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淺談無線測溫監(jiān)測系統(tǒng)在高壓開關(guān)柜的設(shè)計應(yīng)用

點擊次數(shù):480 更新時間:2023-08-15

韓歡慶

(安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801)

【摘要】針對高壓開關(guān)柜需要實時監(jiān)測溫度的需求,設(shè)計了一種無線測溫系統(tǒng).該系統(tǒng)采用STM32F103為主控芯片,利用nRF24L01無線模塊和RS485通訊接口傳輸、接收和存儲溫度數(shù)據(jù).測試結(jié)果表明,所設(shè)計系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了溫度的實時監(jiān)測.

【關(guān)鍵詞】高壓開關(guān)柜;無線模塊;RS485通訊

0引言

在電力系統(tǒng)中,高壓開關(guān)柜將斷路器、互感器及相關(guān)的控制電器、輔助設(shè)備等組合起來,封閉在金屬柜內(nèi),對供電系統(tǒng)的電能進行接受和分配。然而,當(dāng)電路中電流過大時,這種封閉式結(jié)構(gòu)就會導(dǎo)致熱量集結(jié),溫升加劇。若得不到有效散熱,長期在此環(huán)境下運行,就會導(dǎo)致溫升告警、跳閘停電等事故,造成電力系統(tǒng)經(jīng)濟損失,據(jù)統(tǒng)計,每年約有40%的電力事故是由開關(guān)設(shè)備溫升異常造成的,因此,需要采取措施監(jiān)測高壓開關(guān)柜的溫度。目前,常用的測溫方法中人工紅外測溫具有局限性,示溫蠟片不能及時跟蹤溫度。此外,開關(guān)柜內(nèi)環(huán)境惡劣,測溫系統(tǒng)需克服大電流、強磁場等環(huán)境干擾。針對現(xiàn)有測溫手段的缺陷,設(shè)計了一種高壓開關(guān)柜無線溫度監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)溫度實時在線監(jiān)測,可以實現(xiàn)設(shè)備溫升檢測的實時性、有效性,能夠及時發(fā)現(xiàn)溫度異常部位,有效避免事故發(fā)生。

1系統(tǒng)概述

通常溫度采集器安裝在高壓開關(guān)柜需要測溫的節(jié)點部位,包括開斷節(jié)點、母線觸頭及接點等,由6~12個溫度采集器構(gòu)成1個測量集群,每個測量集群采用功耗低、傳輸速率高的nRF24L01無線發(fā)射模塊,將采集到的節(jié)點溫度傳輸?shù)絻x表控制終端,通過RS485通訊接口上傳到上位機.因此,高壓開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)主要包括溫度采集模塊和儀表控制終端兩大部分,由溫度傳感器、nRF24L01無線通信、RS485通信等組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.溫度傳感器采集各測試點溫度,通過無線發(fā)射模塊nRF24L01將溫度數(shù)據(jù)匯集,實時顯示在儀表控制終端界面上.儀表控制終端采用STM32F103嵌入式芯片和RS485通信網(wǎng)絡(luò),對溫度數(shù)據(jù)進行傳輸、接收和存儲,同時具有設(shè)備自檢功能,對超溫數(shù)據(jù)發(fā)出警報。


2硬件設(shè)計

2.1溫度測量模塊

溫度傳感器采用DS18B20,測量溫度范圍從-20℃到120℃,通過主控制器將監(jiān)測到的溫度值傳輸?shù)絥RF24L01無線通信模塊.DS18B20的接口電路如圖2所示.這部分MCU的主要功能是溫度采集和數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)量小,程序內(nèi)容較簡單,因此選擇STM8L051F3P6單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和傳輸控制。


2.2無線收發(fā)模塊

目前,短距離無線通信技術(shù)主要有藍牙、ZigBee、Wi-Fi、CC1101以及nRF24L01等??紤]到高壓開關(guān)柜高壓、大電流和強磁場等特殊的運行環(huán)境,以及控制模塊低功耗、低成本、小型化等技術(shù)要求,無線模塊采用Nordic公司的nRF24L01芯片進行設(shè)計。STM8單片機與nRF24L01無線模塊接口電路如圖3所示,二者之間通過SPI接口進行雙向通信。

2.3儀表控制終端模塊

控制終端電路采用STM32F103為核心進行設(shè)計,主要包括LCD顯示、數(shù)據(jù)存儲與報警、無線通信和RS485通信,如圖1所示。顯示模塊采用2.8寸液晶顯示屏,控制芯片為ILI9341,存儲芯片采用AT24C64,選用帶隔離的RS485通信芯片,能夠有效增強設(shè)備的抗力,保證設(shè)備的穩(wěn)定運行。

控制終端模塊主要功能包括:

(1)12路無線溫度顯示;

  1. 報警溫度限值設(shè)置;

  2. 記錄*近12次很高溫報警數(shù)據(jù),所有數(shù)據(jù)均帶有時標(biāo)記錄;

  3. 通訊地址和波特率設(shè)定功能;

  4. 設(shè)備具有自檢和自動恢

復(fù)功能;

(6)數(shù)據(jù)通訊功能,通過數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)上傳到上一級采集器或者上傳到后臺.

