張闊,趙清軍,宋紹江

(天津市電力公司,天津 300450)

基于LabView和無線通信技術開關柜的溫度在線監(jiān)測

張闊,趙清軍,宋紹江

(天津市電力公司,天津 300450)

為了能夠實現(xiàn)實時監(jiān)測開關柜的溫度狀況,提出一種基于LabView和無線通信技術的開關柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。針對開關柜特殊的構造特點設計了無線傳感器測量觸頭溫度,并本著縮小體積,延長使用壽命的原則利用電池和超級電容給系統(tǒng)供電。上位機監(jiān)控系統(tǒng)操作簡單,人機交互方便,針對串口通信設計了通信協(xié)議,提高了串口通信的可靠性。

開關柜;溫度;LabView;在線監(jiān)測;無線通信

1 前言

開關柜是電力系統(tǒng)的重要設備,起到通斷、保護和控制等作用[1],以輸送和倒換電力負荷,保證電力系統(tǒng)安全退出故障設備和線路[2]。然而高壓開關柜在長期的運行中,因其高壓接點部位受環(huán)境濕度、溫度、電弧沖擊、接觸電阻大以及超負荷運行等原因造成部分絕緣老化發(fā)熱現(xiàn)象,溫度不斷上升,會給設備的安全運行埋下隱患,如果不能及時處理,可能會導致開關柜、電纜接頭等爆炸事故,造成大量的財產(chǎn)損失,所以針對上述問題對開關柜的溫度監(jiān)測尤為重要[3-4]。

由于開關柜的特殊環(huán)境,監(jiān)控系統(tǒng)應滿足以下要求：

1)能夠長時間穩(wěn)定工作,無需經(jīng)常性更換電池;

2)可適應復雜的電磁噪聲環(huán)境;

3)體積輕便,方便部署在開關柜各個位置;

4)盡量保留現(xiàn)有系統(tǒng),避免對原有電力設備的改造;

5)監(jiān)測具有較高的可靠性。

針對以上問題,國內外許多科研機構及高校都對開關柜溫度監(jiān)測方法進行了大量的研究。常用的監(jiān)測方法主要有無線傳感網(wǎng)絡監(jiān)測、光纖測溫[5]、紅外測溫[6]等幾種方式。

紅外非接觸式測溫是高壓運行設備測溫最常用的方式,是利用物體相對輻射強度與溫度之間存在特定的關系。這種傳感器與測量設備不接觸,對設備的運行沒有影響,解決了高壓隔離以及傳感器環(huán)境的問題。但是這種方式只可以測量在傳感器直視范圍內測量點的溫度,不適合開關柜這種結構復雜的設備,且無法實現(xiàn)在線監(jiān)測。傳感器離目標較遠,易受外界因素影響,故測量精度較低。

光纖測溫具有良好的絕緣性能和抗干擾,探頭可埋設在電力設備內部的高壓選定部位,直接測出該點的實際溫度,因而得到了較為廣泛的使用。但其本身易折斷,不耐高溫,且光纖測溫儀在柜內的安裝和改造比較麻煩,布線難度較大,存在灰塵爬電的可能,且不滿足長期監(jiān)測的要求。

近年來出現(xiàn)了采用無線傳感器網(wǎng)絡進行溫度采集的監(jiān)測系統(tǒng),通過無線通訊方式進行高壓隔離和信號傳輸。無線通信固有的絕緣和抗電磁場干擾性能從根本上解決了高壓開關柜結構復雜、觸點運行溫度不易監(jiān)測的難題,方便部署,對原有電力設備影響小,滿足了非接觸監(jiān)測的要求[7]。

文中采用了無線傳感器網(wǎng)絡對開關柜進行溫度監(jiān)測,溫敏電阻傳感器不受復雜電磁環(huán)境的影響,電池與感應取電聯(lián)合供電保證了溫敏電阻傳感器節(jié)點工作的穩(wěn)定性,測溫傳感節(jié)點通過無線方式與上位機實時通信,上位機軟件實時觀察開關柜內的溫濕度值,當開關柜觸頭或環(huán)境溫度超過閾值時,上位機軟件將及時進行報警處理。

2 系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)分為三個部分,測溫單元、無線主節(jié)點和上位機監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 測溫系統(tǒng)總框圖

溫敏電阻傳感器電池電量有限,則大多數(shù)時間均處于睡眠狀態(tài),平均發(fā)送周期較長,發(fā)送間隔由主節(jié)點分配。

主節(jié)點長期處于接收狀態(tài),實時接收溫敏電阻傳感器節(jié)點信息。當接收到溫敏電阻傳感器節(jié)點的信息后,主節(jié)點將根據(jù)當前的溫敏電阻傳感器節(jié)點數(shù)目及上個節(jié)點到來的時間為傳感器計算下次傳送的時隙,并向子節(jié)點發(fā)送包含時隙信息的應答信息。當接收到溫濕度傳感器節(jié)點的信息后,主節(jié)點將回復應答信息防止多次發(fā)送。

