　3無源無線測溫硬件設(shè)計

　　3.1無源無線測溫節(jié)點電路設(shè)計

　　通過感應(yīng)線圈取電后，經(jīng)鉗位保護電路、整流電路、電壓檢測、線性穩(wěn)壓為工作電路板供電，電路如圖3所示。

圖 3 無源無線測溫節(jié)點電路

　　測溫節(jié)點微控制器采用 TI 公司的低功耗無線單片機CC430F5137 芯片，CC430 不但延續(xù)了其前輩超低功耗、高性能的傳統(tǒng)，而且集成了業(yè)界 1GHz 以下頻段的 CC1101RF 收發(fā)器，是的功耗的單芯片射頻 (RF) 解決方案。使用 CC430 平臺既可降低系統(tǒng)復(fù)雜性、將封裝與印刷電路板尺寸縮小 50%，又可簡化RF 設(shè)計，從而將包括 RF 網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集、工業(yè)監(jiān)控與篡改檢測、個人無線網(wǎng)絡(luò)以及自動抄表基礎(chǔ)設(shè)施 (AMI)等在內(nèi)的應(yīng)用的水平。其外圍電路可參照*應(yīng)用手冊。

　　溫度電路檢測采用16位高精度可關(guān)斷低功耗數(shù)字傳感器，通過I2C總線與微控制器連接，如圖4所示。

圖 4 傳感器電路

　　3.2無線接收終端電路設(shè)計

　　無線接收終端采用TI公司的CC430F5137無線單片機作為控制器，它既可以接受測溫節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，也可以通過無線方式或RS485把數(shù)據(jù)傳給應(yīng)用層，同時它還可以完成人機交互控制，包括設(shè)置操作按鍵和LCD顯示屏。電路連接示意圖如圖5所示。

圖 5 接收終端電路連接示意圖

　　4無源無線測溫傳感器程序設(shè)計

　　無源無線測溫節(jié)點和無線接收器程序設(shè)計采用C語言編程，編程要注意的有兩點，一是程序開發(fā)規(guī)范、簡潔、易讀，二是低功耗程序設(shè)計，通過單片機和無線收發(fā)器的休眠以及外圍電路的關(guān)斷，使得整個電路電流不超過50微安。

　　設(shè)計測溫節(jié)點程序時，首先要對單片機和無線收發(fā)器進行配置，為了防止節(jié)點死機，設(shè)計看門狗程序；為了能夠進入休眠模式三，進行電源管理和內(nèi)核電壓監(jiān)測設(shè)置；為了防止各個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)出現(xiàn)碰撞，采用隨機延時算法；為了降低功耗，對溫度傳感器芯片進行關(guān)斷。

　　相對于測溫節(jié)點程序設(shè)計，接收器程序無需考慮低功耗設(shè)計，但需要考慮抗干擾性，主要通訊干擾，采用CRC校驗去除無線數(shù)據(jù)傳輸干擾，采用RS485通訊去除有線數(shù)據(jù)傳輸干擾。

　　5無源無線測溫系統(tǒng)組態(tài)界面設(shè)計

　　無線測溫后臺采用國內(nèi)品牌工控機或者由客戶確定型號的計算機，后臺軟件采用工控組態(tài)，具有人機界面友好、操作方便、數(shù)據(jù)全、功能完善的特點。全局圖可以一目了然分辨出傳感器溫度正常、超溫、故障，如圖6所示：

圖 6 無線測溫詳細圖顯示

　　6無源無線溫度傳感器的安裝調(diào)試與使用

　　6.1無源無線溫度傳感器的安裝方式

　　無源無線溫度傳感器廣泛應(yīng)用于高低壓開關(guān)柜、環(huán)網(wǎng)柜觸頭、刀閘開關(guān)、高壓電纜接頭、干式變壓器、低壓大電流柜等電氣設(shè)備的溫度在線監(jiān)測；無源無線溫度傳感器避免使用電池所帶來的局限，體積小巧，僅相當于傳統(tǒng)傳感器的一顆電池大小，可以安裝在動觸頭等狹小的空間內(nèi)，所以優(yōu)先推薦安裝動觸頭。如圖7所示。

圖 7 動觸頭安裝示例

　　6.2無源無線溫度傳感器的使用

　　由于無源無線溫度傳感器主要應(yīng)用于電氣開關(guān)動觸頭以及出線母排上，對應(yīng)變電所或者企業(yè)來說不能頻繁通電斷電操作，故使用前需做產(chǎn)品二次測試，測試時將導(dǎo)磁扎帶繞于220V單相電即可，保證安裝產(chǎn)品穩(wěn)定性。由于各組節(jié)點可自動與接收節(jié)點匹配，也需做接收測試，

　　多組同時進行無線傳輸干擾測試。

　　7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)當前無線測溫系統(tǒng)的要求，在廣泛征求用戶和家意見的基礎(chǔ)上,充分吸收當前國內(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，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)計的一款無線測溫軟件。

　　7.1 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)計遵循標準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。

圖8 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　7.2 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)備提供以下凡種告警方式：

　　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)授權(quán)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。首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，用電排名。

　　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)。

　　■手機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。

　　7.3 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）。

圖9 電氣接點在線測溫結(jié)構(gòu)圖

　　7.3.1 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。

7.3.2 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。

7.3.3 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。