崔 莉， 周宇浩， 張 益， 査申森

(1.南京工程學(xué)院 a.工業(yè)中心； b.電力工程學(xué)院，江蘇 南京 211167; 2.江蘇省電力公司鹽城供電公司，江蘇 鹽城 224000； 3.江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 211102)

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電力電纜智能溫度巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔 莉1a， 周宇浩1b， 張 益2， 査申森3

(1.南京工程學(xué)院 a.工業(yè)中心； b.電力工程學(xué)院，江蘇 南京 211167; 2.江蘇省電力公司鹽城供電公司，江蘇 鹽城 224000； 3.江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 211102)

針對(duì)電力電纜測(cè)溫不便、巡檢效率低、數(shù)據(jù)管理水平不高等不足，開發(fā)一種電力電纜智能溫度巡檢系統(tǒng)。系統(tǒng)由非接觸式溫度采集裝置、智能終端、巡檢數(shù)據(jù)管理平臺(tái)三部分組成。溫度采集裝置基于Arduino單片機(jī)開發(fā)，采用MLX90614紅外溫度傳感器實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)溫，可同時(shí)采集目標(biāo)溫度與環(huán)境溫度，采用藍(lán)牙通信協(xié)議將溫度信息自動(dòng)發(fā)送至智能終端?；贏ndroid移動(dòng)平臺(tái)開發(fā)智能終端，具備3G通信和GPS定位授時(shí)功能，實(shí)現(xiàn)溫度與GPS信息的整合，并為巡檢人員提供巡檢線路導(dǎo)航。基于配電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)(GIS)，構(gòu)建了巡檢數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

電力電纜； 紅外測(cè)溫； 巡檢系統(tǒng)； GIS

0 引 言

隨著城市和大中型企業(yè)的供電系統(tǒng)越來越多地采用電力電纜輸配電，電纜的運(yùn)行狀態(tài)正影響著輸配電系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全。電力電纜的絕大部分故障，如：壓接點(diǎn)接觸不良、絕緣老化、過載、短路等，都會(huì)通過發(fā)熱的形式表現(xiàn)[1-2]，因此電纜的溫度是表征電纜運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)[3]，通過定期的溫度巡檢能有效監(jiān)控和預(yù)測(cè)故障的發(fā)生，可有效提高供電靠性。

電纜的溫度檢測(cè)系統(tǒng)主要分為在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和手持巡檢系統(tǒng)。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控，適用于埋設(shè)于地下的電力電纜，一般是一條線路一個(gè)系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)區(qū)域的監(jiān)測(cè)[4-6]；且監(jiān)測(cè)點(diǎn)無(wú)法覆蓋整條電纜，一般只對(duì)壓接點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[7-8]；系統(tǒng)靈活性差，無(wú)法滿足故障檢修的要求。手持溫度巡檢系統(tǒng)也是電力電纜巡檢不可或缺的，可以彌補(bǔ)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足，其特有的靈活性，可有效適應(yīng)電纜的定期巡檢與故障檢修[9]。目前的手持溫度巡檢系統(tǒng)主要采用接觸式測(cè)溫，處于安全考慮電纜都鋪設(shè)于人員無(wú)法直接接觸的位置，因此測(cè)溫非常不方便，且直接接觸電纜存在觸電危險(xiǎn)；對(duì)被測(cè)點(diǎn)的溫度信息、地理位置和時(shí)間，需手工輸入巡檢終端，手工輸入費(fèi)時(shí)費(fèi)力且容易出錯(cuò)，降低了巡檢效率；終端中的數(shù)據(jù)需待巡檢完成后，使用數(shù)據(jù)線導(dǎo)入巡檢數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，所以巡檢終端與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)同步。

