摘要：如今，電能已成為人類社會(huì)不可或缺的能源。為了在遠(yuǎn)距離輸電過(guò)程中降低傳輸線損耗，提高傳輸功率和距離，人們采用了高壓、超高壓，甚至特高壓輸電。在高壓傳輸設(shè)備中，如高壓開關(guān)、變壓器的某些部位，由于接觸松動(dòng)、材料老化、接觸面不潔等多方面原因，有可能會(huì)導(dǎo)致該部位發(fā)熱升溫，若不及時(shí)解決，就會(huì)加速周圍絕緣材料的老化，甚至引起設(shè)備著火，引發(fā)事故。以往由于沒(méi)有可靠的手段實(shí)時(shí)檢測(cè)觸頭的溫度，而采用定期檢修的方式，因此偶爾會(huì)發(fā)生設(shè)備燒毀、大面積斷電等事故。因此，有必要對(duì)高壓輸電設(shè)備中的一些易升溫部位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦溫度出現(xiàn)異常，就可以迅速進(jìn)行處理，預(yù)防事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：高壓設(shè)備；無(wú)線溫度；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

高壓設(shè)備無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，適用于高壓輸配電系統(tǒng)中的導(dǎo)電觸頭、連接端頭的溫度監(jiān)測(cè)。尤其適合于高壓開關(guān)柜、箱變、電容器和電氣柜等空間狹小的導(dǎo)電接觸部位上使用。還適合于室內(nèi)外環(huán)境，斷路器的操作機(jī)構(gòu)箱，高壓室等需要長(zhǎng)期溫度監(jiān)測(cè)的地方。高壓設(shè)備無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由無(wú)線溫度發(fā)射器、無(wú)線接收器、RS485網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。將感溫元件緊貼在被測(cè)高壓物體的表面，通過(guò)無(wú)線發(fā)射器將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送出去，再由無(wú)線接收器接收保存。當(dāng)設(shè)備的運(yùn)行溫度超過(guò)設(shè)定的溫度值時(shí)，及時(shí)發(fā)出報(bào)警，提醒運(yùn)行人員應(yīng)盡快采取適當(dāng)?shù)拇胧?，防止發(fā)生事故。根據(jù)高電壓作業(yè)環(huán)境下溫度測(cè)量的特點(diǎn)，高壓電氣溫度測(cè)量裝置必須長(zhǎng)期工作在高電壓環(huán)境。為減少高低壓之間的電氣聯(lián)系，采用全數(shù)字方式工作，抗干擾能力強(qiáng)、精度高、體積小的微功率無(wú)線發(fā)射裝置做為溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈y(cè)量的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式傳送到地面接收裝置，以實(shí)現(xiàn)高壓和低壓電氣的隔離。由計(jì)算機(jī)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份和溫度報(bào)警。

1、系統(tǒng)的工作原理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在物理上和功能上均采用分層分布式結(jié)構(gòu)，保證了系統(tǒng)組態(tài)的靈活性和功能配置方便性。系統(tǒng)整體上分為采集層、收集層、監(jiān)測(cè)層三層。第一層是由計(jì)算機(jī)等組成的用戶監(jiān)測(cè)層作為上位機(jī)。第二層是信號(hào)中轉(zhuǎn)機(jī)，由射頻收發(fā)器CC2430構(gòu)成母線溫度采集裝置作為信號(hào)中轉(zhuǎn)機(jī)。第三層是溫度采集器，由數(shù)字溫度傳感器DS18B20、射頻CC2430、天線及電池組成。

1.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式

無(wú)線測(cè)溫終端由高能鋰電池供電，采用全數(shù)字方式工作，溫度傳感器附著在發(fā)熱點(diǎn)上，并由一段數(shù)據(jù)線和測(cè)溫主機(jī)相連接（溫度傳感器和測(cè)溫主機(jī)合稱無(wú)線測(cè)溫終端），該終端附著在高壓電器上，等電位監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。無(wú)線測(cè)溫終端把溫度信號(hào)通過(guò)無(wú)線的方式傳送給無(wú)線匯聚終端，無(wú)線匯聚終端可以接收多個(gè)測(cè)溫終端的數(shù)據(jù)。對(duì)于無(wú)人值守站，無(wú)線匯聚終端把接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)RS232或通過(guò)以太網(wǎng)，把溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)或者視頻監(jiān)控系統(tǒng)，把信息整合在一起，搭建無(wú)縫集成的完整監(jiān)控系統(tǒng)。

