康 健, 宗榜馗, 張大寧, 李懷亮, 張 旋

(1.哈爾濱理工大學自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.綏化學院電氣工程學院，黑龍江 綏化 152000；3.華電國際電力股份有限公司鄒縣發(fā)電廠，山東 濟寧 273522)

一種組網式電纜分支箱在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計

康 健1, 宗榜馗1, 張大寧1, 李懷亮2, 張 旋3

(1.哈爾濱理工大學自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.綏化學院電氣工程學院，黑龍江 綏化 152000；3.華電國際電力股份有限公司鄒縣發(fā)電廠，山東 濟寧 273522)

針對電纜分支箱內的分接頭故障率較高這一現(xiàn)狀，設計了一組網式電纜分支箱在線監(jiān)測系統(tǒng)，以超低功耗單片機為主控制芯片的信息采集終端，對電纜分支箱內環(huán)境信息和電氣參數(shù)進行采集、運算與處理。采用GSM無線傳輸方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控臺的LabVIEW上位機進行實時顯示與存儲，實現(xiàn)了分支箱內環(huán)境溫度、電纜分接頭溫度、線路故障信息及帶電狀態(tài)的實時遠程監(jiān)測。現(xiàn)場運行情況表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，對其他電氣設備的遠程在線監(jiān)測具有很好的借鑒意義。

溫度傳感器; 在線監(jiān)測; 遠程監(jiān)控; 溫度采集; GSM; LabVIEW

0 引言

電纜分支箱內的分接頭是電力系統(tǒng)安全運行中的薄弱環(huán)節(jié)。由于受制作現(xiàn)場環(huán)境不利因素的影響及制作工藝的限制，導致了電纜分接頭壓接質量的不可靠。經過一段時間的大電流運行后，在壓接點處產生過熱、氧化，接觸電阻逐漸增大，如處理不及時，接頭溫度進一步升高、絕緣老化，最終會導致事故發(fā)生[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，電纜接頭事故率占電纜事故的90%。

目前，國內電纜分支箱監(jiān)測主要通過人工巡檢方式。檢修中存在檢修過剩或檢修不足等問題，耗費大量人力、物力。本文在電纜分接頭測溫的基礎上，輔以環(huán)境溫度、線路故障及帶電狀態(tài)等信息，提高了在線監(jiān)測系統(tǒng)的多功能性，可對電纜分支箱進行故障判斷、預測，使電網運行更加可靠、智能[3-7]。

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)的整體技術方案

在線監(jiān)測系統(tǒng)是集溫度采集、故障電流獲取、高壓帶電的狀態(tài)信息獲取及故障定位于一體化的多功能系統(tǒng)。結合10 kV電纜中間接頭的結構特點，該系統(tǒng)可以分為三層：MCU數(shù)據(jù)的采集、GSM數(shù)據(jù)包傳輸、LabVIEW上位機顯示。

數(shù)據(jù)采集部分設置在電纜分支箱內，節(jié)點的溫度信息、線路電流值、帶電狀態(tài)及故障電流類型判斷等信息由超低功耗MCU待定采集。

當電纜線路發(fā)生故障時，系統(tǒng)會立即采集此信息，通過GSM傳輸至主控制臺，進行報警。

當電纜線路無故障時，采集時間主要由溫度采集模塊控制，可設置相應間隔采集時間。當采集溫度時間到達時，通過射頻傳給已經休眠的MSP430[8](此時功耗非常低)，產生中斷，此時單片機喚醒進行各個數(shù)據(jù)采集；采集完成后，將數(shù)據(jù)打包通過GSM無線模塊[9-11]傳輸給主顯示臺。這樣，終端匯集了所有電纜分支箱數(shù)據(jù)。通過LabVIEW，處理溫度的歷史曲線、線路的故障次數(shù)以及某段線路的位置等信息。

在線監(jiān)測系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

圖1 在線監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

2 分支箱數(shù)據(jù)采集層的結構原理與實現(xiàn)

在線監(jiān)測系統(tǒng)結構原理圖如圖2所示。

圖2 在線監(jiān)測系統(tǒng)結構原理圖

2.1 高壓帶電顯示原理

設置在電纜分接頭處的電壓傳感器將電壓分壓，以得到較低的電壓來觸發(fā)光耦電路中的光電耦合器。隔離電壓達3 750 V，保證了處理器與強電隔離。

首先，設線路的電壓為U，C1、C2上的電壓分別為U1、U2,根據(jù)兩個電容串聯(lián)分壓的計算公式得到：

U1=C2U/(C1+C2)

