李　俊,錢承山,孫　鵬,王志偉

(南京信息工程大學信息與控制學院,南京 210044)

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基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的電力電纜接頭在線監(jiān)測系統(tǒng)*

李俊,錢承山*,孫鵬,王志偉

(南京信息工程大學信息與控制學院,南京 210044)

摘要:針對現(xiàn)有的電力電纜接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題和缺陷,研制出一套新型的監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測裝置以ATmega16單片機和UTC1212無線透傳模塊為核心,對電纜接頭溫度數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測,利用GPRS網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的傳輸。終端采用感應(yīng)取能供電,利用超級電容的大容量儲能和快速充放電特性,經(jīng)儲能超級電容和放電超級電容輸出給監(jiān)測系統(tǒng)供電。

關(guān)鍵詞:電力電纜接頭;防碰撞;無線傳輸;GPRS;溫度監(jiān)測;超級電容

在城市和大中型企業(yè)的供電系統(tǒng)中,越來越多的使用電力電纜供電?，F(xiàn)全國運行的電力電纜故障80%以上是由于電力電纜附件故障引起的,其中電纜接頭引起的事故占一半以上[1]。在采用電力電纜輸電專用電網(wǎng)中,6 kV～10 kV電纜平均每300 m～500 m就有一處電纜接頭。由于接觸電阻的存在、絕緣材料的性能不佳或制作工藝不完善等,是導致電纜接頭頻發(fā)故障的主要原因[2]。

實際運行經(jīng)驗和理論分析均表明,電纜接頭處發(fā)生的各類故障并不是一個突發(fā)的過程,通常是因為接頭處溫度不斷升高,使絕緣逐步老化、泄漏電流逐漸增加,到達一定程度后再發(fā)生擊穿,是一個由量變到質(zhì)變的過程。因而,連續(xù)地監(jiān)視電纜頭溫度的變化,就可以全面準確的了解其工作狀態(tài),根據(jù)情況適時進行停電檢修[3]。

目前通常采用的集散式溫度監(jiān)測系統(tǒng)[4-5],只適宜企業(yè)內(nèi)部一個相對小的范圍內(nèi)應(yīng)用,對于城市供配電網(wǎng),特別是那些采用地下直埋電纜敷設(shè)方式的供配電網(wǎng),由于現(xiàn)場無法提供電源、現(xiàn)場裝置難以與中控室監(jiān)控設(shè)備建立通信通道,傳統(tǒng)方式顯得無能為力。它具有以下新特點:①安裝方便,無須現(xiàn)場維護;②當溫度超過設(shè)定值時,能夠主動發(fā)送報警信號給運行人員;③可根據(jù)歷史數(shù)據(jù),對電纜運行狀況進行評估。

基于光纖傳感方式的電纜接頭溫度監(jiān)測系統(tǒng)得到了一定應(yīng)用,但光纖傳感方式需要敷設(shè)光纜,工程量較大,而且光纖傳感器本身成本較高,難以獲得大規(guī)模應(yīng)用[6]。對比光纖傳感技術(shù),無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有以下優(yōu)點:通信與傳感集成為一體,體積小、安裝方便;成本低廉,適合大規(guī)模組網(wǎng);無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是實現(xiàn)站內(nèi)高壓電纜接頭溫度監(jiān)測的理想方案。

1　系統(tǒng)設(shè)計

整個網(wǎng)絡(luò)由若干個無線傳感節(jié)點、多個中心節(jié)點和監(jiān)測終端組成。其中,無線傳感節(jié)點分布于所要監(jiān)測的區(qū)域,負責對溫度的采集和預(yù)處理,并通過無線信號發(fā)射出去;中心節(jié)點負責接收數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的打包并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)測終端;監(jiān)測終端負責對數(shù)據(jù)進行解包、分析和儲存,然后在PC軟件的支持下對各個監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行查看、調(diào)閱等,對超過警戒值的節(jié)點及時報警。系統(tǒng)設(shè)計總結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計總結(jié)構(gòu)圖

2　硬件設(shè)計

2.1無線傳感終端節(jié)點設(shè)計

無線傳感終端節(jié)點一般有溫度采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊、能量供應(yīng)模塊4部分組成。

2.1.1溫度傳感器的選取

電纜接頭溫度的變化是一個緩慢變化過程,只要在警戒值以下,具體的溫度數(shù)值對巡視人員來說,沒必要關(guān)心,而真正需要關(guān)注的是溫度是否越限,即是否達到臨界值。本文選用新一代智能單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20,該傳感器測溫范圍為-55 ℃～+125 ℃,在-10 ℃～+85 ℃范圍內(nèi),精度為±0.5 ℃。DS18B20具備的突出優(yōu)點有:僅3根引腳,體積小、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強;采用了獨特的“單總線”技術(shù),僅需一根接口線即可完成信息的讀寫,節(jié)約了接口資源,同時編程方便;內(nèi)含寄生電源可由單線總線供電,無需外部電源,降低了功耗;無需額外的A/D轉(zhuǎn)換。基于以上優(yōu)點,本文設(shè)計采用DS18B20作為溫度采集節(jié)點的溫度傳感器。