2、無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)儀

監(jiān)測(cè)儀的原理如圖1所示。其中，單片機(jī)、無(wú)線收發(fā)電路和編碼開關(guān)的型號(hào)與功能都和節(jié)點(diǎn)相同。開關(guān)電源模塊就近采用220V直流或交流電源供電，經(jīng)電壓調(diào)理電路輸出5V和3.3V浮地直流電源供系統(tǒng)使用。

圖1 無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)儀原理框圖

監(jiān)測(cè)儀選用320×240點(diǎn)陣液晶觸摸屏作為人機(jī)界面，用以顯示各節(jié)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)、電池電量等信息，輸入運(yùn)行、報(bào)警等參數(shù)。監(jiān)測(cè)儀具有報(bào)警輸出功能，提供一個(gè)無(wú)源繼電器觸點(diǎn)輸出，常開、常閉觸點(diǎn)各一個(gè)。系統(tǒng)默認(rèn)節(jié)點(diǎn)報(bào)警溫度閾值為70℃，溫度變化率閾值為10℃。若節(jié)點(diǎn)溫度或溫度變化率越限，則報(bào)警繼電器動(dòng)作，同時(shí)觸摸屏對(duì)應(yīng)顯示項(xiàng)目閃爍。

監(jiān)測(cè)儀采用NXP半導(dǎo)體公司的CAN總線控制芯片SJA1000和收發(fā)器芯片PCA82C252與其他監(jiān)測(cè)儀及監(jiān)測(cè)主機(jī)聯(lián)通，構(gòu)成 CAN 工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)。CAN總線較RS485總線更加先進(jìn)。它在數(shù)據(jù)鏈路層就提供了CRC校驗(yàn)功能，配合屏蔽雙絞線組成開環(huán)網(wǎng)絡(luò)，再采用符合ISO11519-2 標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器芯片PCA82C252，不使用中繼器，網(wǎng)絡(luò)電氣長(zhǎng)度就可達(dá)1km，其抗干擾性能極強(qiáng)。

監(jiān)測(cè)儀一般安裝于開關(guān)柜的二次側(cè)柜門上，與所管理子節(jié)點(diǎn)組成星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，形成一個(gè)子網(wǎng)。為方便網(wǎng)絡(luò)管理，采用了蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，相鄰子網(wǎng)所用通信頻率不同，不相鄰子網(wǎng)可以使用相同頻率。

在節(jié)點(diǎn)控制軟件基礎(chǔ)上，監(jiān)測(cè)儀的軟件增加了觸摸屏控制和CAN 總線通信部分。觸摸屏模塊控制較簡(jiǎn)單，這里不再贅述。監(jiān)測(cè)儀收到節(jié)點(diǎn)發(fā)送的有效數(shù)據(jù)后，馬上返回一個(gè)響應(yīng)幀給對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)，然后將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)上。CAN 總線協(xié)議規(guī)定每幀的數(shù)據(jù)最多為8個(gè)字節(jié)，因此監(jiān)測(cè)儀轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)幀格式定義為：傳感器編號(hào)（4Byte）；溫度數(shù)據(jù)（2Byte）；節(jié)點(diǎn)狀態(tài)（1Byte）；LRC校驗(yàn)碼（1Byte）。其中 LRC 為縱向冗余校驗(yàn)，即前7個(gè)字節(jié)的異或。若CAN 總線網(wǎng)絡(luò)上存在監(jiān)測(cè)主機(jī)，則自動(dòng)接收這幀數(shù)據(jù)，校驗(yàn)無(wú)誤后，用于顯示、判斷、存儲(chǔ)等工作，程序流程如圖 2 所示。

圖2 監(jiān)測(cè)主機(jī)接收數(shù)據(jù)流程圖

3、系統(tǒng)總體建設(shè)分析

基于無(wú)線無(wú)源的高壓設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是由智能溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及警報(bào)系統(tǒng)構(gòu)成，智能溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)傳感器進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在進(jìn)行傳感器的安裝前期會(huì)對(duì)在設(shè)置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，假若內(nèi)部溫度高于標(biāo)準(zhǔn)值就會(huì)觸發(fā)警報(bào)系統(tǒng)，假若內(nèi)部溫度沒(méi)有高于標(biāo)準(zhǔn)值，那么警報(bào)系統(tǒng)還是處于休眠狀態(tài)。鑒于高壓設(shè)備是有很多零部件所組成的，所以在進(jìn)行智能溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)的時(shí)候，就必須對(duì)高壓設(shè)備中容易產(chǎn)生溫度過(guò)高的幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了解，比如高壓設(shè)備的觸點(diǎn)、接口母線或者電路電阻等零部件，在對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行明確之后就可以將設(shè)置到標(biāo)準(zhǔn)值的傳感器安裝在各個(gè)部分。

