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1系統總體設計

如圖1所示，測溫系統采用三層通信架構。第一層的測溫節點安裝在高壓電氣設備上，負責實時采集電氣結點處的溫度并通過無線通信方式把信息上報給基站。位于第二層的基站系統包括主基站和從基站，共同實現服務器與測溫節點間的雙向通信中繼。設置兩級基站的原因是由于測溫節點可能安裝在開關柜內部或距離主基站較遠的設備上，金屬柜體的屏蔽作用和無線通信距離的限制會導致測溫節點無法直接與主基站通信，因此在測溫節點的無線通信范圍內設置從基站作為中繼。主從基站之間通過RS485總線進行通信。第三層的服務器可設于變電站控制室或遠程控制中心內，通過以太網、GPRS或3G等方式與主基站交換數據。

2系統硬件設計

2．1測溫節點

測溫節點由紅外溫度傳感器、信號處理電路、單片機、短距無線通信模塊和供電電路組成。為了保證測溫精度，系統使用Hlplanar公司的紅外溫度傳感器TS118-3［5］采集溫度信號。TS118-3由溫差熱電堆和熱敏電阻兩部分構成［6］，其中熱電堆可等效為多個具有冷熱端點的熱電偶相串聯。在測量物體溫度時，熱電堆的熱端吸收被測物體輻射的紅外線并轉換為熱能，而熱電堆把熱量成比例地轉換為電信號，從而在熱電堆的冷熱兩端形成溫差電壓。由于熱電堆輸出的電壓信號僅反映被測物體與熱電堆冷端之間的溫度差，因此還需要通過熱敏電阻測出熱電堆的冷端溫度(即環境溫度)，才能得到物體實際溫度。TS118-3輸出的物理量包括熱電堆輸出電壓和熱敏電阻信號。首先，信號處理電路需將熱電堆輸出的毫伏級電壓信號放大至伏特級，再送入單片機進行模數信號轉換。信號放大采用了TI公司的OP97集成運算放大器，這主要是由于它的失調電壓較小，有助于提高測溫精度。其次，由于環境溫度是通過熱敏電阻值反映出來的，信號處理電路還需將熱敏電阻信號轉換為模擬電壓信號，再送入單片機的ADC得到數字信號。除了溫度信息，測溫節點還通過分壓電路采集供電電壓并定時上報給服務器，以便在測溫節點電量不足時更換電池。為降低測溫節點的功耗，系統選用了TI公司的超低功耗單片機MSP430F5418A［7］作為節點處理器，并在單片機的輸入輸出端口通過三極管控制數據采集電路、信號處理電路和短距無線通信模塊的供電，在有需要的時候才使它們上電工作。此外，為了提高測溫節點的可靠性，在電路設計時特別進行了防浪涌和抗靜電沖擊的設計，包括在供電電路的輸出端接上防浪涌沖擊的箝位二極管，在單片機有硬件連接的輸入輸出端口接上專用防浪涌和靜電的二極管，把單片機懸空的輸入輸出端口統一置為高電平等。

2．2短距無線通信模塊

由于測溫節點使用電池供電且安裝在高壓電氣設備上，因此對測溫節點的功耗和體積都有嚴格的限制。為滿足低功耗和微型化的要求，測溫節點使用的短距無線通信模塊采用Nordic公司的超低功耗2．4GHz射頻芯片nRF24L01+［8］和Rainsun公司的2．4GHz陶瓷貼片天線PF1004進行設計。nRF24L01+具有極低的發送/接收/掉電電流，芯片內部集成了自動重發、自動應答、CRC校驗等鏈路層功能，方便開發且具有較高的無線通信可靠性。短距無線通信模塊通過SPI接口與單片機通信［9］。如圖3所示，CSN為SPI片選信號，SCK為SPI的時鐘信號，MOSI/MISO分別是模塊的數據輸入和與輸出。此外，CE和IRQ分別為模塊的發送/接收使能信號和中斷輸出信號。

2．3中繼基站

在中繼系統中，主基站負責進行以太網數據和RS485數據的相互轉換，而從基站負責進行無線數據與RS485數據間的互相轉換。如圖4所示，主從基站采用同一電路架構，包括單片機、短距無線通信模塊、串口轉以太網模塊、RS232/RS485轉換芯片和供電電路，通過開關選擇進行無線通信或以太網通信。為了方便單片機軟件的復用，基站采用與測溫節點相同的單片機進行設計。RS485和RS232信號轉換采用的是Maxim公司的MAX3485［10］和MAX3232［11］芯片。相較于陶瓷貼片天線，膠棒天線通常具有更高的增益和較大的尺寸，因此可用于從基站的短距無線通信模塊，以提高系統的整體無線通信能力。串口轉以太網模塊是工控領域的成熟產品，提供RS232串口到TCP/IP網絡的雙向數據透明傳輸。本系統采用的是有人科技公司的USR-TCP232-2型串口轉以太網模塊［12］，它搭載ARM處理器，速度快，穩定性高;集成10/100M自適應以太網接口;集成TCP/IP協議棧，可通過軟件配置工作于TCPServer，TCPClient或UDP模式;體積小巧，功耗低。

