祁麟 王永寧 黃朝 李倩

【摘要】 設(shè)計和開發(fā)了一套基于聲表面波和Modbus/TCP技術(shù)的開關(guān)柜溫度診斷分析系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了整個系統(tǒng)平臺的總體設(shè)計方案。該平臺包含硬件和軟件兩部分，對傳感器的選用、數(shù)據(jù)交互、系統(tǒng)的組成及功能也做了較為詳細(xì)的闡述。

【關(guān)鍵詞】 聲表面波 Modbus/TCP 數(shù)據(jù)交互

Abstract： In this paper， the author designs and develops a set of temperature diagnosis and analysis system for switch cabinet based on the SAW and Modbus/TCP technology. The overall design scheme of the system platform is introduced in detail. The platform includes the hardware and software. A more detailed description of each part is made including the selection of sensors， data exchange， software modules.

Keywords： SAW， Modbus/TCP， data exchange

一、引言

迄今為止，電網(wǎng)設(shè)備檢修經(jīng)歷了故障維修、定期檢修、狀態(tài)檢修三個階段，作為在電力系統(tǒng)輸電、電能轉(zhuǎn)換和電能消耗中起著控制和保護(hù)電路的開關(guān)柜，實(shí)施狀態(tài)檢修是有必要的。

電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，尤其是傳感器、計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)電力開關(guān)柜越來越不能適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)的發(fā)展要求。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展使人機(jī)對話、系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備間的通信協(xié)作提供了理論基礎(chǔ)[1]。

大多數(shù)高壓開關(guān)設(shè)備采用封閉結(jié)構(gòu)，散熱條件差，而且長時間工作于高電壓、大電流等惡劣環(huán)境中，很容易引起熱量的積累而導(dǎo)致其內(nèi)部溫度升高[2]。常規(guī)的測溫方式覆蓋面低、便利性差，有的無法做到實(shí)時監(jiān)測，有的引入新的安全隱患，導(dǎo)致事故停電火災(zāi)頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計，我國每年發(fā)生電力事故，40%由高壓電氣設(shè)備過熱所致；而在采用高壓開關(guān)柜和電力電纜的供電系統(tǒng)中有70%以上的電纜運(yùn)行故障是因為連接部位接觸電阻變大、過負(fù)荷等引起接頭溫度過高所致。對高壓開關(guān)柜連接點(diǎn)的溫度變化進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測及預(yù)警是非常必要的。

二、系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1系統(tǒng)設(shè)計概述

目前高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測方法主要有CCD攝像頭監(jiān)測示溫蠟片測溫法、紅外測溫法、光纖測溫法和無線網(wǎng)絡(luò)法[3]，由于中壓開關(guān)柜內(nèi)存在大電流、高電壓，電磁環(huán)境極為惡劣等諸多困難因素，現(xiàn)有開關(guān)柜測溫技術(shù)都存在著各種各樣的局限性。本系統(tǒng)采用聲表面波器件，安裝在開關(guān)柜內(nèi)部，長期運(yùn)行不會積污，不會引入新的安全隱患。

開關(guān)柜從內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為儀表室、母線室、開關(guān)室、電纜室，本系統(tǒng)采集模塊可同時采集和監(jiān)測三室（母線室、開關(guān)室、電纜室）的溫度信息。

2.2系統(tǒng)整體方案

既要保證獨(dú)立模塊的高效，又要兼顧整體系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)采用了分層

架構(gòu)設(shè)計。如圖1所示。

傳感器與測量裝置之間采用無線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)交互，為現(xiàn)場安裝提供了便利。

測量裝置與通訊管理機(jī)之間采用CS架構(gòu)，裝置在接收到管理機(jī)主動詢問的測點(diǎn)信息時主動上送各傳感器溫度信息，采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus/TC協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

為更好的進(jìn)行數(shù)據(jù)展示，服務(wù)器與管理機(jī)之間采用BS架構(gòu)，采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus/TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

三、硬件設(shè)計

3.1溫度傳感器

按照電源供給方式不同，無線傳感器可分為三類，采用特殊設(shè)計的聲表（SAW）諧振器，工作時不需要任何電源以及工作在射頻頻段的特性，使得SWA應(yīng)用于骯臟潮濕、核輻射、有爆炸危險的危險環(huán)境具有很大優(yōu)勢[4]。當(dāng)有一個特點(diǎn)頻率的電波輸入到聲表諧振器，諧振器輸出的電波信號頻率會隨著環(huán)境溫度的變化而變化，利用諧振器的這個特性，通過采集諧振器輸出頻率，就可以得到對應(yīng)的環(huán)境溫度。