在傳感器安裝完畢之后，就需要通過(guò)對(duì)高壓設(shè)備無(wú)源無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行最低值的設(shè)置，只要高壓設(shè)備內(nèi)部溫度超過(guò)了這個(gè)設(shè)置的最低值，那么高壓設(shè)備無(wú)源無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生警報(bào)，在系統(tǒng)中并沒(méi)有專門安裝警報(bào)系統(tǒng)（如圖3）。通過(guò)對(duì)高壓設(shè)備進(jìn)行傳感器監(jiān)測(cè)模塊以及警報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)，可以對(duì)高壓設(shè)備過(guò)熱進(jìn)行很好的控制，在一定程度上可以節(jié)約部分人力資源，對(duì)于高壓設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)成本也是一種降低。

4、系統(tǒng)軟硬件建設(shè)分析

高壓設(shè)備無(wú)線無(wú)源溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中使用的主要硬件是SAW 傳感器、無(wú)線傳輸（天線）以及溫度采集器。SAW傳感器是一種溫度傳感器，會(huì)因?yàn)橥饨鐪囟鹊淖兓鴮?dǎo)致表面固有諧振頻率的變化，從而對(duì)溫度實(shí)行測(cè)量。這種傳感器最為核心的部分就是表面波諧振器，在高壓設(shè)備的材料基片中央位置放置一個(gè)交叉換能器，在其兩側(cè)配置兩組周期性組成的多種條件反射器，這樣的設(shè)計(jì)會(huì)使得交叉換能器既可以作為輸出模塊，還可以在有電磁波進(jìn)入的時(shí)候作為接收模塊。通過(guò)合理選擇叉指換能器幾何尺寸、基片晶體材料及切向，可以使溫度系數(shù)的高階項(xiàng)近似為零，實(shí)現(xiàn)固有諧振頻率與溫度的近似線性關(guān)系，只要獲得固有諧振頻率就可確定其溫度。當(dāng)有入射波進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部的時(shí)候，在入射波消失之后就會(huì)產(chǎn)生一種逐漸衰減的震蕩信號(hào)，從而進(jìn)行溫度檢測(cè)，所以SAW傳感器可以作為高壓設(shè)備的無(wú)線無(wú)源溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)器件。

無(wú)線傳輸部分是利用天線來(lái)進(jìn)行傳輸?shù)?，天線可以看成是一種溫度變換器，將高壓設(shè)備內(nèi)部溫度進(jìn)行傳輸，將其和前文所述的溫度傳感器進(jìn)行連接，就可以使高壓設(shè)備內(nèi)部溫度通過(guò)天線傳輸?shù)綔囟葌鞲衅鳎坏囟冗^(guò)高就會(huì)觸發(fā)后面的警報(bào)結(jié)構(gòu)，使之發(fā)出警報(bào)聲。但是這種傳輸方式也存在一定的不足，天線自身在進(jìn)行溫度傳輸?shù)臅r(shí)候會(huì)消耗部分熱能，會(huì)導(dǎo)致溫度傳感器最終接受的溫度和高壓設(shè)備內(nèi)部溫度存在部分誤差。溫度采集器在高壓設(shè)備無(wú)線無(wú)緣溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中主要是負(fù)責(zé)接受來(lái)自溫度傳感器發(fā)出的溫度數(shù)據(jù)，并且通過(guò)對(duì)應(yīng)的科技手段將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)綔囟缺O(jiān)測(cè)中心，這樣就可以使得工作人員隨時(shí)隨地的對(duì)高壓設(shè)備內(nèi)部溫度進(jìn)行精確掌握，對(duì)于高壓設(shè)備溫度平衡也可以進(jìn)行很好的調(diào)節(jié)。編程開發(fā)工具是利用QT平臺(tái)來(lái)進(jìn)行程序的編寫的，在進(jìn)行程序編寫的時(shí)候不需要重新編寫源代碼，只需要對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行一次性開發(fā)，就可以實(shí)現(xiàn)高壓設(shè)備無(wú)源無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其功能，QT通過(guò)其強(qiáng)大的強(qiáng)大的控制功能，對(duì)空間資源進(jìn)行比較方便的控制。

5、結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)，采用了無(wú)線傳輸?shù)姆绞剑鉀Q了高壓設(shè)備和低壓測(cè)量端信號(hào)的隔離問(wèn)題。同時(shí)，該系統(tǒng)具有功耗小、成本低、可靠性高以及體積小和易于安裝等特點(diǎn)，適用于目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有電網(wǎng)。此外，通過(guò)數(shù)據(jù)共享，智能電網(wǎng)系統(tǒng)也可以進(jìn)行電網(wǎng)的分析與監(jiān)控，從而保障電網(wǎng)的正常運(yùn)行。