浅谈无线温度监控系统在低功耗开关柜中的应用

关键词：开关柜；在线监测；温度；低功耗；无线
0 引言
       高压开关柜作为发电厂及变电站中的重要设备，起到通断、保护和控制等作用。[1]目前普遍使用小车式开关柜，开关柜与断 路器之间均采用动、静触头连接，在动、静触点接触时，二者之间存在一个接触电阻，电流流过会引起触点的发热。由于小车与开关柜因制造、运输或安装可能出现问题，或使用过程中发生氧化或腐蚀，都有可能引起触头接触不良，造成接触电阻增大等现象。过大的接触电阻将导致触头温度升高，发展到一定程度可能烧毁触头，造成停电，甚至引起火灾等严重事故。在长期运行过程中，触电和母线排连接处也可能因为老化或接触电阻过大而发热，而这些位置的发热也有可能导致火灾事故。
        综上所述，及时发现并处理开关柜触头过热问题是防止此类事故发生的关键。由于开关柜处于高压环境、空间狭小、结构复杂，人工巡检存在很大困难和局限性，不能实时监测和提前预警。因此开发一套结构简单，性能可靠，操作方便，成本低廉的开关柜触头温度在线监测系统，实时测量和监视高压开关柜内的温度变化，预测可能引起火灾或故障的局部过热情况， 在故障发生之前发出警报和检修建议，是避免事故发生、控制故障恶化的有效手段，对于保证高压开关柜的正常运行，提高电力系统运行的可靠性有着非常重要的意义。[2-3]为了解决上述问题，本文提出了基于超低功耗的无线测温系统[4-6]，基于开关柜自身的特点设计了低功耗无线传感网络协议，实现了超低功耗长时间工作的无线测温系统。
1 系统总体结构
        系统分为两个部分，即无线温度传感器网络和上位机监控系统。系统框图如图1所示。 
        无线传感器网络：无线传感器节点分为温敏电阻传感器节点与数字温湿度传感器节点两种，温敏电阻传感器节点根据主节点分配的时隙进行定时发送数据，数字温湿度传感器节点以相同时间间隔发送数据，两种传感器均通过无线芯片将温度值发送给主节点，构成一对多的星型网络。
        上位机监控系统：无线主节点通过RS232串口将数据发送至上位机，上位机软件由LabVIEW开发，可监控整个变电站中开关柜的温度状态，一旦出现温度过高便进行声光报警，并对数据进行存储，方便管理和历史查询。

图1 测温系统总框图
2 无线测温节点设计
       从降低节点功耗和简化节点硬件结构等角度考虑，本文基于低功耗处理器PIC16LF726和集成射频芯片CC1101设计了温度传感器网络节点。温度传感器采用温敏电阻传感器，该传感器不受周围电场、磁场等干扰，自身不需要电源供电，利用单片机IO 控制和AD采集传感器分压值监测节点电压。PIC16LF726对温度传感器进行采集，进行简单的数据处理后由SPI发送至低功 耗集成射频芯片CC1101，由CC1101进行无线数据传输。无线传感器节点硬件框架如图2所示。
PIC16F726的工作电压范围较宽，支持1.8V-3.6V的运行电压，电容充放电压电量不稳的情况下也可以正常工作。在1MHz 待机电流典型值为60nA。

图2 传感器节点硬件框架
        CC1101是美国TI公司推出的一款低功耗、体积小、灵敏度高、集成度高、多通道的无线收发芯片，CC1101芯片供电电压为1.8V-3.6V，其灵敏度为-110dBm，在所有的工作频段上，可编程输出功率为-30～10dBm。CC1101还为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清除信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。
       无线测温节点采用超级电容与电池配合供电的方式，保证了传感器节点可以长期稳定工作，电容供电降低了对电池容量的要求。电池容量的降低不仅缩减了整个模块的尺寸，还减少了电池爆破等极端情况造成的安全隐患。
       无线传感器网络采用一对多的方式构成星型网络，由于无线温度节点电源容量有限，大多数时间均处于睡眠状态，平均发送周期较长，发送间隔由主节点分配。主节点长期处于接收状态，实时接收温敏电阻传感器节点及温湿度传感器节点发送的温湿度信息。当接收到温敏电阻传感器节点的信息后，主节点将根据当前的温敏电阻传感器节点数目及上个节点到来的时间为传感器计算下次传送的时隙，并向子节点发送包含时隙信息的应答信息。当接收到温湿度传感器节点的信息后，主节点将回复应答信息防止多次发送。
        主节点接收到节点上传的温度信息后立即通过RS232串口将数据发送至上位机，由上位机软件统一进行显示、存储、报警。上位机还可向主节点主动发送命令信息，以改变网络上传周期等参数。
3 低功耗实验结果分析
3.1 PIC单片机功耗分析
    （1）待机电流：-2.0V时典型值为60nA。
    （2）工作电流：32kHz、2.0V时典型值为7.0μA；1MHz、2.0V时典型值为110μA。
    （3）低功耗看门狗定时器电流：-1.8V时典型值为0.5μA。
    （4）看门狗消耗电流：500nA。
    （5）BOR消耗电流：8μA，睡眠可以关闭。
    （6）上拉电阻会消耗20多μA的电流，运行中注意合理配 置单片机内置的上拉电阻—禁止上拉电阻。
    （7）下载引脚有一个10k电阻，需要合理配置RE3引脚， 防止产生泄漏电流。
     使能开门狗，关闭BOR，对单片机在不同工作速率下运行的功耗进行测试，测试结果如表1所示。
表 1  PIC 不同工作速率下运行的功耗

