梁凱斯

摘要：本文針對中高壓電力開關設備溫度在線監(jiān)測的需求，基于溫差發(fā)電技術、熱力學仿真技術、低功耗電源管理技術、測溫芯片技術、信號無線傳輸技術、網(wǎng)絡通訊技術、組態(tài)軟件應用技術，研制開發(fā)了數(shù)字式無源無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)。傳統(tǒng)的電力設備主要是接觸式和非接觸式兩種測溫方式，非接觸式是指日常的紅外測溫方法，這種測溫方式比較傳統(tǒng)，但是在最后的測溫結果很容易受環(huán)境的影響，不是十分的準確，另外一種是接觸式的方式，這種測溫效果比較準確，在精度上也相對提高。但是前提是要保證電源和傳輸信號的穩(wěn)定。

關鍵詞：數(shù)字溫度傳感器溫差發(fā)電低功耗設計

一、電力系統(tǒng)設備溫度監(jiān)測的必要性

在社會經濟建設發(fā)展的今天，由于各行各業(yè)對電力的需求，相對電力系統(tǒng)對電力供電可靠性的要求越相應的嚴格提高，我國在相關行業(yè)中的調查也發(fā)現(xiàn)在電力運行中的中高壓電力設備，很多故障的發(fā)生都是操作機構引起的，特別是配電設備的開關柜中插頭接觸不好，和長期運行的結果，還有就是配電設備各連接點接觸處由于長期過載高溫引起的故障；容易發(fā)生電力事故和長時間的停電，造成更大的損失，因而為了減少此類事故故障的發(fā)生，有必要在中高壓配電設備中實施溫度監(jiān)控，在超過額定溫度時會實行報警警示，這樣就有效的控制設備的運行壽命，提高供電可靠，確保電力設備和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

二、電力系統(tǒng)設備溫度監(jiān)測的現(xiàn)狀

電力系統(tǒng)中高壓開關柜等設備一般安裝于室內及地下室，外加全密封柜體保護，這樣就會使內部操作機構等長期在溫度高的環(huán)境下持續(xù)運行。加上在這樣的高電壓和大電流通過的環(huán)境中，必須要監(jiān)測儀器和被監(jiān)測對象間進行有隔離，溫度監(jiān)測技術當前存在的問題主要包括以下兩個方面：

1）傳感器前端電源如何解決的問題：

由于電力系統(tǒng)中高壓開關柜等設備一般安裝于室內及地下室，外加全密封柜體保護，內部溫度高，長期通過電流大，周邊的環(huán)境復雜，這樣在選接電源時要考慮其散熱等情況。一種是使用社會上普通的電池，由于這種電池有一定的壽命使用時間，無法連續(xù)不斷長時間供電，也不能確保能不能忍受到封閉式室內的環(huán)境，也需要通過系統(tǒng)定時地工作來滿足功耗需求。另外一種是使用光伏電池，如果是使用光伏電池的話，就需要在室內要有長期的燈光照明來保證其光伏電池的能量儲備來源。這樣的話，就會對室內照明系統(tǒng)造成影響，減少其使用壽命。萬一剛好照明電源壞了，沒有及時發(fā)現(xiàn)的話，就不能提供光源給光伏電池，這樣就會使監(jiān)測系統(tǒng)在監(jiān)測過程中中斷，不能實時的監(jiān)測到中高壓開關設備的溫度。

在現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡中，傳感器節(jié)點大部分使用電池供電的方式。目前商用的電池壽命普遍2-5年，需要定期更換或維護，增加了傳感器節(jié)點的維護成本。很多低功率無線傳感器和控制器的供能系統(tǒng)正在逐步采用其他方式來源代替，利用物理電源產生電能轉換正在成為許多應用領域的適用電源，當然也是無線傳感器供能方式的探求方向。因此結合現(xiàn)有使用環(huán)境（監(jiān)測發(fā)熱電氣連接點溫度）開發(fā)一種熱電能量收集系統(tǒng)為無線傳感器節(jié)點供電成為可能。

2）如何解決信號的傳輸；

目前傳統(tǒng)的信號傳輸方式是通過有線線路來解決，但是在電力系統(tǒng)中，容易受到電磁等干擾，要解決高低壓電位的隔離問題，這時仍采用有線傳輸?shù)姆绞骄秃芾щy。

