李 強(qiáng)，連垚杰

（山西長治供電公司調(diào)控中心，山西長治 046000）

0 引言

變電站作為電力傳輸中最為重要的一個環(huán)節(jié)設(shè)備復(fù)雜且數(shù)量眾多，溫度是衡量設(shè)備與系統(tǒng)是否在正常運行的重要指標(biāo)。近些年來，我國發(fā)生多次因為設(shè)備接頭高溫異常而導(dǎo)致的設(shè)備運行故障造成的大面積停電事故，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前我國大部分的變電站接頭設(shè)備的溫度監(jiān)控主要是依靠人工使用紅外測溫儀來實現(xiàn)，近些年也出現(xiàn)了很多電力設(shè)備接頭溫度檢測的新技術(shù)[1-6]。使用人工方式的紅外測溫技術(shù)主要依靠值班人員的責(zé)任心對測試點進(jìn)行溫度測量，不能對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的監(jiān)控，有很大的主觀性。另外，紅外測溫儀能夠準(zhǔn)確得到溫度數(shù)據(jù)，設(shè)備必須具有正確反射率，在人工測量的過程中這樣勢必會影響測試數(shù)據(jù)的可靠性。在人工測試的過程中，有些設(shè)備的接頭處于密封的環(huán)境，使用紅外測溫儀就無法得到全面的溫度數(shù)據(jù)。

針對以上問題，本文提出使用遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)監(jiān)測的方式對設(shè)備的接頭進(jìn)行實時的監(jiān)測。以Sim?pliciT1協(xié)議為支撐，將低功耗的溫度傳感器感知的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線通信與傳輸，數(shù)據(jù)被傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的實時監(jiān)控中心，進(jìn)行分析與監(jiān)測。另外，為了使監(jiān)控系統(tǒng)能夠具有更大的兼容性，本文設(shè)計了系統(tǒng)的USB接口電路。軟件設(shè)計中采用了模塊化的設(shè)計方法完成監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計，系統(tǒng)具有了反饋異常及時報警的功能。數(shù)據(jù)存儲中本文使用的是SQL server技術(shù)，關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫的引入保證數(shù)據(jù)的存儲與抽取性能可靠。實際的系統(tǒng)測試證明，本系統(tǒng)在不同的空間時間維度中都能表現(xiàn)出數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確、傳輸可靠的性能，具有很強(qiáng)的實用價值。

1 設(shè)備接頭溫度監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

變電站的設(shè)備運行在不可預(yù)知的環(huán)境中，溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該能夠盡可能的具有抵抗各種室外惡劣環(huán)境的穩(wěn)定性能。本文中的變電站電力設(shè)備接頭溫度監(jiān)控中采用了模塊化的設(shè)計，每一個模塊通過不同的通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與共享。這種設(shè)計方法能夠保證系統(tǒng)的模塊獨立性，便于維護(hù)與進(jìn)行擴(kuò)展。變電站溫度監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計分為數(shù)據(jù)采集模塊、無線傳感網(wǎng)絡(luò)支撐模塊、遠(yuǎn)程信息管理模塊等三個模塊。圖1為其系統(tǒng)圖。

溫度采集模塊主要是將DS18B20溫度傳感器安裝在變電站的重點監(jiān)控的設(shè)備的接頭，這種傳感器最大的好處就是內(nèi)置了模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)了輸出信號的全數(shù)字化，數(shù)字化的輸出便于外圍單片機(jī)支持電路的設(shè)計，這種傳感器使用單總線的數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)約了單片機(jī)接口。因為變電站設(shè)備接頭的工作溫度范圍在一個較大的范圍內(nèi)，DS18B20的溫度范圍,在的范圍內(nèi)精度可以保持在左右，這樣的溫度測量的精度，可以保證在不同的環(huán)境下變電站設(shè)備接口的溫度測量的精確。

圖1 接頭溫度監(jiān)控系統(tǒng)圖

無線網(wǎng)絡(luò)支撐模塊本系統(tǒng)選取的是SimpliciT1通信協(xié)議作為支撐，使用CC1100進(jìn)行硬件通信支撐，因為網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點的中繼作用在整個無線網(wǎng)絡(luò)中的重要性，本系統(tǒng)在設(shè)計的過程中盡量將網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點安裝在一些環(huán)境較好的地方這樣可以對其進(jìn)行很好地保護(hù)。CC1100是一種低成本的收發(fā)器，其體積較小、功耗低、性能優(yōu)良適合在變電站接頭溫度監(jiān)控系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)中使用。

遠(yuǎn)程信息管理模塊主要負(fù)責(zé)對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，對一些異常的數(shù)據(jù)進(jìn)行形象展示與報警。在系統(tǒng)的擴(kuò)展模塊中本系統(tǒng)設(shè)置了USB接口以保證被系統(tǒng)可以具有更強(qiáng)大的兼容性。

