电气设备的非接触式测温系统设计

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1系统总体设计

如图1所示，测温系统采用三层通信架构。第一层的测温节点安装在高压电气设备上，负责实时采集电气结点处的温度并通过无线通信方式把信息上报给基站。位于第二层的基站系统包括主基站和从基站，共同实现服务器与测温节点间的双向通信中继。设置两级基站的原因是由于测温节点可能安装在开关柜内部或距离主基站较远的设备上，金属柜体的屏蔽作用和无线通信距离的限制会导致测温节点无法直接与主基站通信，因此在测温节点的无线通信范围内设置从基站作为中继。主从基站之间通过RS485总线进行通信。第三层的服务器可设于变电站控制室或远程控制中心内，通过以太网、GPRS或3G等方式与主基站交换数据。

2系统硬件设计

2．1测温节点

测温节点由红外温度传感器、信号处理电路、单片机、短距无线通信模块和供电电路组成。为了保证测温精度，系统使用Hlplanar公司的红外温度传感器TS118-3［5］采集温度信号。TS118-3由温差热电堆和热敏电阻两部分构成［6］，其中热电堆可等效为多个具有冷热端点的热电偶相串联。在测量物体温度时，热电堆的热端吸收被测物体辐射的红外线并转换为热能，而热电堆把热量成比例地转换为电信号，从而在热电堆的冷热两端形成温差电压。由于热电堆输出的电压信号仅反映被测物体与热电堆冷端之间的温度差，因此还需要通过热敏电阻测出热电堆的冷端温度(即环境温度)，才能得到物体实际温度。TS118-3输出的物理量包括热电堆输出电压和热敏电阻信号。首先，信号处理电路需将热电堆输出的毫伏级电压信号放大至伏特级，再送入单片机进行模数信号转换。信号放大采用了TI公司的OP97集成运算放大器，这主要是由于它的失调电压较小，有助于提高测温精度。其次，由于环境温度是通过热敏电阻值反映出来的，信号处理电路还需将热敏电阻信号转换为模拟电压信号，再送入单片机的ADC得到数字信号。除了温度信息，测温节点还通过分压电路采集供电电压并定时上报给服务器，以便在测温节点电量不足时更换电池。为降低测温节点的功耗，系统选用了TI公司的超低功耗单片机MSP430F5418A［7］作为节点处理器，并在单片机的输入输出端口通过三极管控制数据采集电路、信号处理电路和短距无线通信模块的供电，在有需要的时候才使它们上电工作。此外，为了提高测温节点的可靠性，在电路设计时特别进行了防浪涌和抗静电冲击的设计，包括在供电电路的输出端接上防浪涌冲击的箝位二极管，在单片机有硬件连接的输入输出端口接上专用防浪涌和静电的二极管，把单片机悬空的输入输出端口统一置为高电平等。

2．2短距无线通信模块

由于测温节点使用电池供电且安装在高压电气设备上，因此对测温节点的功耗和体积都有严格的限制。为满足低功耗和微型化的要求，测温节点使用的短距无线通信模块采用Nordic公司的超低功耗2．4GHz射频芯片nRF24L01+［8］和Rainsun公司的2．4GHz陶瓷贴片天线PF1004进行设计。nRF24L01+具有极低的发送/接收/掉电电流，芯片内部集成了自动重发、自动应答、CRC校验等链路层功能，方便开发且具有较高的无线通信可靠性。短距无线通信模块通过SPI接口与单片机通信［9］。如图3所示，CSN为SPI片选信号，SCK为SPI的时钟信号，MOSI/MISO分别是模块的数据输入和与输出。此外，CE和IRQ分别为模块的发送/接收使能信号和中断输出信号。

2．3中继基站

在中继系统中，主基站负责进行以太网数据和RS485数据的相互转换，而从基站负责进行无线数据与RS485数据间的互相转换。如图4所示，主从基站采用同一电路架构，包括单片机、短距无线通信模块、串口转以太网模块、RS232/RS485转换芯片和供电电路，通过开关选择进行无线通信或以太网通信。为了方便单片机软件的复用，基站采用与测温节点相同的单片机进行设计。RS485和RS232信号转换采用的是Maxim公司的MAX3485［10］和MAX3232［11］芯片。相较于陶瓷贴片天线，胶棒天线通常具有更高的增益和较大的尺寸，因此可用于从基站的短距无线通信模块，以提高系统的整体无线通信能力。串口转以太网模块是工控领域的成熟产品，提供RS232串口到TCP/IP网络的双向数据透明传输。本系统采用的是有人科技公司的USR-TCP232-2型串口转以太网模块［12］，它搭载ARM处理器，速度快，稳定性高;集成10/100M自适应以太网接口;集成TCP/IP协议栈，可通过软件配置工作于TCPServer，TCPClient或UDP模式;体积小巧，功耗低。