       测试表明，CPU运行速度越快，单片机功耗越大，适当降低CPU运行速度可降低单片机功耗。
3.2 CC1101功耗分析 
    （1）掉电模式：关闭XOSC，芯片寄存器值保存，此时功耗为0.2μA，在WOR状态中的sleep阶段，功耗为0.5μA。不关闭XOSC，芯片寄存器值保存，此时功耗为100μA。
    （2）IDLE模式：IDLE状态为CC1101的过渡状态，此时功耗为1.7mA。
    （3）由IDLE向RX或TX转换：转换过程中将进行自动频率校准，平均功耗为8.4mA。
    （4）手动频率校准：平均功耗为8.4mA。
    （5）发送/接收溢出状态：平均功耗为1.7mA。
    （6）接收状态（433M）：当接收速率为1. 2 K时，功耗为 15mA；当接收速率为38.4K时，功耗为15mA；当接收速率为250K时，功耗为15.7mA。
    （7）发送状态（433M）：发送功率为+10 dBm时，功耗为29.2mA；当发送功率为0dBm时，功耗为16.0mA；当发送功率为-10dBm时，功耗为13.1mA。
     CC1101发送功耗包括四个部分：配置寄存器状态功耗、IDLE转发送状态功耗、时钟自校准状态功耗、发送数据状态功耗。
      在这四个部分里，IDLE转发送状态时间较短，约为80μs， 自动时钟校准时间不受PIC单片机运行速度影响，约占800μs， 功耗电流在10mA左右。
      配置寄存器状态时间受CPU速度、SPI速度、发送数据字节数、前导码字节数、同步字节数影响。将前导码同步字与发送数据字节数固定，改变CPU与SPI速度，测试CPU与SPI速度对功耗的影响，测试结果如表2所示。
表 2 配置寄存器状态时间（ms）

       测试表明，CPU运行速度越快，转换速度越快，SPI速度越快，转换速度越快。
       对于发送数据状态而言，仅与传输频带与数据发送速率有关，调整CPU与SPI分频基本不会影响其速度。
       无线发送状态是节点功耗很大的一部分，通过调整无线模块的发射功率，也可以进一步降低节点整体功耗。
       综合以上测试结果，将本系统MCU速度配置为8M，SPI配置为4分频，发射功率为阶梯功耗发射模式。将CPU速度配置为8M是为了平衡CPU功耗与无线发送功耗，又保证了CPU工作 稳定性。T波为梯形波，平均功耗低但通信效果好，符合低功耗要求。
       平均电流=（待机电流×时间+工作时间×电流+看门狗醒的时间×电流）/总时间 
       周期时间是12min，12×60×1000=720000ms；
       看门狗12分钟醒30×12=360次，工作电流按照3mA计；
       PIC单片机工作时间：t=360×20us=7200us=7.2ms；
       CC1101工作时间：t=3.2ms，工作电流12mA计；
       总的时间电流积为：720000×0.01mA+7.2×3mA+3.2×12mA=7200+21.6+36.24=7257mA×ms
       平均电流：7257/720000=10.08uA
       由于无线测温模块供电是利用耦合线圈从母线上实时取电，之后存储在超级电容里，从而保证了无线测温模块供电的可靠性和永久性。当设备停电时，可以利用无线模块自身的电池供电，保证无线测温系统在任何状态下都能可靠工作。
4 安科瑞无线测温系统介绍及选型
      安科瑞无线测温监控系统是根据当前无线测温系统的要求，在广泛征求用户和专家意见的基础上,充分吸收当前国内外厂家的成功案例，并结合安科瑞多年来的丰富经验，采用面向对象的分层分布式设计思想，结合自动化技术、计算机技术、网络技术、通信技术而设计的一款无线测温软件。
4.1 Acrel-2000T无线测温系统结构
      Acrel-2000T无线测温监控系统通过RS485总线或以太网与间隔层的设备直接进行通信（如图2），系统设计遵循国际标准Modbus-RTU, Modbus TCP等传输规约，安全性、可靠性和开放性都得到了很大地提高。
      Acrel-2000T无线测温监控系统具有遥信、遥测、遥控、遥调、遥设、事件报警、曲线、棒图、报表和用户管理功能。可以监控无线测温系统的设备运行状况，实现快速报警响应，预防严重故障发生。
      Acrel-2000T无线测温监控系统主要特点是开放式系统结构，硬件兼容性强，软件移植性好，应用功能丰富。该系统具有强大的处理能力，快速的事件响应，友好的人机界面，方便的扩充手段。其软件系统的设计依据软件工程的设计规范,模块划分合理，接口简捷明了，主要包括主控模块、人机界面、图形组态、数据库管理系统、通信管理等几大模块。

