淺談無線測溫監測係統在高壓開關櫃的設計應用

【摘要】針對高壓開關(guan) 櫃需要實時監測溫度的需求，設計了一種無線測溫係統.該係統采用STM32F103為(wei) 主控芯片，利用nRF24L01無線模塊和RS485通訊接口傳(chuan) 輸、接收和存儲(chu) 溫度數據.測試結果表明，所設計係統較好地實現了溫度的實時監測.

【關(guan) 鍵詞】高壓開關(guan) 櫃；無線模塊；RS485通訊

0引言

在電力係統中，高壓開關(guan) 櫃將斷路器、互感器及相關(guan) 的控製電器、輔助設備等組合起來，封閉在金屬櫃內(nei) ，對供電係統的電能進行接受和分配。然而，當電路中電流過大時，這種封閉式結構就會(hui) 導致熱量集結，溫升加劇。若得不到有效散熱，長期在此環境下運行，就會(hui) 導致溫升告警、跳閘停電等事故，造成電力係統經濟損失，據統計，每年約有40%的電力事故是由開關(guan) 設備溫升異常造成的，因此，需要采取措施監測高壓開關(guan) 櫃的溫度。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(guan) 櫃內(nei) 環境惡劣，測溫係統需克服大電流、強磁場等環境幹擾。針對現有測溫手段的缺陷，設計了一種高壓開關(guan) 櫃無線溫度監測係統，該係統能夠實現開關(guan) 櫃內(nei) 溫度實時在線監測，可以實現設備溫升檢測的實時性、有效性，能夠及時發現溫度異常部位，有效避免事故發生。

1係統概述

通常溫度采集器安裝在高壓開關(guan) 櫃需要測溫的節點部位，包括開斷節點、母線觸頭及接點等，由6~12個(ge) 溫度采集器構成1個(ge) 測量集群，每個(ge) 測量集群采用功耗低、傳(chuan) 輸速率高的nRF24L01無線發射模塊，將采集到的節點溫度傳(chuan) 輸到儀(yi) 表控製終端，通過RS485通訊接口上傳(chuan) 到上位機.因此，高壓開關(guan) 櫃無線測溫係統主要包括溫度采集模塊和儀(yi) 表控製終端兩(liang) 大部分，由溫度傳(chuan) 感器、nRF24L01無線通信、RS485通信等組成，係統結構如圖1所示.溫度傳(chuan) 感器采集各測試點溫度，通過無線發射模塊nRF24L01將溫度數據匯集，實時顯示在儀(yi) 表控製終端界麵上.儀(yi) 表控製終端采用STM32F103嵌入式芯片和RS485通信網絡，對溫度數據進行傳(chuan) 輸、接收和存儲(chu) ，同時具有設備自檢功能，對超溫數據發出警報。

2硬件設計

2.1溫度測量模塊

溫度傳(chuan) 感器采用DS18B20，測量溫度範圍從(cong) -20℃到120℃，通過主控製器將監測到的溫度值傳(chuan) 輸到nRF24L01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據傳(chuan) 輸，數據量小，程序內(nei) 容較簡單，因此選擇STM8L051F3P6單片機實現數據存儲(chu) 和傳(chuan) 輸控製。

2.2無線收發模塊

目前，短距離無線通信技術主要有藍牙、ZigBee、Wi-Fi、CC1101以及nRF24L01等。考慮到高壓開關(guan) 櫃高壓、大電流和強磁場等特殊的運行環境，以及控製模塊低功耗、低成本、小型化等技術要求，無線模塊采用Nordic公司的nRF24L01芯片進行設計。STM8單片機與(yu) 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(yi) 表控製終端模塊

控製終端電路采用STM32F103為(wei) 核心進行設計，主要包括LCD顯示、數據存儲(chu) 與(yu) 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，控製芯片為(wei) ILI9341，存儲(chu) 芯片采用AT24C64，選用帶隔離的RS485通信芯片，能夠有效增強設備的抗幹擾能力，保證設備的穩定運行。

控製終端模塊主要功能包括：

（1）12路無線溫度顯示；

1. 報警溫度限值設置；

2. 記錄*近12次很高溫報警數據，所有數據均帶有時標記錄；

3. 通訊地址和波特率設定功能；

4. 設備具有自檢和自動恢

複功能；

（6）數據通訊功能，通過數據總線將數據上傳(chuan) 到上一級采集器或者上傳(chuan) 到後台.

