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(jī)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(qiáng)度，扁平回線-低剩余磁感應(yīng)強(qiáng)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(qiáng)。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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)和無線收發(fā)器進(jìn)行配置，為了防止節(jié)點死機(jī)，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(jī)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(jī)或者由客戶型號的計算機(jī)，后臺軟件采用工控組態(tài)，具有人機(jī)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(jī)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(qiáng)，軟件移植性好，應(yīng)用功能豐富。該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的處理能力，快速的事件響應(yīng)，友好的人機(jī)界面，方便的擴(kuò)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(jī)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(jī)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(jī)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）。可以定義不同級別用戶的 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(jī)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)】

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