本文針對(duì)手持溫度巡檢系統(tǒng)的不足，設(shè)計(jì)了一種電力電纜智能溫度巡檢系統(tǒng)?；诩t外測(cè)溫技術(shù)、Arduino平臺(tái)、藍(lán)牙通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種溫度采集器，實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)溫?；贏ndroid移動(dòng)平臺(tái)，結(jié)合GPS技術(shù)、嵌入式GIS技術(shù)，開發(fā)了一種智能移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)溫度、地理坐標(biāo)、時(shí)間信息的整合，實(shí)時(shí)回傳巡檢數(shù)據(jù)，GPS巡檢導(dǎo)航?；谂潆娋W(wǎng)GIS系統(tǒng)， 構(gòu)建了巡檢數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電力電纜溫度數(shù)據(jù)的GIS管理，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的分析能力。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

整個(gè)系統(tǒng)由溫度采集裝置、Android智能終端、巡檢數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)三部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。溫度采集器采集電纜溫度信息，并通過藍(lán)牙將溫度信息發(fā)送至智能終端；智能終端整合溫度信息與時(shí)間地理坐標(biāo)，通過3G網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送至巡檢數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，并可為巡檢人員提供導(dǎo)航；巡檢數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)給智能終端發(fā)送巡檢任務(wù)，管理采集到的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 溫度采集器設(shè)計(jì)

基于Arduino Mega 2560控制器開發(fā)，集成MLX90614紅外溫度傳感器、激光瞄準(zhǔn)器、CZ-HC05藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)溫、激光瞄準(zhǔn)、與Android智能終端的藍(lán)牙通信。

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

溫度采集裝置的硬件原理圖見圖2。

圖2 溫度采集器電路原理圖

MLX90614紅外溫度傳感器采用金屬封裝，同時(shí)集成了紅外感應(yīng)熱電堆探測(cè)器芯片MLX81101和專門用于處理紅外傳感器輸出信號(hào)的集成芯片MLX90302。由于集成了低噪聲放大器、17位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理芯片，使得溫度分辨率為達(dá)到0.01 ℃。MLX90614出廠校準(zhǔn)的溫度范圍為：環(huán)境溫度-40～125 ℃，物體溫度-70～382.2 ℃。物距比為12∶1，測(cè)量的溫度為視場(chǎng)里所有物體溫度的平均值，MLX90614室溫下的標(biāo)準(zhǔn)精度為±0.5 ℃。計(jì)算所得物體溫度和環(huán)境溫度存儲(chǔ)在MLX90302的RAM單元，通過兩線SMBus兼容協(xié)議接口或是10位PWM模式輸出，本設(shè)計(jì)采用SMBus模式。SCL、SDA管腳對(duì)應(yīng)連接Arduino的SCL、SDA接口，由于 MLX90614的輸入輸出接口是漏級(jí)開路結(jié)構(gòu)，需要加上拉電阻。VDD電源端可直接連接3.3 V輸出端，VSS接GND[10-11]。

CZ-HC05是一款高性能的主從一體藍(lán)牙串口模塊，可以同各種帶藍(lán)牙功能的電腦、藍(lán)牙主機(jī)、手機(jī)、PDA等智能終端配對(duì)，該模塊支持非常寬的波特率范圍：4 800～1 382 400，并且模塊兼容5 V或3.3 V單片機(jī)系統(tǒng)，通信距離10 m。在該系統(tǒng)中使用從模式，Android智能終端作為主機(jī)。RXD、TXD依次連接Arduino的TXD和RXD，VCC連接3.3 V輸出端。

激光瞄準(zhǔn)器為紅色點(diǎn)狀定位，波長(zhǎng)650 nm，功率5 mW，供電電源5 V，驅(qū)動(dòng)電流小于40 mA；VCC、GND分別連接Arduino的5 V電源輸出端與GND。

工作原理：打開電源開關(guān)K1，Arduino控制器上電開始工作，程序開始執(zhí)行。Andriod智能終端搜索藍(lán)牙設(shè)備，選中CZ-HC05藍(lán)牙模塊，輸入密碼配對(duì)成功。調(diào)整溫度采集器與物體的距離，以保證視場(chǎng)不會(huì)超出被測(cè)物體的大小。調(diào)整好距離后按下觸發(fā)按鈕，此時(shí)激光瞄準(zhǔn)器會(huì)發(fā)出激光，將激光點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物體，由于激光瞄準(zhǔn)器與MLX90614安裝在一起，此時(shí)激光點(diǎn)就是MLX90614視場(chǎng)的中心，按住觸發(fā)按鈕持續(xù)幾秒鐘，溫度采集器每隔200 ms采集一次溫度，并通過藍(lán)牙發(fā)送至Andriod智能終端。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