图2 Acrel-2000T无线测温系统结构图
4.2 Acrel-2000T无线测温系统功能
■实时监测
       Acrel-2000T无线测温监控软件人机界面友好，能够以配电一次图的形式直观显示各测温节点的温度数据及有关故障、告警等信息
■温度查询
      温度历史曲线（1分钟、5分钟、60分钟可选）
■运行报表
      查询各回路设备运行溫度报表.
■实时报警
       壁挂式无线测温监控设备具有实时报警功能，设备能够对温度越限等事件发出告警。
■设备提供以下凡种告警方式：
       a.弹岀事件报驚窗口.
       b.实时语音报警功能，能够对所有事件发出语音告警.
       C.短信吿警，可以向指定手机号码发送吿警信息短信（需选配短信猫）.
■历史告警査询
        Acrel-2000T无线测温监控系统能够对所有吿警事件记录进行存储和管理，方便用户对系统和告警等事件进行历史追溯，查询统计、事故分析。
■用户权限管理
       Acrel-2000T无线测温监控系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。
通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如数据库修改等）。可以定义不同级别用户的 登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。
■定值设置
      用于修改高温定值、超温定值。
■WEB（可选）
      展示页面显示变电站数量、变压器数量、监测点位数量等概况信息， 设备温度、通信状态，用电分析和事件记录。首页显示场站的变压器数量、回路个数、有功功率、无功功率、用电量、事件记录等概况信息，可通过实时监控、变压器、通信模块切换到需要查看的界面。
     实时数据曲线可监测各个回路的测点温度、电压、电流、功率曲线信息。
     接线图页面通过一次图实时反映电气参数变化，包括测量量、信号量等信息（信号量 需要断路器提供辅助触点支持）。
能耗统计页面显示各回路的功率峰值和用电量峰值，功率、电能趋势曲线，电能环比，用电排名。
运维管理\通信状态显示监测接入系统设备的通信状态。
■手机APP（可选）
      设备数据员面显示各设备的电參量数据、温 度数据以及曲线。
4.3 安科瑞ARTM系列无线测温终端产品选型
       安科瑞电气接点无线测温方案由无线温度传感器、收发器、显示单元组成。温度传感器直接安装于断路器动触头、静触头、电缆接头、母排等发热接点，将测温数据通过无线射频技术传至接收装置，再由接收器485通讯至测温终端或无线测温系统（如图3）。

图3 电气接点在线测温结构图
4.3.1 安科瑞无线温度传感器
      无线温度传感器共有5种，分别对应螺栓固定、表带固定、扎带捆绑、合金片固定等安装方式。针对不同的变电站要求，可根据传感器供电方式以及安装位置的不同，考虑安装方便的因素，选择相匹配的传感器。

 
4.3.2 安科瑞无线收发器
       无线测温收发器共有3种，通过无线射频方式接收温度数据。收发器根据不同的传感器型号进行匹配，同时传感器的传输距离决定接收装置能否多柜接收。

4.3.3 安科瑞显示终端
      显示装置通过RS485连接收发器，可嵌入式安装于柜体上，若柜体开孔不便，也可选择壁挂式安装于配电室内。方便操作人员现场及时查看电气节点实时温度的同时，也可以通过RS485或以太网通讯的方式在后台系统查看现场情况。


 
5 结语
       在高压输电线路架设成功之后不能盲目投入使用，要对前面提到的分支工程一一进行检测，及时发现线路中出现的问题。在投入使用之后也要时刻注意电力传输过程中出现的问题，并及时解决，做好记录，总结经验，完善线路设计和施工方案。高压输电线路的设计与施工仍然需要深入研究，如何合理、经济进行线路施工仍需要经验的总结和不断的学习，这样才能推进电力事业的进步。
 
【参考文献】
       [1]徐东晟,许一声.高压开关柜触头温度在线监测的研究 [J].高压电器，2001，37（1）：54-55.
       [2]何建峰，王学敏.基于低功耗的开关柜无线温度监控系统研制与应用.
       [3]安科瑞用户变电站综合自动化与运维解决方案   2020.05版
 
作者简介：王蒙蒙，安科瑞电气股份有限公司，主要从事无线测温系统的研发与应用，