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安科瑞電氣股份有限公司
中級(jí)會(huì)員 | 第1年

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系統(tǒng)解決方案
電量傳感器
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淺談基于感應(yīng)取電的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

時(shí)間:2024/7/30閱讀:183
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摘要:電力系統(tǒng)中,各類設(shè)備的開斷接觸點(diǎn),由于制造、環(huán)境污染、觸點(diǎn)氧化、電弧沖擊等原因造成接觸電阻增大,在運(yùn)行時(shí)往往不斷發(fā)熱,溫度不斷上升,給設(shè)備安全運(yùn)行埋下隱患,如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn),容易導(dǎo)致起火或爆炸,造成大量財(cái)產(chǎn)損失。因此,電力設(shè)備的溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)越來(lái)越得到大家的認(rèn)可和重視。傳統(tǒng)的紅外、光纖及有源無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)在安全性、適用性、穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性等方面存在一定的技術(shù)缺陷。感應(yīng)取電無(wú)源無(wú)線溫度在線監(jiān)測(cè)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(cè)溫技術(shù)在安全性、可靠性、穩(wěn)定性、實(shí)用性等方面存在的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞:無(wú)線傳感器;感應(yīng)取電;無(wú)線測(cè)溫;物聯(lián)網(wǎng)

1概述

無(wú)源無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)一般有三部分構(gòu)成:無(wú)源無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)、無(wú)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(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)作為系統(tǒng)的感知層,分布于各個(gè)發(fā)熱點(diǎn),實(shí)時(shí)測(cè)量觸點(diǎn)表面溫度,并將溫度數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)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(guò)485或者無(wú)線等方式傳輸給數(shù)據(jù)后臺(tái),他們形成了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層。數(shù)

據(jù)到達(dá)后臺(tái)后,用戶可以通過(guò)計(jì)算機(jī)組態(tài)界面監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)溫度、歷史曲線,如果出現(xiàn)超溫情況,可以快速定位并及時(shí)通知相關(guān)人員,這就是系統(tǒng)的應(yīng)用層。

2無(wú)源感應(yīng)取電理論依據(jù)

本系統(tǒng)無(wú)源無(wú)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(diǎn)是含有45%~81%的中鎳,Bs=0.7~1.6T,導(dǎo)磁率從5到50萬(wàn),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(wú)源無(wú)線測(cè)溫硬件設(shè)計(jì)

3.1無(wú)源無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

通過(guò)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(cè)、線性穩(wěn)壓為工作電路板供電,電路如圖3所示。

圖 3 無(wú)源無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)電路

測(cè)溫節(jié)點(diǎn)微控制器采用 TI 公司的低功耗無(wú)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(tái)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(jiǎn)化RF 設(shè)計(jì),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(cè)、個(gè)人無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以及自動(dòng)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(cè)。

溫度電路檢測(cè)采用16位高精度可關(guān)斷低功耗數(shù)字傳感器,通過(guò)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(wú)線接收終端電路設(shè)計(jì)

無(wú)線接收終端采用TI公司的CC430F5137無(wú)線單片機(jī)作為控制器,它既可以接受測(cè)溫節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù),也可以通過(guò)無(wú)線方式或RS485把數(shù)據(jù)傳給應(yīng)用層,同時(shí)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(wú)源無(wú)線測(cè)溫傳感器程序設(shè)計(jì)

無(wú)源無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)和無(wú)線接收器程序設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編程,編程要注意的有兩點(diǎn),一是程序開發(fā)規(guī)范、簡(jiǎn)潔、易讀,二是低功耗程序設(shè)計(jì),通過(guò)單片機(jī)和無(wú)線收發(fā)器的休眠以及外圍電路的關(guān)斷,使得整個(gè)電路電流不超過(guò)50微安。

設(shè)計(jì)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)程序時(shí),首先要對(duì)單片機(jī)和無(wú)線收發(fā)器進(jìn)行配置,為了防止節(jié)點(diǎn)死機(jī),設(shè)計(jì)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(cè)設(shè)置;為了防止各個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)出現(xiàn)碰撞,采用隨機(jī)延時(shí)算法;為了降低功耗,對(duì)溫度傳感器芯片進(jìn)行關(guān)斷。

相對(duì)于測(cè)溫節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì),接收器程序無(wú)需考慮低功耗設(shè)計(jì),但需要考慮抗干擾性,主要通訊干擾,采用CRC校驗(yàn)去除無(wú)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(wú)源無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)組態(tài)界面設(shè)計(jì)

無(wú)線測(cè)溫后臺(tái)采用國(guó)內(nèi)品牌工控機(jī)或者由客戶型號(hào)的計(jì)算機(jī),后臺(tái)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(diǎn)。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(wú)線測(cè)溫詳細(xì)圖顯示

6無(wú)源無(wú)線溫度傳感器的安裝調(diào)試與使用

6.1無(wú)源無(wú)線溫度傳感器的安裝方式

無(wú)源無(wú)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(cè);無(wú)源無(wú)線溫度傳感器避免使用電池所帶來(lái)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(dòng)觸頭等狹小的空間內(nèi),所以優(yōu)先推薦安裝動(dòng)觸頭。如圖7所示。