Arduino的編程語(yǔ)言是基于C/C++語(yǔ)言而開發(fā)的，其實(shí)質(zhì)是基礎(chǔ)的C語(yǔ)言，Arduino語(yǔ)言只不過把AVR單片機(jī)相關(guān)的一些寄存器參數(shù)設(shè)置等都函數(shù)化了，不用我們?nèi)チ私馑牡讓?，因此使用非常方便。溫度采集器的主程序如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

在初始化的過程中完成變量的定義、端口和波特率的設(shè)置等。程序不斷地檢測(cè)是否有觸發(fā)信號(hào)，只有檢測(cè)到了觸發(fā)信號(hào)，才會(huì)使MLX90614開始測(cè)溫，并讀取溫度數(shù)據(jù)。MLX90614中的溫度數(shù)據(jù)分為高字節(jié)(DataH)和低字節(jié)(DataL)，需要對(duì)這兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的運(yùn)算才能得到真實(shí)的攝氏溫度，計(jì)算公式如下：

Data=[(DataH&0X007F)<<8]+DataL

TempData=[(Data×0.02)-0.01]-273.15

得到攝氏溫度后執(zhí)行藍(lán)牙發(fā)送程序，由于藍(lán)牙模塊和Arduino是通過串口相連，因此藍(lán)牙發(fā)送程序與串口輸出程序是一致的。完成一次測(cè)溫后，延遲200 ms重新循環(huán)執(zhí)行，由程序可知測(cè)溫的次數(shù)是由觸發(fā)按鍵被按下的時(shí)間決定的。

多個(gè)MLX90614可以用于一個(gè)系統(tǒng)中，通過不同地址區(qū)分器件。因此在多MLX90614系統(tǒng)中，需要給每個(gè)MLX90614分配一個(gè)不同的地址，器件默認(rèn)的地址為5AH。讀取數(shù)據(jù)的流程如圖4所示。從MLX90614讀取數(shù)據(jù)是以Byte為單位進(jìn)行的，讀取每個(gè)Byte的數(shù)據(jù)操作程序流程如圖5所示。每次發(fā)送1個(gè)字節(jié)(按位發(fā)送，發(fā)送8個(gè)bit就是一個(gè)Byte)，然后判斷對(duì)方是否有應(yīng)答，如果有應(yīng)答，就接著發(fā)送下一個(gè)Byte；如果沒有應(yīng)答，多次重發(fā)該Byte，直到有應(yīng)答，再發(fā)送下一個(gè)Byte，如果多次重發(fā)后，仍然沒有應(yīng)答就結(jié)束。

圖4 讀取數(shù)據(jù)流程

圖5 每個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)操作流程

3 Andriod智能終端開發(fā)

該智能終端是基于Andriod移動(dòng)平臺(tái)而開發(fā)，其功能結(jié)構(gòu)如圖6所示。藍(lán)牙模塊接收溫度采集器的溫度的信號(hào)，這些溫度信號(hào)的時(shí)間間隔是200 ms，考慮溫度采集器進(jìn)入和退出采集程序時(shí)的穩(wěn)定性，因此剔除首尾不穩(wěn)定的信號(hào)，對(duì)剩余信號(hào)作均值處理。GPS模塊接收地理位置信息，一方面，用于整合溫度、地理坐標(biāo)和時(shí)間；另一方面，結(jié)合嵌入式GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中的輸電線路圖，將巡檢人員實(shí)時(shí)位置標(biāo)注在巡檢圖中，實(shí)現(xiàn)為巡檢人員導(dǎo)航的功能[12,13]。整合后的信息，一方面，存入嵌入式GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，標(biāo)注在輸電線路巡檢圖上，使巡檢人員一目了然；另一方面，利用3G模塊發(fā)送至巡檢數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。考慮到智能終端的內(nèi)存有限，無(wú)法容納所有線路的巡檢圖，因此根據(jù)每次任務(wù)的不同，利用3G網(wǎng)絡(luò)從巡檢數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)下載巡檢圖。