國內外目前對于電力系統(tǒng)中中高壓開關設備溫度的在線監(jiān)測，主要采用非接觸式和接觸式兩種方式，非接觸式是指日常普通的紅外測溫，則使用特定的儀器對要被測對象進行定點定時的測量，其主要是通過遠外紅波來判斷要測量點的溫度，這樣就會增加工作人員的工作時間和工作任務。特別是紅外測溫槍、紅外測溫儀等儀器，是很多國內外專家研究的課題，因為這是一種對運行設備的溫度變化的直接測量方式，會受到很多的因素影響，比如距離、視角、點對點的準確性。而且紅外測溫沒有辦法穿透柜體等實物，需要打開設備，這樣存在著一定的設備和人身安全風險。再者，就是在測量過程中容易受到距離、視角、點對點的準確性影響，會對測量的結果產生偏差，無法百分百之準確。另外一種接觸式的測量將能取得更高的精度，而且可以采用高集成度的數(shù)字式溫度傳感器方便地低成本地實現(xiàn)溫度監(jiān)測（溫度小于155℃）。與紅外測溫技術相比較，接觸式的測溫技術還不易受到安裝條件的限制，抗干擾能力更強，成本也低了很多，比較適合于在開關柜內部使用。

本文將溫差發(fā)電技術、熱力學仿真技術、低功耗電源管理技術、測溫芯片技術、信號無線傳輸技術、網(wǎng)絡通訊技術等專業(yè)來制開發(fā)數(shù)字式無源無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)。本文研究的溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用測溫芯片測溫，溫差發(fā)電芯片和電源管理電路供電?？紤]到故障時開關柜內部母線導電連接處溫度變化是一個相對緩慢的過程，因此系統(tǒng)可以采用定時測溫（1分鐘一次）的方式，另外，發(fā)射機采用了低功耗設計，最大限度的降低了對發(fā)電芯片環(huán)境溫差的要求，并通過2.4G或433M無線頻段傳輸數(shù)據(jù)，與其他方法相比成本低廉、體積小，可靠性高，測量的精度也能夠得到了很好的保證。這樣無源無線傳感器通過無線信號在由天線接收到信息后激勵振蕩器啟動工作，當信號接近振蕩器的工作頻率時，振蕩器儲能達到了最大，而且其反射信號也達到了峰值，讀卡器在問詢信號斷開后，振蕩器持續(xù)振蕩時接收到應答信號，調解并監(jiān)測信號的幅度，以此來獲取傳感器應答信號的幅度-頻譜分布，再根據(jù)幅度-頻譜分布，可以計算出當前的工作頻率，并通過計算得到對應的溫度值。

第二個重要的環(huán)節(jié)就是保證測量的精度，在分析數(shù)據(jù)時，也要對數(shù)據(jù)在傳輸過程中的的可靠性進行研究分析，主要關注的技術條件有以下幾點：

1）首先要考慮的是傳感器是無需供電的，而且安裝維護要簡單，必須安全可靠，接著就是無電池使用壽命問題的。

2）傳感器與讀卡器之間是采用無線通信的，在室內室外、惡劣天氣下均可以安全的使用，傳感器采用差值方式計算溫度，長期使用無頻偏等問題出現(xiàn)。

3）考慮到測試系統(tǒng)是用于監(jiān)測加以高電壓，通以大電流的母線電連接處的溫度，電子線路都處于強磁場、強電場甚至出現(xiàn)電暈現(xiàn)象的環(huán)境中，因此在使用過程中必須支持軟件報警、本地聲光報警和短信報警等。

四、小結

本文主要研究了基于溫差發(fā)電技術、熱力學仿真技術、低功耗電源管理技術、測溫芯片技術、信號無線傳輸技術、網(wǎng)絡通訊技術、組態(tài)軟件應用技術的數(shù)字式無源無線信號傳輸電力設備溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。針對現(xiàn)有各種溫度測量方式的缺陷，對系統(tǒng)的硬件、軟件、結構進行了設計，并對其在開關設備溫度在線監(jiān)測中應用的可行性進行了實驗驗證。