(1)

U2=C1U/(C1+C2)

(2)

電壓經C1、C2電容分壓作用，分到C2上的電壓經過BRIDGE2整流穩(wěn)壓作用，將小信號If發(fā)送給光耦電路6N139高倍率、高速達林頓光耦合器。

Ic=βIf

(3)

式中：Ic為基極的電流值；β為電流放大倍數(shù)。

由式(3)得到的電流Ic乘以R4，得到電阻R4上的電壓U3，故LM139A芯片的輸入電壓Uin為：

(4)

電壓比較器能有效避免因檢測帶來的誤差，其傳輸特性曲線如圖3所示。

圖3 電壓比較器傳輸特性曲線

(5)

(6)

式中：R1為反饋電阻；R2為輸入電阻。

將式(5)與式(6)作差，得出回差電壓：

(7)

2.2 短路故障預警系統(tǒng)實現(xiàn)

采用短路和接地傳感器，當短路傳感器檢測到電流高于預設值時，則輸出信號經光纖傳送給三相故障電流處理電路。當接收到短路信號后，三極管工作在線性區(qū)，通過單閥值比較器LM139A將預警信號發(fā)送給主機。

由復合序網可求出故障處的各序電流和電壓。

(8)

(9)

根據(jù)對稱分量的合成公式，可得各相電流、電壓為：

(10)

(11)

圖4 單相接地短路電流相量圖

接地故障傳感器也就是零序電流互感器。當電纜出現(xiàn)單相接地時，由以上公式分析得三相電流矢量和不為0。傳感器檢測到的故障，通過光纖傳送至單相短路零序電流處理。單相短路零序電流處理電路如圖5所示。

圖5 單相短路零序電流處理電路圖

2.3 溫度采集子系統(tǒng)的實現(xiàn)

WD01L39無線測溫傳感器的主要特點為：定時傳送溫度數(shù)據(jù)，待機電流為2 mA，最大瞬間功耗為+20 dBm，其直線距離為1 800 m左右，室內可以隔墻傳輸10～15層，從根本上解決了大部分應用對無線通信能力的要求。其內部集成DS18B20測溫傳感器，并采用標準UART協(xié)議，與MCU進行RS-485進行數(shù)據(jù)的傳輸。其內部通用數(shù)據(jù)包如表1所示。

表1 通用數(shù)據(jù)包

2.4 匯聚節(jié)點的設計

通過RS-485通信將WD01L39無線接收模塊各個節(jié)點溫度數(shù)據(jù)定時通過P3.3口傳送到相應存儲寄存器內，此時MSP430由睡眠狀態(tài)喚醒，對線路的帶電狀態(tài)、電流值等信息進行采集。采集后的數(shù)據(jù)打包存儲到數(shù)組中，通過GSM以短信的方式發(fā)送給主機，顯示在上位機LabVIEW上。如果某電纜分支箱出現(xiàn)故障電流，掉電狀態(tài)，系統(tǒng)立即會給單片機發(fā)送一個中斷信號，單片機也會被喚醒，通過GSM發(fā)出預警信號。

3 主控制臺的設計與實現(xiàn)

上位機軟件采用LabVIEW作為開發(fā)環(huán)境。LabVIEW是基于NI設計平臺的核心，使用的是圖形化編輯語言G編寫程序[12]，屬于圖形化語言。上位機軟件結構如圖6所示。

圖6 上位機軟件結構圖

上位機軟件結構實現(xiàn)對分布式溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)預處理、判斷溫度值和溫升值是否符合相關的電力系統(tǒng)安全規(guī)定[13]、確定設備缺陷等級，并給出預警信號。通過GSM短信收發(fā)模塊發(fā)送報警短信，將各項數(shù)據(jù)結果通過軟件實時顯示。

3.1 上位機監(jiān)控軟件設計

電纜分支箱內的各個參數(shù)通過MCU+GSM的采集與發(fā)送功能，發(fā)送至站內的主控制臺顯示。上位機的前面板為主頁面，主頁面的電纜終端在線監(jiān)測系統(tǒng)為某城區(qū)部分地理位置線路的鋪設結構，有15個節(jié)點(電纜分支箱)，包括節(jié)點的信息、歷史故障記錄、溫度曲線等信息，并輔以通信模塊的信號強度。

