電力電纜溫度智能在線監(jiān)測系統(tǒng)

蘇寧　李邦　孟慶銘

摘 要：電力電纜的溫度實時監(jiān)測是保障電力電纜性能的重要環(huán)節(jié)，文章提出的電力電纜溫度智能在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括了電纜等電位測溫模塊、接地箱模塊與遠程監(jiān)測中心服務器三大部分，可以實時準確地監(jiān)測電力電纜的溫度變化情況，為電力系統(tǒng)的正常運行提供技術保障。

關鍵詞：電力電纜；等電位測溫；ZIGBEE；服務器

中圖分類號：TM76 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）25-0098-02

1 概述

電力電纜是電力系統(tǒng)基礎設施中的最重要組成部分之一，在供電過程中發(fā)揮著重要作用。電纜絕緣性能的優(yōu)劣是決定電力電纜正常運行的主要影響因素，而電纜的接頭與導體溫度又是影響電纜絕緣性能的關鍵指標，對電力電纜溫度進行監(jiān)測，是電力系統(tǒng)研發(fā)過程中的關鍵技術之一。

電力電纜溫度監(jiān)測方法可以分為離線監(jiān)測與在線監(jiān)測二種方式[1]。作為傳統(tǒng)方法的離線監(jiān)測包括示溫臘片法、引線接頭測溫法、接觸式電信測溫法、紅外測溫法等，然而這種方式需要斷電之后檢測人員攜帶儀器進行現(xiàn)場檢測，實時性差、消耗的人力物力大。而在線監(jiān)測方法主要包括了感煙式在線監(jiān)測法、數(shù)字溫度傳感器測溫法、感溫電纜溫度監(jiān)測法、分布式光纖測溫法與光纖光柵測溫法等，完全的在線監(jiān)測法均不需要人工干預，實時性強，但也存在著結構復雜，工程施工量大等實際問題，不能用于大規(guī)模推廣。因此，本文提出了一種基于短途無線與遠程無線相結合的電力電纜溫度智能在線監(jiān)測與分析系統(tǒng)方案，可更有效地利用現(xiàn)有的電力設施，具有很好的性價比。

2 總體系統(tǒng)設計

電力電纜溫度智能在線監(jiān)測與分析系統(tǒng)是采用了等電位結點無線傳感技術，在被測電氣結頭上用物理連接方式固定等電位溫度傳感器，以ZIGBEE無線通信方式將數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)接地箱，發(fā)送距離為100-200米。數(shù)據(jù)接地箱負責上傳在其接收范圍內的探頭數(shù)據(jù)，并通過3G/4G遠程無線網(wǎng)絡把監(jiān)測到的溫度數(shù)據(jù)傳送到遠程監(jiān)測中心服務器中。遠程監(jiān)測中心服務器承擔全天24小時的數(shù)據(jù)監(jiān)聽任務，并可實現(xiàn)測溫點分區(qū)域分級顯示、數(shù)據(jù)智能分析處理、局域網(wǎng)報表發(fā)布等功能。系統(tǒng)主要包括分布在各個測試現(xiàn)場點的電纜等電位測溫模塊、接地箱模塊與遠程監(jiān)測中心服務器三大部分，總體結構圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)模塊設計

3.1 電纜等電位測溫模塊設計

電纜等電位測溫模塊專門設計用于電纜接頭部分與導體的運行溫度監(jiān)測，實現(xiàn)接觸式溫度測量。本設計中等電位測溫技術，其中探頭與電氣結點采用等電位技術，很好的保護了內部電路。探頭使用數(shù)字式測溫芯片，測溫精度高，比傳統(tǒng)的采用熱敏電阻所帶來的溫度誤差要小的多。

在本設計中，采用了STM32芯片STM32F103VET6作為微處理器芯片，該芯片工作頻率最高可達72MHz，內置512K字節(jié)Flash閃存和64K字節(jié)SRAM，具有豐富的增強I/O端口和標準通信接口。該芯片內部包含3個12位ADC，可以方便地采集電阻式測溫傳感器的信號，還可以通過內置的UART串口擴展出ZIGBEE模塊，從而實現(xiàn)基于ZIGBEE的短途無線通訊。

ZIGBEE作為一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低復雜度的無線網(wǎng)絡技術，加上其出色的通訊距離、安全性和可達100～1000天的電池壽命，在本測溫系統(tǒng)中應用具有很好的技術優(yōu)勢。測溫模塊通過ZIGBEE無線網(wǎng)絡連接到接地箱模塊中。在本設計中，ZIGBEE模塊采用上海順舟電子科技有限公司生產(chǎn)的SZ05-ZigBee嵌入式無線數(shù)傳模塊。

本測模塊對采集的溫度數(shù)據(jù)發(fā)射周期采用動態(tài)調整模式。當傳感器所測溫度在0℃以下時，每5分鐘發(fā)射一次溫度信息；當所測溫度在0℃-50℃，每3分鐘發(fā)射一次溫度信息；當所測溫度在50℃以上時，每1.5分鐘發(fā)射一次溫度信息；當出現(xiàn)告警溫度時就馬上向接地箱模塊發(fā)射溫度信息。

