賈丹平，翟盼盼

（沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

0 引 言

電力系統(tǒng)運(yùn)行時，保障電網(wǎng)安全的一個重要環(huán)節(jié)是電力設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性。其中高壓開關(guān)柜是電力系統(tǒng)最重要的組成部分之一。開關(guān)柜觸頭是高壓開關(guān)柜的關(guān)鍵部位，在長期運(yùn)行過程中，觸頭的損壞常常引起接觸端溫度升高進(jìn)而氧化，接觸電阻增加，溫度進(jìn)一步上升，導(dǎo)致局部熔焊，產(chǎn)生火花或放電，損壞電氣設(shè)備[1]。因此對開關(guān)柜的觸頭溫度實(shí)時監(jiān)測，避免上述事故發(fā)生對電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前采用基于電信號的傳感器系統(tǒng)是國內(nèi)大部分供電系統(tǒng)和變電站開關(guān)柜測溫的主要方式。其中紅外測溫不接觸測溫點(diǎn)，電磁干擾和環(huán)境粉塵易對測溫系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，且需人工操作，難以實(shí)時測量；熱電阻熱電偶的測溫方式易受引線和環(huán)境的影響；電子式測溫易受開關(guān)柜內(nèi)強(qiáng)烈電磁干擾的影響，可靠性較差；機(jī)械式測溫存在較大誤差，且在計(jì)算機(jī)組網(wǎng)方面難以實(shí)現(xiàn)[2,3]。

近些年具有抗電磁干擾特性的光纖測溫法越來越受到人們的關(guān)注。光纖測溫法的傳感探頭尺寸較小，具有良好的耐高壓、電絕緣性，抗電流擊穿以及電磁場擾動的性能。根據(jù)以上優(yōu)點(diǎn)，將光纖探頭埋設(shè)在高壓開關(guān)柜內(nèi)的觸頭上，操作便捷，開關(guān)柜運(yùn)行安全可靠。

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，針對上述問題，監(jiān)測領(lǐng)域出現(xiàn)了一些新的解決辦法。例如，針對高壓開關(guān)柜的測溫問題，ZigBee網(wǎng)絡(luò)無線傳輸技術(shù)在2.4 GHz頻段工作，屬于高頻無線信號，具有強(qiáng)大的抗干擾性能，可較好地解決信號在無線傳輸過程中的高壓隔離問題，使數(shù)據(jù)在通信方面的安全性得到良好保證[1]。此外，ZigBee無線傳輸技術(shù)具有低成本、低功耗、高穩(wěn)定性等一系列優(yōu)點(diǎn)，是高壓開關(guān)柜觸頭溫度無線監(jiān)測的較好選擇之一。

根據(jù)對熒光信號處理方式的不同，可將熒光光纖測溫方式劃分為熒光強(qiáng)度型、熒光強(qiáng)度比型和熒光壽命型三類[4-6]。熒光壽命是熒光材料自身的固有特性，熒光壽命型測溫方式的測溫效果不受光強(qiáng)擾動的影響，發(fā)展前景更為廣闊。因此結(jié)合無線傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，本文采用熒光壽命型光纖溫度測量無線傳輸設(shè)計(jì)方法對開關(guān)柜觸頭進(jìn)行監(jiān)測。

1 熒光光纖無線測溫系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)原理圖

根據(jù)熒光壽命測溫法的原理，本文提出了一種無線測溫系統(tǒng)方案，并對該系統(tǒng)反復(fù)調(diào)試和試驗(yàn)。系統(tǒng)的整體方案如圖1所示。

圖1 熒光測溫系統(tǒng)整體框圖

系統(tǒng)主要分為三部分，即傳感電路部分、信號處理部分、數(shù)據(jù)采集及傳輸部分。

其工作過程為：在控制脈沖的作用下，激勵光源產(chǎn)生一系列脈沖激勵光，經(jīng)分光器后，激勵光發(fā)生全反射，由耦合器進(jìn)入光纖，通過光纖，激勵光被傳輸?shù)教筋^端照射到熒光物質(zhì)上，此時熒光材料被激發(fā)產(chǎn)生熒光；當(dāng)激勵光撤去后，產(chǎn)生的熒光余輝信號通過同一根光纖，再經(jīng)過耦合器，透過分光器進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換部分。在光電轉(zhuǎn)換部分，熒光余輝信號由光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并輸入到信號處理部分；在信號處理部分，放大電路對微弱的熒光余輝電信號進(jìn)行放大處理，經(jīng)濾波后送入數(shù)據(jù)采集及傳輸部分；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將該信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，根據(jù)所使用的熒光材料的熒光壽命與溫度的關(guān)系，得出被測對象的溫度；開關(guān)柜觸頭的溫度信息經(jīng)無線發(fā)送單元發(fā)送至監(jiān)控室，最后由無線接收單元顯示。