數(shù)字式溫度傳感器感知數(shù)據(jù)以后，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的控制傳輸?shù)綗o線網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，上位機(jī)通過信息管理程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分類，對一些異常的數(shù)據(jù)要進(jìn)行重點標(biāo)注。USB擴(kuò)展接口的設(shè)計可以使系統(tǒng)能夠具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性能，為其他系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐服務(wù)。

2 設(shè)備接頭溫度監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

溫度監(jiān)控的硬件系統(tǒng)與系統(tǒng)的總體設(shè)計模塊相符合，根據(jù)系統(tǒng)的要求在各個獨立的模塊中通過接口化設(shè)計逐步將支撐硬件細(xì)化，將系統(tǒng)的功能映射到具體的硬件中。

在數(shù)據(jù)的采集終端使用的傳感器是以電池供電的方式進(jìn)行的，電源部分采用了SPX1117-3.3芯片，這種芯片可以實現(xiàn)穩(wěn)定的3.3 V的電壓供電，本系統(tǒng)采用這種電源為單片機(jī)控制芯片與CC1100供電。

圖2中的E1與E6是兩個極性電解電容，為了保持足夠快的上電速度，這兩個電容的取值不宜過大。為了防止電源接反，本文引入了肖特基二極管D11。這種電源可以為LM3S1138型單片機(jī)進(jìn)行供電外還要進(jìn)行CC1100無線模塊的供電。

圖2 電源供電電路圖

在收發(fā)模塊的支撐電路中，本文設(shè)計了使用電阻R171來設(shè)置偏電流，晶體振蕩器選擇了26 M的高精度外部晶體，晶體的引腳包括2個電容，在本外圍電路的設(shè)計中所有的電容都選取的是高精度的電容，并且每一個電源的引腳都要經(jīng)過退偶處理。因為本文的硬件系統(tǒng)采用的都是模塊化的設(shè)計，各個模塊中間使用的是接口設(shè)計進(jìn)行模塊連接與系統(tǒng)的信息傳輸。本系統(tǒng)中的接口通信主要包括CC1100與LM3S1138型單片機(jī)之間的接口與LM3S1138單片機(jī)與PC機(jī)之間的通信接口兩個部分。

圖3是CC1100的接口電路，在實際的電路設(shè)計中只需要相應(yīng)的端口連接起來就可以了。

圖3 收發(fā)模塊與單片機(jī)接口電路

圖4是LM3S1138單片機(jī)與PC機(jī)的通信接口電路，從電源的設(shè)計中可知，單片機(jī)的電壓為3.3 V，上位機(jī)的工作電壓在12 V，本系統(tǒng)使用了MAX3232芯片實現(xiàn)工作電平的轉(zhuǎn)換，該芯片的周圍有五個電容共同組成了電荷泵，電荷泵提供了12 V的上位機(jī)工作電壓。

圖4 上位機(jī)串口通信電路

經(jīng)過以上的溫度監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計后，在上位機(jī)終端以前的數(shù)據(jù)傳輸就可以通過接口的連接后到達(dá)上位機(jī)，數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)程控制中心采用的存儲結(jié)構(gòu)使用的是SQL server技術(shù)，關(guān)系數(shù)據(jù)庫可以很方便地對數(shù)據(jù)進(jìn)行安全性存儲于調(diào)取，硬件的支撐保證了軟件可以更為方便地進(jìn)行溫度的監(jiān)控，本文在信息管理系統(tǒng)中設(shè)計得了變電站設(shè)備接頭中的溫度分析提示功能，在一些溫度較高與過低的情況下及時進(jìn)行預(yù)警，保證工作人員及時處理故障，預(yù)防事故的發(fā)生。

2.3 接口溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文的軟件架構(gòu)是基于μC/OS-II系統(tǒng)進(jìn)行軟件分層設(shè)計的，這種系統(tǒng)的代碼簡單功耗低，對使用電源供電的傳感器節(jié)點與無線網(wǎng)絡(luò)支撐芯片可以實現(xiàn)更好的低功耗運行。這種系統(tǒng)架構(gòu)可以實現(xiàn)各種應(yīng)用性的模塊化設(shè)計，獨自開發(fā)的應(yīng)用程序可以重復(fù)使用在一般的軟件服務(wù)中。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計中將整個軟件的設(shè)計按照分層的思想分為用戶應(yīng)用層、中間繼承層、硬件驅(qū)動層幾個部分。在應(yīng)用程序的設(shè)計中，本文使用的C++面向?qū)ο蟮脑O(shè)計語言來進(jìn)行對象與函數(shù)的封裝，這樣在整個系統(tǒng)的升級兼容切換中只需要改變相應(yīng)的封裝模塊代碼就可以通過接口來實現(xiàn)升級。用戶在使用系統(tǒng)的過程中只需要對自身的應(yīng)用關(guān)心而不需要關(guān)系函數(shù)與對象內(nèi)部的調(diào)用規(guī)則與流程。本文設(shè)計了一個對象類來專門實現(xiàn)函數(shù)的調(diào)用與數(shù)據(jù)的抽取。軟件封裝對象的設(shè)計思想能夠?qū)⒄麄€系統(tǒng)清晰地進(jìn)行分層，便于后期的模塊化升級與更新維護(hù)。