3.2 現(xiàn)場運行及結果

站內系統(tǒng)運行后，對電纜分支箱內的參數(shù)進行實時監(jiān)控。

現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳至上位機，節(jié)點數(shù)據(jù)界面為節(jié)點00號分支箱內A、B、C三相電纜接頭的溫度曲線、環(huán)境溫度曲線、三相帶電狀態(tài)及是否存在短路電流故障等狀態(tài)信息；過電流過電壓報警用狀態(tài)量“1”表示，沒有故障用狀態(tài)量“0”表示；實時曲線可觀測箱內電纜接頭的溫度狀況，通過一段時間內電纜接頭的溫度曲線，進而更加了解接頭處溫度的變化情況，防止電纜接頭溫度過高而導致一系列故障。軟件中設置了溫度上線閥值，溫度超過此值，系統(tǒng)會立馬報警。

對于10 kV線路，當電流值超過單項短路電流值或者線路掉電，就會產生狀態(tài)量信息，系統(tǒng)自動報警；當系統(tǒng)超過6 h沒有收到實時信息，系統(tǒng)自動報警。通過對歷史信息的記錄，分析系統(tǒng)線路信息，從而對系統(tǒng)進行故障預測，防止故障的發(fā)生。

3.3 試驗測試結果分析

通過實際運行測試，本在線監(jiān)測系統(tǒng)可以對電纜分支箱內的電壓、電流、溫度等運行參數(shù)進行實時采集，并通過GSM遠距離傳入站內PC機進行實時顯示與存儲。當電纜分支箱內線路及分接頭運行發(fā)生異常時，系統(tǒng)可以及時報警。溫度數(shù)據(jù)采用WD01L39溫度傳感器的射頻傳輸方式，通過GSM遠距離傳輸數(shù)據(jù)，滿足監(jiān)控的實時性和可靠性需求。

4 結束語

電纜分支箱在線監(jiān)測系統(tǒng)中分接頭的溫度用表帶式溫度傳感器將溫度數(shù)據(jù)通過無線可靠傳輸、短路電流信息用短路電流傳感器通過光纖傳輸。各個測量部分均與超低功耗單片機MSP430進行可靠的電氣隔離，克服了箱內高電壓、大電流的強電場、強電磁輻射、高頻噪聲和諧波的干擾問題。系統(tǒng)輔以GSM遠距離傳輸?shù)膬?yōu)勢，克服了距離大、布線難的問題，大大提高了電纜分支箱運行的可靠性和經濟效益。多個電纜分支箱覆蓋整個區(qū)域，構成組網式電纜分支箱在線監(jiān)測系統(tǒng)。整個系統(tǒng)具有保護、測量、控制、通信等功能，功能集成度高，滿足分支箱通信實時性和高速性的需求，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、可靠性和實時性，具有技術優(yōu)勢和廣闊前景。

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Design of the Online Monitoring System for a Networking Cable Branch Box

KANG Jian1, ZONG Bangkui1, ZHANG Daning1, LI Huailiang2, ZHANG Xuan3

(1.College of Automation，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China；2.School of Electrical Engineering，Suihua University，Suihua 152000，China；3.Zou Power Plants，Huadian Power International Corporation Limited ，Jining 273522，China)

In view of the higher failure rate of the taps inside cable branch box,an online monitoring system for the networking cable branch box is designed,to realize real-time monitoring of cable branch box.With the ultra-low power consumption single chip computer as the main control chip,the information acquisition terminal is design for collecting,operating and processing the environmental information and electrical parameters inside the cable branch box.By adopting GSM wireless transmission mode,the data are sent to the PC of master station for displaying and storing via LABVIEW,thus the temperature inside the taps,the temperature inside cable branch box,fault information of power lines and the charged status are monitored remotely in real time.The field operation indicates that the system is running stably; it provides valuable reference for remote online monitoring of other electrical equipment.

Temperature sensor; Online monitoring; Remote monitoring; Temperature acquisition; GSM; LabVIEW

康健(1991—)，男，在讀碩士研究生，主要從事復雜網絡同步及其保密通信應用領域方向的研究。E-mail:814549632@qq.com。 宗榜馗(通信作者)，男，在讀碩士研究生，主要從事智能在線監(jiān)測設備的研制與開發(fā)。E-mail:1650435060@qq.com。

TH7；TP277

A

10686/j.cnki.issn 1000-0380.201701023

修改稿收到日期:2016-05-05