3軟件設(shè)計

3.1溫度采集與發(fā)送模塊程序流程如圖4所示:

(1)溫度達到快速發(fā)送模式(報警溫度-20℃)時,溫度數(shù)據(jù)30s發(fā)送一次;

(2)溫度沒有達到快速發(fā)送模式時,30s進行一次溫度采樣,當(dāng)溫升超過5℃時,才將數(shù)據(jù)發(fā)送給儀表控制終端。

3.2控制終端模塊

儀表控制端程序流程如圖5所示.

  1. 無線模塊接收到采集模塊的溫度數(shù)據(jù),則進行溫度顯示,若溫度達到設(shè)置的報警值,則記錄過溫時間,繼電器動作報警;

  2. 控制終端接收到系統(tǒng)設(shè)置的報文,則對儀表端控制參數(shù)進行設(shè)置;

(3)若是接收到溫度查詢報文,則把溫度值送到儀表控制終端


4測試結(jié)果

由于在系統(tǒng)設(shè)置界面中測溫點數(shù)設(shè)置為12,因此,實時溫度顯示界面對應(yīng)有12路溫度輸出.如圖6(a)~(c)所示為系統(tǒng)儀表控制終端顯示界面。此外,系統(tǒng)設(shè)置界面還可以對配對碼、溫度上下限、通信地址、波特率以及系統(tǒng)時間等進行設(shè)置。設(shè)置溫度報警值為90℃,若實時溫度值超過這一溫度上,將在事件記錄界面記錄此次事件發(fā)生的時間、溫度值以及持續(xù)時間。事件記錄界面共有4頁,可以記錄12次報警事件,圖6(c)顯示的是其中的第1頁。


5安科瑞溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)解決方案

5.1概述

電氣接點在線測溫裝置適用于高低壓開關(guān)柜內(nèi)電纜接頭、斷路器觸頭、刀閘開關(guān)、高壓電纜中間頭、干式變壓器、低壓大電流等設(shè)備的溫度監(jiān)測,防止在運行過程中因氧化、松動、灰塵等因素造成接點接觸電阻過大而發(fā)熱成為安全隱患,提高設(shè)備安全保障,及時、持續(xù)、準(zhǔn)確反映設(shè)備運行狀態(tài),降低設(shè)備事故率。

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)備直接進行通訊,系統(tǒng)設(shè)計遵循國際標(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較大地提高。該系統(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,可以監(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。

5.2應(yīng)用場所

適合在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)、鋼廠、化工、水泥、數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院、機場、電廠、煤礦等廠礦企業(yè)、變配電所等電力設(shè)備的溫度監(jiān)測。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)


溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5.4系統(tǒng)功能

測溫系統(tǒng)主機Acrel-2000T安裝于值班監(jiān)控室,可以遠程監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)所有開關(guān)設(shè)備運行溫度狀態(tài)。系統(tǒng)具有以下主要功能:

  1. 溫度顯示:顯示配電系統(tǒng)內(nèi)每個測溫點的實時值,也可實現(xiàn)電腦WEB/手機APP遠程查看數(shù)據(jù)。


  1. 溫度曲線:查看每個測溫點的溫度趨勢曲線。


  1. 運行報表:查詢及打印各測溫點時間的溫度數(shù)據(jù)。


  1. 實時告警:系統(tǒng)能夠?qū)Ω鳒y溫點異常溫度發(fā)出告警。系統(tǒng)具有實時語音報警功能,能夠?qū)λ惺录l(fā)出語音告警,告警方式有彈窗、語音告警等,還可以短信/APP推送告警消息,及時提醒值班人員。


  1. 歷史事件查詢:能夠溫度越限等事件記錄進行存儲和管理,方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯,查詢統(tǒng)計、事故分析等。


5.5系統(tǒng)硬件配置

溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由設(shè)備層的溫度傳感器和溫度采集/顯示單元,通訊層的邊緣計算網(wǎng)關(guān)以及站控層的測溫系統(tǒng)主機組成,實現(xiàn)變配電系統(tǒng)關(guān)鍵電氣部位的溫度在線監(jiān)測。


6結(jié)論

系統(tǒng)采用STM32F103作為控制核心,無線模塊采用nRF24L01芯片,利用RS485接口的MODBUSRTU協(xié)議在主機和終端設(shè)備之間通訊。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測12路溫度數(shù)據(jù),能夠?qū)缶瘻囟认拗?、通訊地址和波特率等參?shù)進行設(shè)置,對于*近12次很高溫報警數(shù)據(jù),能夠顯示并帶有時標(biāo)記錄。測試結(jié)果驗證了該系統(tǒng)的可行性,提高了開關(guān)柜設(shè)備運行的安全性和可靠性。

參考文獻

[1]郭源.電力高壓開關(guān)柜無源無線測溫關(guān)鍵技術(shù)研究[D].濟南:山東大學(xué),2018.

[2]章俊偉.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在高壓開關(guān)柜測溫中的應(yīng)用研究[J].傳感器世界,2014,20(7):31-34.

[3]陳春.基于紅外測溫的低壓開關(guān)柜一次接插件的溫度監(jiān)測研究[J].機電信息,2017(33):85-86.

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[5]王萍.無線測溫監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].韶關(guān)學(xué)院學(xué)報·自然科學(xué),2022(3):35-38.

[6]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版.

作者簡介

韓歡慶,女,安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向為無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用


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