3系统软件设计

3．1测温节点

测温节点软件采用了低功耗设计以延长其在电池供电的情况下的持续使用时间，基本原则为单片机在中断处理子程序中完成温度采集和通信，在空闲的时候则始终处于低功耗状态。测温节点的软件流程如图5所示。上电后，测温节点首先进行单片机硬件和软件的初始化设置，每5分钟采集1次数据，每小时上报1次数据，随后进入低功耗状态。当到达数据采集时刻时，单片机使数据采集和处理电路上电，使能ADC把采样到的模拟信号转换为数字信号，再计算出温度值。如果温度测量值或升温速度达到报警条件时把温度采集周期缩短为15秒，并立刻使无线通信模块上电，向从基站发送报警数据，在接收到从基站回复后退出定时中断进入低功耗状态。如果测量值低于报警条件但达到预警条件，单片机会将温度采集周期缩短为1分钟，以跟踪温度的变化。如果测量值在正常范围，则单片机保持温度采集周期不变，断开温度采集和处理电路的电源后进入低功耗状态。当触发定时上报中断时，测温节点向从基站上报温度和电量。由于无线通信的可靠性不高，为了保证从基站能接收到测温数据，测温节点如在规定时间内没有接收到从基站应答，则会重复发送数据，直到接收到基站应答或重发次数达到上限为止。

3．2中继基站

从基站的软件流程如图6(a)所示。上电后，从基站首先进行硬件和软件初始化，然后进入空闲等待状态。当触发无线接收中断时，从基站接收并保存节点发送的数据，并按发送节点号查询报警阈值、预警阈值、时间等参数，打包到应答帧中，回复给发送节点。由于测温节点的无线通信模块在空闲时处于断电状态，因此当服务器修改了运行参数后，测温节点无法实时接收调整后的参数。从基站只能在应答节点时携带参数。当接收到主基站数据帧时，从基站首先查看数据帧的类型，如果是轮询数据且从基站有待上报的数据时，就回复数据帧;如果是配置参数或从基站无数据待上报时，则发送应答帧以表示从基站工作正常。主基站的软件处理流程如图6(b)所示。主基站接收到的从基站数据帧包括上报数据和应答2种，如果接收到数据帧，主基站保存数据等待转发给服务器;如果接收到应答帧，主基站则不作处理直接转入空闲状态。服务器发送给主基站的数据帧也分为查询数据和参数配置2种。主基站在接收到服务器数据帧后先进行类型判断，如果是查询数据则把本地保存的节点数据上报给服务器，如果是配置参数则保存参数并广播发送给所有从基站。除了接收从基站和服务器的数据帧，主基站还需定时轮询从基站以获得节点的测温数据。

3．3服务器

为了兼顾电力用户使用习惯和操作便捷性，本系统基于力控ForceControl6．1开发具有组态软件界面风格的网络式后台管理软件。软件采用B/S架构，服务器可设置在变电站现场或远程控制中心，通过网页后，位于同一局域网内的任一计算机可通过浏览器访问软件，进行除停止软件程序外的所有功能，同时实现现场和远程的实时监控。服务器软件具有数据处理、在线监测、图表分析和系统管理等功能，功能模块划分如图7所示。*数据处理:包括服务器与主基站的双向通信、数据包解析以及数据在数据库中的存储。*在线监测:在软件界面上以图形化的方式显示系统连接、监测位置、节点状态和信息曲线等，当节点温度异常或通信故障时会以颜色变化和响铃的方式进行报警。*图表分析:以年/月/日等时间长度统计温度和电量变化。*系统管理:包括配置系统运行参数、记录运行日志、新建修改用户和限制用户权限等。

4测试结果

4．1测温精度

在测温精度测试中，通过IKA加热板实现升温控制，每次升温幅度为20℃左右，稳定10分钟以上，以保证测量点与参考点的温度均匀稳定。测温节点和电偶温度计的测量值分别作为测量温度和参考温度，每个温度测试点测量并记录三组数据。测试结果如表1所示，结果表明节点测温精度在±1℃以内。

4．2高压可靠性

抗高压、耐击穿性能是本系统的设计重点。在测试中，测温节点置于高压铜盘上进行温度测量，定时将测温数据发送给从基站。根据电气设备高压规格，铜盘电压分别设置为0kV、10kV、35kV和100kV。受现场环境限制，无线通信测试距离最远只能达到20米，因此从基站分别在距离节点10/15/20米位置处接收测温节点数据。节点设置每分钟发送一帧数据，每个测试点接收10帧数据，分别测试测温精度、通信质量等指标。测试结果如表2所示，结果表明测温节点在100kV下的不同等级高压下都能可靠地工作。

4．3测温节点功耗

节点功耗也是系统的重要指标，它决定了测温节点的持续工作时间。测温节点在正常工作时可能处于低功耗、数据采集、无线发送和无线接收这4种状态中的一种。在室温下测试满压(3V)时测温节点各状态的持续时间和工作电流，测量结果如表3所示。其中，工作电压由Keithley2400源表提供，电流通过源表电流测试档读取，状态持续时间通过示波器进行测量。测温节点平均电流可用式I=∑4i=1Ii•tiT计算，其中T为定时通信周期，Ii为各状态的工作电流，ti为各状态在单个通信周期内的累计持续时间。低功耗和数据采集状态的累计时间与定时通信周期和定时采集周期有关。在通信周期为1小时、采集周期为1分钟的情况下，可计算得到测温节点的平均电流为36μA。节点可在1000mAh的电池供电的情况下持续工作3年以上。

本文提出了一种新型的变电站电气设备在线测温系统。通过采用非接触式测温、低功耗设计和近距离无线通信等技术，该系统实现了可靠和低功耗的实时温度测量，能24小时在线监测温度，有力保障电气设备的正常运行。

本文作者：李立万媛苏志杰李臻工作单位：中国电子科技集团第三十八研究所