3.2通訊集中器的設(shè)計

通訊集中器采用高度集成的ARM處理器為核心部件，具有4路隔離串口和兩路快速以太網(wǎng)接口，可以實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備到以太網(wǎng)的自動信息采集和通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，以及基于以太網(wǎng)的通信管理，滿足計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的多種通信需求。

通訊集中器主要是作為現(xiàn)場控制的通信擴(kuò)展 設(shè)備。該裝置既可以通過串口也可以通過以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)與上級系統(tǒng)或與下級設(shè)備通信的功能，根據(jù)需要進(jìn)行組合，給實(shí)際工程應(yīng)用帶來了極大的靈活性。

四、軟件設(shè)計

4.1溫度讀取器軟件

溫度讀取軟件主要分為數(shù)據(jù)收發(fā)、診斷分析、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)回放及信息顯示模塊。模塊結(jié)構(gòu)如下。

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊：該模塊主要負(fù)責(zé)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的讀取。

診斷分析模塊：根據(jù)讀取的測點(diǎn)信息進(jìn)行診斷分析，判斷當(dāng)前的測點(diǎn)狀態(tài)，給出判斷結(jié)果，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的告警值時，裝置進(jìn)行聲光告警。

數(shù)據(jù)保存模塊：為方便查看，所有的溫度信息都進(jìn)行保存。

數(shù)據(jù)回放模塊：可以通過查看保存的歷史溫度信息來判斷開關(guān)柜運(yùn)行情況。

數(shù)據(jù)顯示模塊：通過界面實(shí)時查看當(dāng)前各測點(diǎn)信息及當(dāng)前各點(diǎn)狀態(tài)，輔助現(xiàn)地人員對開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行基本判斷。

4.2通訊集中器軟件

通訊集中器主要完成讀取溫度數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)發(fā)與上送功能。軟件采用CS架構(gòu)與溫度讀取器進(jìn)行交互，采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus/ TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互?；谝蕴W(wǎng)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP技術(shù)發(fā)展起來的Modbus/TCP，直接安插于ISO七層結(jié)構(gòu)中的第四層的TCP/UDP上，其工作原理就是Modbus協(xié)議幀嵌入到TCP/IP下層的協(xié)議幀中，在物理層進(jìn)行傳輸[5]。

為更好的進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)展示，所有的測溫數(shù)據(jù)都集中到集中器進(jìn)行統(tǒng)一上送，統(tǒng)一上送的數(shù)據(jù)既可以作為遠(yuǎn)端監(jiān)控，也為部署在遠(yuǎn)程的云數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

4.3數(shù)據(jù)展示

監(jiān)測計算器在接收到集中器上送的數(shù)據(jù)后，首先把數(shù)據(jù)存入實(shí)時數(shù)據(jù)庫進(jìn)行保存，最后對集中器數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、展示，方便用戶查看。

五、結(jié)語

采用SAW測溫傳感器安全性高、抗干擾能力強(qiáng)，使用Modbus/TCP技術(shù)，傳輸速度高且實(shí)施價格低廉，可更容易地實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控與現(xiàn)場設(shè)備的通信。開關(guān)柜運(yùn)用在線測溫裝置可有效檢測開關(guān)柜內(nèi)部溫度，預(yù)防開關(guān)柜內(nèi)部過熱事故的產(chǎn)生。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 孫健秧，郭建釗，姚良鑄.中壓智能開關(guān)柜技術(shù)綜述及解決方案的探討[J].華東電力， 2012， 40（4）：684-686.

[2] 劉柳，陳建政.高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].無線互聯(lián)科技， 2015（4）：38-40.

[3]黃新波.變電設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷[M].北京：中國電力出版社，2012.

[4] 韓韜，施文康.聲表面波器件在無線傳感系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].光學(xué)精密工程， 2001， 9（6）：576-579.

[5] 翁建年，張浩，彭道剛，李輝 .基于嵌入式ARM的Modbus/TCP協(xié)議的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計算機(jī)軟件與應(yīng)用， 2009， 26（10）：36-38.