圖6 Andriod智能終端功能結(jié)構(gòu)圖

4 巡檢數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于配電網(wǎng)GIS系統(tǒng)，結(jié)合Android智能終端接口模塊和溫度數(shù)據(jù)分析模塊，構(gòu)建了巡檢數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)[14-15],如圖7所示。

圖7 巡檢數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

配電網(wǎng)GIS系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，管理所有該配網(wǎng)中電力電纜的溫度巡檢數(shù)據(jù)。Android智能終端接口模塊具有3G通信功能，智能終端可通過該模塊訪問配電網(wǎng)GIS系統(tǒng)，下載GIS巡檢地圖；實(shí)時(shí)接收智能終端采集到的巡檢信息，存入配電網(wǎng)GIS系統(tǒng)?？蛻舯O(jiān)控終端可以調(diào)取配電網(wǎng)GIS系統(tǒng)中的每條電力電纜的巡檢記錄，數(shù)據(jù)以巡檢地圖的方式呈現(xiàn)，按照不同的地理坐標(biāo)，將巡檢信息直接標(biāo)注在電力電纜線路上，一目了然。監(jiān)控人員如需對(duì)巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，可調(diào)用數(shù)據(jù)分析模塊。數(shù)據(jù)分析模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某一點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)按時(shí)間的縱向?qū)Ρ?，并繪制出溫度變化趨勢(shì)圖；也可實(shí)現(xiàn)對(duì)整條線路按地理坐標(biāo)的橫向?qū)Ρ?，?biāo)注出溫度異常點(diǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種電力電纜紅外溫度采集器，開發(fā)了智能移動(dòng)終端，并基于配電網(wǎng)GIS系統(tǒng)構(gòu)建了巡檢數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)溫度的非接觸式檢測(cè)，自動(dòng)整合溫度、地理坐標(biāo)和時(shí)間信息，自動(dòng)上傳巡檢數(shù)據(jù)，并能為巡檢人員提供GPS導(dǎo)航。為巡檢人員提供了更便捷更安全的測(cè)溫裝置，提高了巡檢的效率和數(shù)據(jù)的管理水平。

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Design of Power Cables Intelligent Temperature Inspection

CUILi1a,ZHOUYu-hao1b,ZHANGYi2,ZHAShen-sen3

(1a. Industrial Center; 1b. School of Electric Power Engineering, Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167, China; 2. Yancheng Power Supply Company Jiangsu Electric Power Company,Yancheng 224000, China; 3. Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102, China)

In order to solve the problems of power cable such as inconvenience of temperature measurement, low inspection efficiency, lack of data management, a power cables intelligent temperature inspection is designed. The system consists of non-contact temperature measurement devices, intelligent terminal, and inspection data management platform. Based on Arduino microcontroller, a temperature measurement devices is developed. MLX90614 infrared temperature sensors is used in non-contact temperature measurement, acquisition target temperature and ambient temperature. Temperature information is automatically transmitted to the intelligent terminal by bluetooth communication protocol. Based on Android mobile platform, smart terminal is developed with 3G communications and GPS positioning timing functions. It can achieve the integration of temperature and GPS information, and provide for the inspection personnel inspection line navigation. By GIS-based distribution network system, inspection data management system is also built.

power cables; infrared temperature measurement; inspection system; GIS

2015-10-23

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合前瞻性項(xiàng)目(BY2015009-05)；南京工程學(xué)院科研基金項(xiàng)目(QKJB201411)

崔 莉(1980-)，女，河南洛陽(yáng)人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向:信息技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

周宇浩(1990-)，男，江蘇蘇州人，碩士生，主要研究方向：光伏發(fā)電與電能質(zhì)量治理。E-mail:z_yuhao1213@126.com

TM 755

A

1006-7167(2016)04-0078-04