主節(jié)點接收到兩種節(jié)點上傳的溫度信息后立即通過RS232串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機,由上位機軟件統(tǒng)一進行顯示、存儲、報警。上位機還可向主節(jié)點主動發(fā)送命令信息,以改變網(wǎng)絡上傳周期等參數(shù)。

3 溫度測量單元設計

溫度測量單元上電后對單片機與無線芯片進行初始化,在完成寫參數(shù)后,使用A/D讀取當前溫度值,并交由CC1101無線芯片進行發(fā)送。節(jié)點在發(fā)送結束后立刻轉換到接收狀態(tài),等待100 ms,若100 ms內接收到主機的應答數(shù)據(jù)包,則從數(shù)據(jù)包中讀取出睡眠時間,進入睡眠模式;若 100 ms內未接收到主機的應答數(shù)據(jù)包,則從新發(fā)送數(shù)據(jù)。若三次發(fā)送內成功接收到主節(jié)點的應答信號,則認為通信成功,節(jié)點睡眠等待下一個周期的發(fā)送;若三次發(fā)送均未得到應答,則認為發(fā)生了頻偏等其他問題,節(jié)點將進行自動重啟。溫度測量單元與主節(jié)點工作流程如圖2所示。

圖2 溫度測量單元軟件流程圖

主節(jié)點上電初始化后,便一直處于接收狀態(tài)。當接收到一個數(shù)據(jù)包后,首先讀取命令字節(jié),確定是哪種傳感器節(jié)點發(fā)來的信息,再根據(jù)情況發(fā)送應答信號。發(fā)送完應答信號后,主節(jié)點會立即通過串口向上位機發(fā)送此節(jié)點的所有信息,保證服務器可以實時監(jiān)控所有開關柜的溫濕度狀態(tài)。

供電模塊電路如圖3所示。本設計采用電池與超級電容感應取電配合的供電方式,保證了節(jié)點的長時間運行。采用電流互感器從母排耦合出電流,利用整流橋將交流變成直流,利用穩(wěn)壓管將整流橋電壓限制恒定在3.6V,對電容充電。如果電容充滿電高于電池電壓,D4導通,對設備供電;如果電容充電電壓低于電池電壓,D4截至,D5導通,電池對設備供電。

圖3 供電模塊電路設計

4 服務器監(jiān)控軟件設計

上位機軟件基于LabVIEW開發(fā)平臺設計,上位機主要實現(xiàn)了與下位機主節(jié)點的通信,接收主節(jié)點上傳的溫度信息,并進行溫度過高預警、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示。用戶可根據(jù)需要對歷史數(shù)據(jù)進行查看,并可向測溫單元下發(fā)重啟指令。上位機界面操作簡單,人機交互方便,登錄系統(tǒng)及管理員設置保證了系統(tǒng)操作的安全性。

4.1 串口通信協(xié)議設計

主節(jié)點與上位機通過RS232串口連接,為了防止數(shù)據(jù)區(qū)和起始字符和結束字符發(fā)生沖突,設計了一套串口通信協(xié)議,提高了串口通信的可靠性。

系統(tǒng)基于RS232串口通信建立與下位機主節(jié)點通信系統(tǒng),接收下位機的監(jiān)測數(shù)據(jù),可以實時下發(fā)控制信號、監(jiān)測參數(shù)信息等。圖4所示為RS232通信系統(tǒng)接收的流程圖,圖 5所示為RS232通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖。

圖4 RS232接收數(shù)據(jù)流程圖

圖5 RS232發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖

通信系統(tǒng)波特率設置為9 600,8個數(shù)據(jù)位, 1個停止位,無奇偶校驗,通過串口中斷實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀出和寫入。系統(tǒng)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)格式為結構體,即每次通信下位機從上位機接收一組或者多組結構體數(shù)據(jù),或下位機往上位機上傳一組或多組結構體數(shù)據(jù)。通信格式幀如表1所示。

表1 通信系統(tǒng)通信格式

為了防止數(shù)據(jù)區(qū)和起始字符和結束字符發(fā)生沖突,對數(shù)據(jù)區(qū)進行數(shù)據(jù)處理。假設數(shù)據(jù)區(qū)有三個字節(jié)a、b、c,不夠三個字節(jié)補空字節(jié),各個字節(jié)信息如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)區(qū)移位前數(shù)據(jù)格式

