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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增大,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(rèn)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,有效的解決了傳統(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(dá)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(dāng)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(biāo)如表1所示:
表 1 常用薄膜合金帶性能指標(biāo)
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(hù)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)、能量采集、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(jìn)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(jìn)入休眠模式三,進(jìn)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(jìn)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(xì)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(dāng)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(jìn)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(dāng)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(dāng)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)計的一款專業(yè)的無線測溫軟件。
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(jìn)行通信(如圖8),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。
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?qū)λ袇叹录涗涍M(jìn)行存儲和管理,方便用戶對系統(tǒng)和告警等事件進(jìn)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(hù)、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(jìn)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(xiàn)】
[1] 曹祥紅.應(yīng)用于高壓設(shè)備測溫系統(tǒng)的感應(yīng)取電電源設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2013,13(28).
[2] 劉濤,唐培林.基于感應(yīng)取電的無線測溫系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用.
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