3系統軟件設計

3．1測溫節點

測溫節點軟件采用了低功耗設計以延長其在電池供電的情況下的持續使用時間，基本原則為單片機在中斷處理子程序中完成溫度采集和通信，在空閑的時候則始終處于低功耗狀態。測溫節點的軟件流程如圖5所示。上電后，測溫節點首先進行單片機硬件和軟件的初始化設置，每5分鐘采集1次數據，每小時上報1次數據，隨后進入低功耗狀態。當到達數據采集時刻時，單片機使數據采集和處理電路上電，使能ADC把采樣到的模擬信號轉換為數字信號，再計算出溫度值。如果溫度測量值或升溫速度達到報警條件時把溫度采集周期縮短為15秒，并立刻使無線通信模塊上電，向從基站發送報警數據，在接收到從基站回復后退出定時中斷進入低功耗狀態。如果測量值低于報警條件但達到預警條件，單片機會將溫度采集周期縮短為1分鐘，以跟蹤溫度的變化。如果測量值在正常范圍，則單片機保持溫度采集周期不變，斷開溫度采集和處理電路的電源后進入低功耗狀態。當觸發定時上報中斷時，測溫節點向從基站上報溫度和電量。由于無線通信的可靠性不高，為了保證從基站能接收到測溫數據，測溫節點如在規定時間內沒有接收到從基站應答，則會重復發送數據，直到接收到基站應答或重發次數達到上限為止。

3．2中繼基站

從基站的軟件流程如圖6(a)所示。上電后，從基站首先進行硬件和軟件初始化，然后進入空閑等待狀態。當觸發無線接收中斷時，從基站接收并保存節點發送的數據，并按發送節點號查詢報警閾值、預警閾值、時間等參數，打包到應答幀中，回復給發送節點。由于測溫節點的無線通信模塊在空閑時處于斷電狀態，因此當服務器修改了運行參數后，測溫節點無法實時接收調整后的參數。從基站只能在應答節點時攜帶參數。當接收到主基站數據幀時，從基站首先查看數據幀的類型，如果是輪詢數據且從基站有待上報的數據時，就回復數據幀;如果是配置參數或從基站無數據待上報時，則發送應答幀以表示從基站工作正常。主基站的軟件處理流程如圖6(b)所示。主基站接收到的從基站數據幀包括上報數據和應答2種，如果接收到數據幀，主基站保存數據等待轉發給服務器;如果接收到應答幀，主基站則不作處理直接轉入空閑狀態。服務器發送給主基站的數據幀也分為查詢數據和參數配置2種。主基站在接收到服務器數據幀后先進行類型判斷，如果是查詢數據則把本地保存的節點數據上報給服務器，如果是配置參數則保存參數并廣播發送給所有從基站。除了接收從基站和服務器的數據幀，主基站還需定時輪詢從基站以獲得節點的測溫數據。

3．3服務器

為了兼顧電力用戶使用習慣和操作便捷性，本系統基于力控ForceControl6．1開發具有組態軟件界面風格的網絡式后臺管理軟件。軟件采用B/S架構，服務器可設置在變電站現場或遠程控制中心，通過網頁后，位于同一局域網內的任一計算機可通過瀏覽器訪問軟件，進行除停止軟件程序外的所有功能，同時實現現場和遠程的實時監控。服務器軟件具有數據處理、在線監測、圖表分析和系統管理等功能，功能模塊劃分如圖7所示。*數據處理:包括服務器與主基站的雙向通信、數據包解析以及數據在數據庫中的存儲。*在線監測:在軟件界面上以圖形化的方式顯示系統連接、監測位置、節點狀態和信息曲線等，當節點溫度異常或通信故障時會以顏色變化和響鈴的方式進行報警。*圖表分析:以年/月/日等時間長度統計溫度和電量變化。*系統管理:包括配置系統運行參數、記錄運行日志、新建修改用戶和限制用戶權限等。

4測試結果

4．1測溫精度

在測溫精度測試中，通過IKA加熱板實現升溫控制，每次升溫幅度為20℃左右，穩定10分鐘以上，以保證測量點與參考點的溫度均勻穩定。測溫節點和電偶溫度計的測量值分別作為測量溫度和參考溫度，每個溫度測試點測量并記錄三組數據。測試結果如表1所示，結果表明節點測溫精度在±1℃以內。

4．2高壓可靠性

抗高壓、耐擊穿性能是本系統的設計重點。在測試中，測溫節點置于高壓銅盤上進行溫度測量，定時將測溫數據發送給從基站。根據電氣設備高壓規格，銅盤電壓分別設置為0kV、10kV、35kV和100kV。受現場環境限制，無線通信測試距離最遠只能達到20米，因此從基站分別在距離節點10/15/20米位置處接收測溫節點數據。節點設置每分鐘發送一幀數據，每個測試點接收10幀數據，分別測試測溫精度、通信質量等指標。測試結果如表2所示，結果表明測溫節點在100kV下的不同等級高壓下都能可靠地工作。

4．3測溫節點功耗

節點功耗也是系統的重要指標，它決定了測溫節點的持續工作時間。測溫節點在正常工作時可能處于低功耗、數據采集、無線發送和無線接收這4種狀態中的一種。在室溫下測試滿壓(3V)時測溫節點各狀態的持續時間和工作電流，測量結果如表3所示。其中，工作電壓由Keithley2400源表提供，電流通過源表電流測試檔讀取，狀態持續時間通過示波器進行測量。測溫節點平均電流可用式I=∑4i=1Ii•tiT計算，其中T為定時通信周期，Ii為各狀態的工作電流，ti為各狀態在單個通信周期內的累計持續時間。低功耗和數據采集狀態的累計時間與定時通信周期和定時采集周期有關。在通信周期為1小時、采集周期為1分鐘的情況下，可計算得到測溫節點的平均電流為36μA。節點可在1000mAh的電池供電的情況下持續工作3年以上。

本文提出了一種新型的變電站電氣設備在線測溫系統。通過采用非接觸式測溫、低功耗設計和近距離無線通信等技術，該系統實現了可靠和低功耗的實時溫度測量，能24小時在線監測溫度，有力保障電氣設備的正常運行。

本文作者：李立萬媛蘇志杰李臻工作單位：中國電子科技集團第三十八研究所