宋兵兵
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801
摘要：電力系統(tǒng)中，各類設(shè)備的開(kāi)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(kāi)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。其外圍電路可參照官方應(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(kāi)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)、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(kāi)關(guān)柜、環(huán)網(wǎng)柜觸頭、刀閘開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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)號(hào)碼發(fā)送吿警信息短信（需選配短信貓）.
■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）。可以定義不同級(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(kāi)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.
作者簡(jiǎn)介：宋兵兵，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)榻^緣監(jiān)測(cè)及剩余電流監(jiān)測(cè)， QQ：3007723194 手機(jī)：13482141563（微信同號(hào)）