3軟件設計

3.1溫度采集與(yu) 發送模塊程序流程如圖4所示：

（1）溫度達到快速發送模式（報警溫度-20℃）時，溫度數據30s發送一次；

（2）溫度沒有達到快速發送模式時，30s進行一次溫度采樣，當溫升超過5℃時，才將數據發送給儀(yi) 表控製終端。

3.2控製終端模塊

儀(yi) 表控製端程序流程如圖5所示.

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

2. 控製終端接收到係統設置的報文，則對儀(yi) 表端控製參數進行設置；

（3）若是接收到溫度查詢報文，則把溫度值送到儀(yi) 表控製終端

4測試結果

由於(yu) 在係統設置界麵中測溫點數設置為(wei) 12，因此，實時溫度顯示界麵對應有12路溫度輸出.如圖6（a）~（c）所示為(wei) 係統儀(yi) 表控製終端顯示界麵。此外，係統設置界麵還可以對配對碼、溫度上下限、通信地址、波特率以及係統時間等進行設置。設置溫度報警值為(wei) 90℃，若實時溫度值超過這一溫度上，將在事件記錄界麵記錄此次事件發生的時間、溫度值以及持續時間。事件記錄界麵共有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安科瑞溫度在線監測係統解決(jue) 方案

5.1概述

電氣接點在線測溫裝置適用於(yu) 高低壓開關(guan) 櫃內(nei) 電纜接頭、斷路器觸頭、刀閘開關(guan) 、高壓電纜中間頭、幹式變壓器、低壓大電流等設備的溫度監測，防止在運行過程中因氧化、鬆動、灰塵等因素造成接點接觸電阻過大而發熱成為(wei) 安全隱患，提高設備安全保障，及時、持續、準確反映設備運行狀態，降低設備事故率。

Acrel-2000T無線測溫監控係統通過RS485總線或以太網與(yu) 間隔層的設備直接進行通訊，係統設計遵循國際標準Modbus-RTU、Modbus-TCP等傳(chuan) 輸規約，安全性、可靠性和開放性都得到了較大地提高。該係統具有遙信、遙測、遙控、遙調、遙設、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能，可以監控無線測溫係統的設備運行狀況，實現快速報警響應，預防嚴(yan) 重故障發生。

5.2應用場所

適合在泛在電力物聯網、鋼廠、化工、水泥、數據中心、醫院、機場、電廠、煤礦等廠礦企業(ye) 、變配電所等電力設備的溫度監測。

5.3係統結構

溫度在線監測係統結構圖

5.4係統功能

測溫係統主機Acrel-2000T安裝於(yu) 值班監控室，可以遠程監視係統內(nei) 所有開關(guan) 設備運行溫度狀態。係統具有以下主要功能：

1. 溫度顯示：顯示配電係統內(nei) 每個(ge) 測溫點的實時值，也可實現電腦WEB/手機APP遠程查看數據。

1. 溫度曲線：查看每個(ge) 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據。

1. 實時告警：係統能夠對各測溫點異常溫度發出告警。係統具有實時語音報警功能，能夠對所有事件發出語音告警，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. 曆史事件查詢：能夠溫度越限等事件記錄進行存儲(chu) 和管理，方便用戶對係統事件和報警進行曆史追溯，查詢統計、事故分析等。

5.5係統硬件配置

溫度在線監測係統主要由設備層的溫度傳(chuan) 感器和溫度采集/顯示單元，通訊層的邊緣計算網關(guan) 以及站控層的測溫係統主機組成，實現變配電係統關(guan) 鍵電氣部位的溫度在線監測。

6結論

係統采用STM32F103作為(wei) 控製核心，無線模塊采用nRF24L01芯片，利用RS485接口的MODBUSRTU協議在主機和終端設備之間通訊。實驗結果表明，該係統能夠實時檢測12路溫度數據，能夠對報警溫度限值、通訊地址和波特率等參數進行設置，對於(yu) *近12次很高溫報警數據，能夠顯示並帶有時標記錄。測試結果驗證了該係統的可行性，提高了開關(guan) 櫃設備運行的安全性和可靠性。

安科瑞侯文莉