對a、b、c進行如下移位處理：

按照上面代碼移位后存儲位四個字節(jié)排列如表3所示：

表3 數(shù)據(jù)區(qū)移位后數(shù)據(jù)存儲格式

這樣三個字節(jié)用四個字節(jié)存儲,每個字節(jié)高兩位空,然后移位的存儲字節(jié)值加上ANSII‘=’值,這樣每個字節(jié)值避免了與起始位、結束位相同,數(shù)據(jù)區(qū)不會出現(xiàn)起始位和結束位。這樣可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)以幀的形式發(fā)送,利用串口中斷方式,容易識別數(shù)據(jù)起始數(shù)據(jù),結束數(shù)據(jù),然后對數(shù)據(jù)區(qū)進行移位處理,還原數(shù)據(jù)等。為了保證數(shù)據(jù)可靠性,在數(shù)據(jù)區(qū)結束后加CRC效驗,進一步保證數(shù)據(jù)的可靠性。接收數(shù)據(jù)按照上面的協(xié)議進行移位還原數(shù)據(jù)。

上位機接收到一幀數(shù)據(jù)后,根據(jù)通信協(xié)議對幀進行校驗。若校驗成功,通知數(shù)據(jù)處理、顯示模塊提取數(shù)據(jù),最后將數(shù)據(jù)保存到指定的內存和文件。

4.2 監(jiān)測系統(tǒng)上位機設計

為了保證不丟失上傳數(shù)據(jù)包,利用數(shù)據(jù)生產(chǎn)者-消費者循環(huán)來完成串口數(shù)據(jù)的處理;為了提高系統(tǒng)的處理效率和界面響應速度,利用事件生產(chǎn)者-消費者循環(huán)來完成用戶對界面的操作。

當發(fā)生溫度過高的危險情況,則進行聲音報警并彈出溫度過高警報界面顯示溫度過高的箱柜號、節(jié)點編號、節(jié)點類型 (A表示溫敏電阻傳感器節(jié)點、B表示溫濕度傳感器節(jié)點)、溫度值、濕度值 (若為溫濕度傳感器節(jié)點)及上傳時間。

5 結束語

設計了一套開關柜觸頭溫度的在線監(jiān)測系統(tǒng),針對開關柜特殊的構造特點設計了無線傳感器測量觸頭溫度,并本著縮小體積,延長使用壽命的原則利用電池和超級電容給系統(tǒng)供電。上位機監(jiān)控軟件設計,操作簡單,人機交互方便,登錄系統(tǒng)及管理員設置保證了系統(tǒng)操作的安全性。針對串口通信設計了通信協(xié)議,提高了串口通信的可靠性。

[1] 徐東晟,許一聲.高壓開關柜觸頭溫度在線監(jiān)測的研究[J].高壓電器,2001,37(1)：54-55.

[2] 宋梁,溫秀峰.高壓開關柜溫度在線監(jiān)測研究 [J].電氣開關,2012,3：32-34.

[3] 苑舜.高壓開關設備狀態(tài)監(jiān)測與診斷技術 [M].北京：機械工業(yè)出版,2001.

[4] 胡春海,鄒曉紅,王玉田.光纖熒光溫度傳感器用于高壓設備溫度在線監(jiān)測的研究 [J]..工業(yè)儀表與自動化裝置,2004,(5)：53-54.

[5] L.Balgard,L.Lundin.Monitoring Primary Circuit Temperature and Breakers Condition in MV Substations[J].ABB Review 1993(3)：21-26.

[6] Huang Xiping,Wang Xin,Qiang Wen.Development of Online Monitoring Equipment of Medium Voltage Switchgear[J] .The Eighth International Conference on Electronic Measurement and Instruments,2007(3)：388-392.

[7] 劉建勝,綁達,張凡.一種用于變電站高壓觸點溫度在線監(jiān)測的新方法 [J].電力系統(tǒng)自動化,2004,28(4).

Temperature of Switchgear On-line Condition Monitoring System Based on Labview and Wireless Communication

ZHANG Kuo,ZHAO Qingjun,SONG Shaojiang
(State Grid Tianjin Electric Power Company,Tianjin 300450)

In order to monitor the switchgear temperature in real-time,a temperature monitoring system based on LabView and wireless communication is presented in this paper.Considering the switchgear special construction features,a wireless sensor is designed to measure the temperature of the contact.The batteries and super capacitors is utilized to supply power to the system with the principle of reducing volume,extending the use of life cycle.PC monitoring system is simple,and convenient for human-computer interaction.A serial communications protocol is designed to improve the reliability of serial communication.

switchgear;temperature;LabView;On-line detecting;wireless communication

TM561.5

B

1006-7345(2014)03-0093-04

2014-02-24

張闊 (1986),男,碩士,助理工程師,天津市電力公司,從事配電運行與維護方面研究工作 (e-mail)zhangkuo0505@sina.com。

趙清軍 (1970),男,本科,工程師,天津市電力公司,從事配電運行與維護方面研究工作。

宋紹江 (1971),男,本科,中級技師,天津市電力公司,從事配電運行與維護方面研究工作。