圖 7 動(dòng)觸頭安裝示例

6.2無(wú)源無(wú)線溫度傳感器的使用

由于無(wú)源無(wú)線溫度傳感器主要應(yīng)用于電氣開關(guān)動(dòng)觸頭以及出線母排上,對(duì)應(yīng)變電所或者企業(yè)來(lái)說(shuō)不能頻繁通電斷電操作,故使用前需做產(chǎn)品二次測(cè)試,測(cè)試時(shí)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(diǎn)可自動(dòng)與接收節(jié)點(diǎn)匹配,也需做接收測(cè)試,

多組同時(shí)進(jìn)行無(wú)線傳輸干擾測(cè)試。

7安科瑞無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)介紹與選型

安科瑞無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)當(dāng)前無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的要求,在廣泛征求用戶和家意見(jiàn)的基礎(chǔ)上,充分吸收當(dāng)前國(guó)內(nèi)外廠家的成功案例,并結(jié)合安科瑞多年來(lái)的豐富經(jīng)驗(yàn),采用面向?qū)ο蟮姆謱臃植际皆O(shè)計(jì)思想,結(jié)合自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)而設(shè)計(jì)的一款專業(yè)的無(wú)線測(cè)溫軟件。

7.1 Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)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(jì)遵循國(guó)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(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)具有遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)、遙設(shè)、事件報(bào)警、曲線、棒圖、報(bào)表和用戶管理功能??梢员O(jiān)控?zé)o線測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行狀況,實(shí)現(xiàn)快速報(bào)警響應(yīng),預(yù)防嚴(yán)重故障發(fā)生。

Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)主要特點(diǎn)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(jì)依據(jù)軟件工程的設(shè)計(jì)規(guī)范,模塊劃分合理,接口簡(jiǎn)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(kù)管理系統(tǒng)、通信管理等幾大模塊。

圖8 Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

7.2 Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)功能

■實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

Acrel-2000T無(wú)線測(cè)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(cè)溫節(jié)點(diǎn)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(yùn)行報(bào)表

查詢各回路設(shè)備運(yùn)行溫度報(bào)表.

■實(shí)時(shí)報(bào)警

壁掛式無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控設(shè)備具有實(shí)時(shí)報(bào)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(bào)驚窗口.

b.實(shí)時(shí)語(yǔ)音報(bào)警功能,能夠?qū)λ惺录l(fā)出語(yǔ)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(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ袇叹录涗涍M(jìn)行存儲(chǔ)和管理,方便用戶對(duì)系統(tǒng)和告警等事件進(jìn)行歷史追溯,查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。

■用戶權(quán)限管理

Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。

通過(guò)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(kù)修改等)??梢远x不同級(jí)別用戶的 登錄名、密碼及操作權(quán)限,為系統(tǒng)運(yùn)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(yè)面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(yè)顯示場(chǎng)站的變壓器數(shù)量、回路個(gè)數(shù)、有功功率、無(wú)功功率、用電量、事件記錄等概況信息,可通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線可監(jiān)測(cè)各個(gè)回路的測(cè)點(diǎn)溫度、電壓、電流、功率曲線信息。

接線圖頁(yè)面通過(guò)一次圖實(shí)時(shí)反映電氣參數(shù)變化,包括測(cè)量量、信號(hào)量等信息(信號(hào)量 需要斷路器提供輔助觸點(diǎn)支持)。

能耗統(tǒng)計(jì)頁(yè)面顯示各回路的功率峰值和用電量峰值,功率、電能趨勢(shì)曲線,電能環(huán)比,用電排名。

運(yùn)維管理\通信狀態(tài)顯示監(jiān)測(cè)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(wú)線測(cè)溫終端產(chǎn)品選型

安科瑞電氣接點(diǎn)無(wú)線測(cè)溫方案由無(wú)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(dòng)觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發(fā)熱接點(diǎn),將測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線射頻技術(shù)傳至接收裝置,再由接收器485通訊至測(cè)溫終端或無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)(如圖9)。

圖9 電氣接點(diǎn)在線測(cè)溫結(jié)構(gòu)圖

7.3.1 安科瑞無(wú)線溫度傳感器

無(wú)線溫度傳感器共有5種,分別對(duì)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(duì)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(wú)線收發(fā)器

無(wú)線測(cè)溫收發(fā)器共有3種,通過(guò)無(wú)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(hào)進(jìn)行匹配,同時(shí)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(guò)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(chǎng)及時(shí)查看電氣節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度的同時(shí),也可以通過(guò)RS485或以太網(wǎng)通訊的方式在后臺(tái)系統(tǒng)查看現(xiàn)場(chǎng)情況。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 曹祥紅.應(yīng)用于高壓設(shè)備測(cè)溫系統(tǒng)的感應(yīng)取電電源設(shè)計(jì)[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(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用.

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06版.



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