1.2 硬件設(shè)計(jì)部分

1.2.1 激勵光源驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

直流驅(qū)動和脈沖驅(qū)動是激勵LD光源發(fā)光的兩種常用方法，但是，直流驅(qū)動飽和時易發(fā)熱，且與脈沖驅(qū)動相比，當(dāng)兩者電流等效值相同時，脈沖驅(qū)動的亮度比直流驅(qū)動的亮度大，所以選擇脈沖驅(qū)動作為激勵光的驅(qū)動方式。對STM32F407的I/O口編程，產(chǎn)生的時序脈沖通過控制場效應(yīng)管K1482的導(dǎo)通或關(guān)斷來確定是否驅(qū)動LD發(fā)光。LD驅(qū)動電路如圖2所示。

1.2.2 光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

采用PIN光電二極管作為熒光測溫系統(tǒng)部分的光電探測器，光電轉(zhuǎn)換電路主要由光電二極管和LF357運(yùn)算放大器構(gòu)成，該電路完成了熒光余輝光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。光電轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖2 激勵光驅(qū)動電路

圖3 光電轉(zhuǎn)換電路

1.2.3 微弱信號放大電路設(shè)計(jì)

熒光信號一般比較微弱，光電轉(zhuǎn)換電路輸出的電信號約為10 nA，易被噪聲淹沒。LF357運(yùn)算放大器具有輸入阻抗高、噪聲低、增益帶寬積高等優(yōu)點(diǎn)，故采用該器件構(gòu)成熒光測溫系統(tǒng)的放大電路。放大電路第一二級將熒光余輝信號進(jìn)行放大，最后一級是一個起阻抗匹配作用的電壓跟隨器。微弱信號放大電路如圖4所示。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理及傳輸部分設(shè)計(jì)

圖4 放大電路原理圖

熒光光纖無線系統(tǒng)的溫度終端采集框圖如圖5所示，主要包括MCU處理器部分、電源轉(zhuǎn)換部分、數(shù)據(jù)存儲部分、通信接口部分、RTC部分、報(bào)警部分等。在本設(shè)計(jì)中，主處理器選擇ST公司生產(chǎn)的STM32F407，該處理器是基于較為先進(jìn)的ARM Cortex?-M4F內(nèi)核的32位閃存微控制器，以168 MHz高速運(yùn)行時可達(dá)到210 DMIPS的處理能力，片上具有總?cè)萘窟_(dá)到196 kB的SRAM和多達(dá)1 MB的FLASH，外部存儲接口FSMC非常靈活，ADC可配置12位、10位、8位或6位分辨率，有16條復(fù)用通道，可獨(dú)立設(shè)置各通道采樣時間，且Tconv可達(dá)0.5 μs，功耗低，滿足系統(tǒng)需求。無線傳輸?shù)陌l(fā)送和接收部分采用TI公司生產(chǎn)的CC2530F256，結(jié)合了該公司領(lǐng)先的Z-Stack，是應(yīng)用于IEEE 802.15.4的一款ZigBee芯片。由CC2530F256組成的系統(tǒng)具有強(qiáng)大的無線近距離組網(wǎng)功能，不僅能支持多種不同形式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還能對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部信息進(jìn)行無線傳輸。在抗干擾方面，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)采用動態(tài)信道選擇、空閑信道評估、頻率快變FA、直序擴(kuò)頻（DSSS）以及應(yīng)答重傳和幀緩存等一系列技術(shù)，CC2530F256工作時，能夠與其他2.4 GHz同頻段的無線網(wǎng)絡(luò)同時存在，保證了該芯片在同頻時的抗干擾性能[7]。

圖5 溫度終端采集系統(tǒng)框圖

數(shù)據(jù)存儲部分利用SD卡存儲轉(zhuǎn)換過后的熒光電壓數(shù)據(jù)，以供數(shù)據(jù)處理時調(diào)用。RTC時鐘部分為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時鐘信號，使得系統(tǒng)的實(shí)時性更加準(zhǔn)確。此外即使主機(jī)電源斷開，RTC也可從超級電容或備用電池處供電，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行?？紤]到多種情況下的不同要求，電源轉(zhuǎn)換部分為該系統(tǒng)提供了兩種電源輸入模式，分別為直流輸入與AC 220 V輸入，兩種方式使用方便，可滿足不同的需求。

1.3 軟件設(shè)計(jì)部分

1.3.1 熒光壽命數(shù)據(jù)處理模型

在測溫系統(tǒng)工作過程中，熒光余輝信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及放大處理后，最終由處理器接收的熒光信號為：

式中：Id和In均屬于背景干擾。Id主要由雜散光的通道直流成分以及各種直流漂移產(chǎn)生；In主要來源于隨機(jī)噪聲。通過適當(dāng)增加累加次數(shù)求平均值，可以減小隨機(jī)噪聲對測溫系統(tǒng)的影響。經(jīng)上述處理后，被測信號中的隨機(jī)干擾可忽略不計(jì)，被測信號表達(dá)式如下：

