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淺談基于感應取電的無線測溫系統(tǒng)設計與應用

時間:2024/7/30閱讀:192
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摘要:電力系統(tǒng)中,各類設備的開斷接觸點,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增大,在運行時往往不斷發(fā)熱,溫度不斷上升,給設備安全運行埋下隱患,如果不及時發(fā)現(xiàn),容易導致起火或爆炸,造成大量財產(chǎn)損失。因此,電力設備的溫度在線監(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缺陷。感應取電無源無線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)在高壓電力設備上得到廣泛應用,有效的解決了傳統(tǒng)測溫技術在安全性、可靠性、穩(wěn)定性、實用性等方面存在的問題。

關鍵詞:無線傳感器;感應取電;無線測溫;物聯(lián)網(wǎng)

1概述

無源無線測溫系統(tǒng)一般有三部分構成:無源無線測溫節(jié)點、無線溫度接收終端、數(shù)據(jù)服務器及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人員,這就是系統(tǒng)的應用層。

2無源感應取電理論依據(jù)

本系統(tǒng)無源無線取電應用法拉第電磁定律,充分利用高壓開關柜內(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。母線作為取電感應器的一次側線圈,取電線圈作為取電感應器的二次側線圈,組成取電電路,二次側處于短路工作狀態(tài),相當于電流互感器。

圖2變壓器模型

取電電路關鍵在于導磁材料的選擇,該電路選擇了1J85型薄膜合金帶,薄膜合金帶是一款高導磁合金材料,其特點是含有45%~81%的中鎳,Bs=0.7~1.6T,導磁率從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-高初始磁導率,矩形回線-高剩余磁感應強度,扁平回線-低剩余磁感應強度。高磁感且高磁導率低損耗,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計

3.1無源無線測溫節(jié)點電路設計

通過感應線圈取電后,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)復雜性、將封裝與印刷電路板尺寸縮小 50%,又可簡化RF 設計,從而將包括 RF 網(wǎng)絡、能量采集、工業(yè)監(jiān)控與篡改檢測、個人無線網(wǎng)絡以及自動抄表基礎設施 (AMI)等在內(nèi)的應用的水平。其外圍電路可參照應用手冊。

溫度電路檢測采用16位高精度可關斷低功耗數(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)傳給應用層,同時它還可以完成人機交互控制,包括設置操作按鍵和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計

無源無線測溫節(jié)點和無線接收器程序設計采用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,二是低功耗程序設計,通過單片機和無線收發(fā)器的休眠以及外圍電路的關斷,使得整個電路電流不超過50微安。

設計測溫節(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斷。

相對于測溫節(jié)點程序設計,接收器程序無需考慮低功耗設計,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)界面設計

無線測溫后臺采用國內(nèi)品牌工控機或者由客戶型號的計算機,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)全面、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用于高低壓開關柜、環(huán)網(wǎng)柜觸頭、刀閘開關、高壓電纜接頭、干式變壓器、低壓大電流柜等電氣設備的溫度在線監(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用于電氣開關動觸頭以及出線母排上,對應變電所或者企業(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上,充分吸收當前國內(nèi)外廠家的成功案例,并結合安科瑞多年來的豐富經(jīng)驗,采用面向對象的分層分布式設計思想,結合自動化技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術、通信技術而設計的一款專業(yè)的無線測溫軟件。

7.1 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結構

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)通過RS485總線或以太網(wǎng)與間隔層的設備直接進行通信(如圖8),系統(tǒng)設計遵循國際標準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、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能??梢员O(jiān)控無線測溫系統(tǒng)的設備運行狀況,實現(xiàn)快速報警響應,預防嚴重故障發(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)結構,硬件兼容性強,軟件移植性好,應用功能豐富。該系統(tǒng)具有強大的處理能力,快速的事件響應,友好的人機界面,方便的擴充手段。其軟件系統(tǒng)的設計依據(jù)軟件工程的設計規(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)結構圖

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

查詢各回路設備運行溫度報表.

■實時報警

壁掛式無線測溫監(jiān)控設備具有實時報警功能,設備能夠對溫度越限等事件發(fā)出告警。

■設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,能夠對所有事件發(fā)出語音告警.

C.短信吿警,可以向手機haoma發(fā)送吿警信息短信(需選配短信mao).

■歷史告警査詢

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠對所有吿警事件記錄進行存儲和管理,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,設置了用戶權限管理功能。

通過用戶權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作(如數(shù)據(jù)庫修改等)。可以定義不同級別用戶的 登錄名、密碼及操作權限,為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

■定值設置

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)設備的通信狀態(tài)。

■手機APP(可選)

設備數(shù)據(jù)員面顯示各設備的電參量數(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構圖

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。

【參考文獻】

[1] 曹祥紅.應用于高壓設備測溫系統(tǒng)的感應取電電源設計[J].科學技術與工程,2013,13(28).

[2] 劉濤,唐培林.基于感應取電的無線測溫系統(tǒng)設計與應用.

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版.



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