軟件的用戶應(yīng)用層的功能主要包括數(shù)據(jù)的存儲、數(shù)據(jù)的報警展示、系統(tǒng)的運行日志維護(hù)；中間繼承層管理層與層之間的通信其中包括3個消息隊列、FatFS文件系統(tǒng)、日歷，在驅(qū)動層中主要包括系統(tǒng)的各種硬件與接口的驅(qū)動。

軟件的設(shè)計框架如圖5所示。

圖5 軟件整體框架設(shè)計

用戶在遠(yuǎn)程的控制中心使用端口只需要關(guān)注異常的設(shè)備接口溫度數(shù)據(jù)，不必關(guān)注軟件控制系統(tǒng)中函數(shù)的調(diào)用與對象的封裝形式。中間繼承層的多個消息隊列保證了隊列的服務(wù)通信機(jī)制，F(xiàn)atFS文件系統(tǒng)保證了歷史數(shù)據(jù)的存儲文件化，提供了FAT文件系統(tǒng)的功能，提供了標(biāo)準(zhǔn)的程序接口。驅(qū)動層的程序?qū)⒂布O(shè)備的驅(qū)動程序進(jìn)行封裝，保證了數(shù)據(jù)的采集傳輸與存儲的可靠性。

如圖6所示，安裝在接頭的溫度傳感器周期性地感知溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集的周期可以再單片機(jī)的程序中進(jìn)行設(shè)定，數(shù)據(jù)采集后通過無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支撐傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)被傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的控制中心中，遠(yuǎn)程的控制中心存儲了監(jiān)控到的溫度數(shù)據(jù)，并且對一些異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報警。

圖6 系統(tǒng)工作軟件流程

3 系統(tǒng)測試

為了驗證本報警系統(tǒng)的性能，本文在某地的不同海拔的變電站在不同時間進(jìn)行了溫度數(shù)據(jù)的測量，將平臺的溫度傳感器安裝在變電站的設(shè)備上，使用NS2網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測軟件對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能的測試，遠(yuǎn)程的控制中心系統(tǒng)基于Windows XP系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)被存儲在SQL server中。

3.1 無線網(wǎng)絡(luò)的性能測試

無線網(wǎng)絡(luò)的性能測試主要集中在不同的系統(tǒng)啟動時間后，網(wǎng)絡(luò)的性能表現(xiàn)，主要有包括網(wǎng)絡(luò)延時與丟失包數(shù)的測定，本系統(tǒng)中設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)使用數(shù)據(jù)分包的方式發(fā)送，每個數(shù)據(jù)包攜帶的數(shù)據(jù)設(shè)定為10 K，遠(yuǎn)程控制中心使用網(wǎng)絡(luò)測試工具對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)性能得到的數(shù)據(jù)表見表1。

表1 網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)測試表

測試后的無線網(wǎng)絡(luò)性能在網(wǎng)絡(luò)延遲與丟失包數(shù)的性能指標(biāo)上都符合變電站設(shè)備接頭溫度控制系統(tǒng)的要求。

3.2 不同的溫度下系統(tǒng)的性能測試

因為變電站的設(shè)備接頭處在不同的溫度下進(jìn)行工作，不同溫度下的系統(tǒng)性能是描述一個系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)，表2是在不同的溫度下系統(tǒng)展示出的性能。

由表2可見在一些極端的溫度下網(wǎng)絡(luò)的延時與丟包數(shù)都發(fā)生了一些變大的情況，但是整個網(wǎng)絡(luò)的性能都符合系統(tǒng)的要求。

3.3 不同海拔下的網(wǎng)絡(luò)性能測試

因為野外的儲油罐經(jīng)常會面對一些復(fù)雜的環(huán)境，溫度是衡量環(huán)境的重要性能，本文在系統(tǒng)測試階段將設(shè)備存放在不同的溫度中在不同的時間段內(nèi)進(jìn)行性能測試，測試的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表3所示：

表3 不同海拔下的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)表

由表3可知經(jīng)過不同溫度下的設(shè)備運行測試都可以滿足溫度數(shù)據(jù)的采集要求。

4 結(jié)束語

本文分析了目前大多數(shù)的變電站仍然采用人工選擇性的紅外測溫儀進(jìn)行溫度測量，造成數(shù)據(jù)噪聲大、準(zhǔn)確率低、不能及時發(fā)現(xiàn)高溫異常數(shù)據(jù)，事故處理被動的缺點。提出使用無線測溫的方式進(jìn)行實時的溫度監(jiān)控，在設(shè)備的接頭安裝溫度傳感器，使用SimpliciT1對溫度傳感器感知的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中繼傳輸，在監(jiān)控中心設(shè)計了溫度監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行接頭的實時數(shù)據(jù)展示與分析。實際測驗證明，該系統(tǒng)可以工作的不同的外部環(huán)境下，有較高的數(shù)據(jù)監(jiān)控準(zhǔn)確率，使用NS2測試后網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定，具有很強(qiáng)的實用價值。

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