該信號具有單指數(shù)衰減的特點(diǎn)，對該信號利用FFT算法進(jìn)行傅里葉變換，變換后，根據(jù)非零次項(xiàng)來計(jì)算熒光壽命τ的值[8]。A/D轉(zhuǎn)換芯片對熒光信號進(jìn)行數(shù)字采樣時，可得以下形式：

n=0，1，2，…，N－1

其中，第0項(xiàng)為：

由式（5）可知，第0項(xiàng)大小與起始光強(qiáng)I0和直流分量Id均有關(guān)。非零項(xiàng)為：

非零項(xiàng)與直流分量Id無關(guān)。

第一項(xiàng)為：

其幅角的正切值為：

式（8）中，幅角的正切值只與熒光壽命有關(guān)，是其單值函數(shù)，與直流分量和起始光強(qiáng)無關(guān)，熒光壽命為：

1.3.2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)FFT算法理論，將采集到的熒光數(shù)據(jù)運(yùn)用該算法處理后可得到熒光壽命τ，對其編寫C語言程序，使得它在STM32F407上實(shí)現(xiàn)，程序流程如圖6所示。

圖6 溫度采集軟件流程圖

為了更加直觀地觀察處理后得到的熒光壽命τ以及熒光曲線，使用VC++6.0軟件編寫基于MFC對話框的顯示界面，利用Matlab仿真軟件產(chǎn)生一條標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)函數(shù)曲線，將該曲線的熒光壽命值設(shè)定為0.5 ms并將其作為標(biāo)準(zhǔn)值，得到仿真數(shù)據(jù)，利用FFT數(shù)據(jù)處理算法從仿真數(shù)據(jù)中反求τ值。顯示結(jié)果如圖7所示。

圖7 熒光壽命τ值顯示

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

搭建好整個實(shí)驗(yàn)平臺，并對其進(jìn)行調(diào)試。由于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件的局限，無法將裝置直接放到開關(guān)柜中進(jìn)行測量，因此本實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬開關(guān)柜觸點(diǎn)溫度變化進(jìn)行。首先，把選定的熒光材料放入金屬塊的小孔中，其次，把該金屬塊置于加熱裝置上，將實(shí)驗(yàn)裝置的光纖探頭插入熒光材料中進(jìn)行測量。調(diào)節(jié)加熱裝置的溫度，采集與處理不同溫度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每間隔5℃進(jìn)行一次測量，每個溫度下測量5次，記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)，得出熒光余輝時間常數(shù)τ的平均值。

將不同溫度下的熒光余暉時間常數(shù)τ整理在一個表格中，見表1所列。

表1 不同溫度時所對應(yīng)的τ值

為了便于觀察熒光余輝時間常數(shù)τ隨溫度變化的規(guī)律，將表（1）中的數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，如圖8所示。熒光余輝時間常數(shù)τ隨溫度的升高而降低。

圖8 熒光余輝時間常數(shù)τ值隨溫度的變化的曲線

3 上位機(jī)監(jiān)控顯示設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用LabVIEW可視化程序設(shè)計(jì)語言開發(fā)后臺監(jiān)控軟件，通過監(jiān)測界面即可實(shí)時掌握設(shè)備運(yùn)行狀況。上位機(jī)功能模塊包括監(jiān)測界面、設(shè)備配置及報(bào)警系統(tǒng)等。檢測系統(tǒng)人機(jī)交互界面如9圖所示。

熒光系統(tǒng)利用ZigBee無線通信技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)浇邮諉卧希瑢⒋陔娐泛蜕衔粰C(jī)VISA接口連接后，通過監(jiān)測界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動。VISA接口使用時需對串口配置，當(dāng)設(shè)備溫度數(shù)據(jù)異常時，方便快速找到事故點(diǎn)進(jìn)行處理。

報(bào)警系統(tǒng)主要由燈光、聲音和狀態(tài)顯示三大報(bào)警方式組成。當(dāng)監(jiān)測到的溫度數(shù)據(jù)異常時，系統(tǒng)報(bào)警，報(bào)警燈由綠變紅，警報(bào)器響鈴，工作人員可立即采取安全措施。

圖9 檢測系統(tǒng)人機(jī)交互界面主界面

4 結(jié) 語

本文探討了熒光壽命式光纖系統(tǒng)的無線測溫原理，設(shè)計(jì)了適合在高壓開光柜內(nèi)使用的觸頭溫度測量方案。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r對柜內(nèi)觸頭溫度在線監(jiān)測并將數(shù)據(jù)無線傳輸。此舉不僅可及時對事故隱患進(jìn)行及時提醒及報(bào)警，還可為開關(guān)柜的預(yù)防性檢修提供依據(jù)，對延長高壓開關(guān)柜使用壽命，提高運(yùn)行可靠性有重要意義。

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