2.1.2微控制器的選取

數(shù)據(jù)處理模塊是無線傳感終端的核心控制器件,選用ATmega16是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 bit CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間,ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 (MIPS)/MHz,從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。所有的寄存器都直接與運算邏輯單元相連接,使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問2個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率,并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率[7]。因此文中采用ATmega16單片機可以保證很好進行數(shù)據(jù)傳送以及對溫度的采集。

2.1.3無線模塊的選取

無線通信模塊選用UTC1212模塊,UTC1212模塊是高度集成超低功耗半雙工微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊,片上集成嵌入高性能低功耗STM8L101處理器,采用最新一代高性能射頻芯片SX1212。該模塊顯著特點:(1)支持在線喚醒功能,處于無線喚醒模式時平均功耗低于20 μA;(2)支持在線修改發(fā)射目標地址,載波頻率等參數(shù),方便實現(xiàn)多點通信;(3)FEC即前向糾錯機制,利用傳輸冗長信息的方法,當傳輸中出現(xiàn)錯誤,將允許接收器再建數(shù)據(jù)。大大提高無線通信的抗干擾能力;(4)大容量數(shù)據(jù)緩沖區(qū),最多一次可支持512 byte長度數(shù)據(jù)包;(5)支持載波監(jiān)聽功能,即在物理層上支持無線碰撞協(xié)議[8]。圖2是終端節(jié)點硬件電路圖。

圖2　終端節(jié)點硬件電路圖

2.1.4能量供應(yīng)模塊的選取

目前在線狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備常用的供能方式有:太陽能供能[9-10]、蓄電池供能[11]、激光供能[12-14]、電容分壓器供能[15]、超聲波供能[16]、互感供能[17-20]等。太陽能的供電方式帶負載能力有限,易受天氣影響,且需長期維護;單一蓄電池供能結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn),但其壽命有限,需要定期更換電池,不能滿足長期運行的要求;激光供能輸出電壓紋波較小,噪聲低,不易受到外界其他因素的干擾,但這種方法也會受到激光輸出功率的限制,特別是光電池轉(zhuǎn)換效率的影響,加大了電路設(shè)計的難度和使用成本[21-22];電容分壓器供能設(shè)計簡單,易于獲取,但容易受溫度、雜散電容、干擾、電磁兼容等因素的影響;超聲波供能雖然是一種比較新的供能方式,但也存在設(shè)備造價高,轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率低等問題。成熟且最為實用的是利用電磁感應(yīng)原理,通過感應(yīng)線圈從處于高電位的電力電纜上獲取電能的方式,線圈與監(jiān)測設(shè)備都處于高電位,避免監(jiān)測系統(tǒng)高壓絕緣的問題,且消除了高壓母線與監(jiān)測系之間直接的電氣聯(lián)系[23]。

本設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示[24],包括取能線圈、沖擊保護、整流濾波、穩(wěn)壓、超級電容、鋰電池及控制部分。其中沖擊保護采用1個瞬態(tài)抑制二極管(TVS),其穩(wěn)壓值略大于后端穩(wěn)壓芯片最大允許輸入值;整流采用常用的橋式整流;濾波也為常用π型LC濾波;超級電容1儲存能量用來為超級電容2充電,作為儲能電容使用;超級電容2給負載供電,作為放電電容使用。當濾波后的電壓大于設(shè)置的電壓范圍值時,過壓保護電路將多余的電壓送入到鋰電池中進行充電。當互感器輸出功率不足時,負載將由鋰電池進行供電。由于篇幅有限,就不進行詳細的說明。如圖3所示取能電源結(jié)原理圖。

圖3　取能電源結(jié)構(gòu)原理圖

圖4　無線傳感節(jié)點體系結(jié)構(gòu)

無線傳感節(jié)點體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2中心節(jié)點設(shè)計

中心節(jié)點負責接收各個測量節(jié)點的溫度數(shù)據(jù),并對各個終端節(jié)點數(shù)據(jù)進行分析和處理,然后統(tǒng)一打包通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠端的監(jiān)測終端。因此中心節(jié)點的設(shè)計要點是高性能,高存儲空間,接口豐富。MCU采用具有雙串口單片機STC12C5A60S2,該單片機是高速、低功耗、超強干擾的新一代8051單片機。GPRS模塊選用TC35系列的TC35i模塊,具有設(shè)計緊湊、高性價比等特點,并且已經(jīng)有國內(nèi)的無線電設(shè)備入網(wǎng)證。GPRS模塊與UTC1212之間采用UART連接。其中短距離的通信模塊同樣使用無線傳輸模塊UTC1212。如圖5所示的中心節(jié)點結(jié)構(gòu)圖。

圖5　中心節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1數(shù)據(jù)采集流程圖

終端節(jié)點對通過溫度傳感器進行溫度的采集,將采集的數(shù)據(jù)通過串口傳輸給無線模塊。數(shù)據(jù)采集流程如圖6所示。

圖6　數(shù)據(jù)采集流程圖

3.2無線通信流程圖

無線通信分為接收端的無線通信和發(fā)送端的無線通信。為了降低功耗,在軟件設(shè)計中采用了喚醒工作機制。UTC1212可以通過SET_A和SET_B設(shè)置芯片的4種工作模式:正常模式、喚醒模式、省電模式、休眠模式(配置模式)。圖7和圖8分別是低功耗發(fā)送端和接收端的工作流程圖。

圖7　低功耗發(fā)送端工作流程圖

圖8　低功耗接收端工作流程圖

3.3監(jiān)測界面的軟件設(shè)計

該數(shù)據(jù)監(jiān)測中心軟件是基于WPF(Windows Presentation Foundation)使用C#開發(fā)的桌面應(yīng)用程序,WPF是微軟新一代的桌面平臺技術(shù)。原有的Windows開發(fā)都是使用GDI或GDI+子系統(tǒng)繪制圖形,WPF幾乎改變了原有的Windows技術(shù),其中最主要的是繪制圖形交給了新的圖形平臺DirectX,更好的設(shè)計用戶界面,提升用戶界面的美觀性、友好性,改變了傳統(tǒng)工業(yè)軟件界面的狀況。

監(jiān)測界面軟件主要實現(xiàn)了一下功能:

(1)登陸界面:給每個用戶分配賬號、角色或權(quán)限,用戶輸入正確用戶名和密碼即可成功登陸,如果登陸失敗,則提示“登陸失敗,用戶名或密碼錯誤”;如圖9所示。

(2)溫度報警:當接受到終端發(fā)送報警信號時,可以通過短信的方式提醒運行人員,以便采取及時處理,避免事故的發(fā)生;

(3)實時溫度曲線顯示:包括溫度曲線的動態(tài)顯示以及歷史數(shù)據(jù)查詢的曲線顯示;如圖10所示。

(4)數(shù)據(jù)報表打印;

(5)數(shù)據(jù)終端管理模塊,包括數(shù)據(jù)終端的添加、修改、刪除;

圖9　登陸界面

圖10　實時溫度曲線

4　結(jié)束語

本文采用兩級傳輸網(wǎng)絡(luò),第1級采用自由頻段的短距離無線通信方式,既可以實現(xiàn)高壓隔離和絕緣,又可以實現(xiàn)對各個終端節(jié)點溫度信號的采集和短距離的傳輸,采用了最新一代的無線透傳模塊,編程簡單,通過控制串口就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸,真正做到所見即所得。如圖11所示無線傳感終端安裝圖。

圖11　無線傳感終端現(xiàn)場安裝圖

第2級采用了不受地區(qū)限制的GPRS網(wǎng)絡(luò),溫度信號通過一臺GPRS模塊傳送到監(jiān)測終端,實現(xiàn)了所管制區(qū)域的所有接頭溫度的統(tǒng)一監(jiān)測。對于供電問題采用了基于超級電容的取能電源設(shè)計,為各個節(jié)點提供了穩(wěn)定的電源。通過監(jiān)控終端后臺軟件的設(shè)計,可以實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)所有電纜接頭溫度信息的調(diào)閱、查詢和監(jiān)測報警以及故障預(yù)報。

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李俊(1988-),男,漢族,江蘇宿遷,南京信息工程大學,碩士研究生,主要研究方向為電氣自動化、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,lijun_nuist@163.com;

錢承山(1971-),男,漢族,山東泰安,南京信息工程大學,教授,主要研究方向為自動檢測技術(shù)、智能終端與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,qianchengshan@163.com。

PowerCableConnectorMonitoringSystemBasedonWirelessSensorNetworkMonitoringSystem*

LIJun,QIANChengshan*,SUNPeng,WANGZhiwei

(School of Information Science and Control,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)

Abstract:For existing the problems and defects of power cable connector’s temperature increase,a new type of monitoring system was developed .The monitoring system fits ATmega16 microcontroller and UTC1212 wireless transparent transmission module as its core part for collecting and monitoring the temperature data of the cable connector,and uses the GPRS network to remote data transmission.Terminal can be powered by using induction change of super capacitor energy storage.For its fast charge and discharge characteristics,the super capacitor can be as a power supply to output its energy storage by discharge to the monitoring system.

Key words:power cable connector;anti-collision;wireless transmission;GPRS;temperature monitoring;super capacitor

doi:EEACC:7210;6050P10.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.040

中圖分類號:TP273

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0767-05

收稿日期:2013-07-17修改日期:2013-08-08

項目來源:企事業(yè)委托項目(2013h066);南京信息工程大學科研啟動基金項目(20100307)