3.2 接地箱模塊設計

接地箱模塊主要起到了信息中轉的作用，一方面通過ZIGBEE短途無線網(wǎng)絡接收來自于等電位測溫模塊，將溫度數(shù)據(jù)通過3G/4G無線網(wǎng)絡傳至遠程服務器中。一個接地箱可以最多接收256個測溫模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)信息，可對溫度數(shù)據(jù)進行粗步分析和保存，去除過期數(shù)據(jù)保存較新數(shù)據(jù)，并提供硬接點報警功能。

在本設計中，還是采用了STM32芯片STM32F103VET6作為微處理器芯片，主要利用了它內置的2路UART單元進行了接口擴展，一路用于擴展ZIGBEE模塊，另一路用于擴展3G/4G模塊。本設計中的ZIGBEE模塊同樣采用上海順舟電子科技有限公司生產(chǎn)的SZ05-ZigBee嵌入式無線數(shù)傳模塊，而3G模塊則采用中興MC2716模塊，該模塊采用CDMA 1X/EVDO制式，支持數(shù)據(jù)、語音和短信業(yè)務?？紤]到系統(tǒng)的實時性，本模塊采用了uCosII實時操作系統(tǒng)，并采用層次化設計方法，實現(xiàn)了系統(tǒng)程序移植、驅動程序設計及應用程序設計。

3.3 遠程監(jiān)測中心服務器軟件

電力電纜溫度智能在線監(jiān)測系統(tǒng)遠程監(jiān)測中心服務器主要用于控制和接收多個接地箱獲得的電纜溫度的運行狀態(tài)和故障信息，將這些數(shù)據(jù)處理后存儲并且在網(wǎng)頁上顯示。

本設計的服務器主要安置在電力部分的遠程監(jiān)測中心，監(jiān)測中心的服務器主要有兩類，一是主服務器；一是數(shù)據(jù)庫服務器。其架構如圖2所示。

主服務器上運行著所有的web應用、web應用服務器以及java server，承受較高的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)吞吐量，因此需要一個性能穩(wěn)定、處理能力較強、安全系數(shù)較高的服務器作為服務端程序和網(wǎng)頁應用的硬件載體。本設計采用的是一款戴爾T620企業(yè)級的服務器，它的性能和處理能力可以滿足現(xiàn)階段的需求，并搭載CentOs6.4操作系統(tǒng)，在服務器安全性上更加有保障。同時，主服務器采用雙網(wǎng)卡，一張與外接網(wǎng)絡進行通信，一張與局域網(wǎng)內的數(shù)據(jù)庫服務器交換數(shù)據(jù)，分攤數(shù)據(jù)吞吐壓力。數(shù)據(jù)庫服務器也搭載CentOs6.4操作系統(tǒng)，并安裝MySql數(shù)據(jù)庫，與主服務器通過局域網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信。將數(shù)據(jù)庫服務器置于局域網(wǎng)內能有效保證數(shù)據(jù)的安全性，同時也能提高數(shù)據(jù)的吞吐速率。

服務端程序設計主要考慮兩個方面，一方面是網(wǎng)絡通信，另一方面是數(shù)據(jù)庫的存取。在網(wǎng)絡通信方面，本設計采用了Apache mina網(wǎng)絡通信框架。Apache mina是基于TCP/IP、UDP/IP協(xié)議棧的通信框架，具有高性能、高擴展性等優(yōu)勢。同時，mina提供了事件驅動、異步IO操作的編程模型，這使得對于并發(fā)量較少的需求，可以不考慮并發(fā)對網(wǎng)絡通信的影響，大大提高了開發(fā)的效率。在數(shù)據(jù)庫操作方面，本設計采用了Hibernate作為持久層的解決方案。Hibernate是一個面向java環(huán)境的開源的ORM框架，它將對象模型表示的對象映射到關系模型數(shù)據(jù)結構中去，甚至可以不考慮純粹的SQL，就能以面向對象的方式操作關系數(shù)據(jù)庫。

4 結束語

本文提出的基于等電位的電力電纜在線測溫系統(tǒng)可以實時準確地監(jiān)測電力電纜的溫度變化情況，為電力系統(tǒng)的正常運行提供技術保障。但在具體實施過程中，單一的測溫方法有時未必能夠滿足所有復雜的工況變化，在后續(xù)的工作中，也將進一步探討多種測溫傳感器融合的信號采集方法，并在服務器部分加入機器學習的分析方法，從而可以更有效地實現(xiàn)對電力電纜運行壽命的預測。

參考文獻：

[1]高云鵬，譚甜源，劉開培.電子電纜溫度監(jiān)測方法的探討[J].絕緣材料，2014，47（6）：13-17.

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[4]虞洋.基于車聯(lián)網(wǎng)的汽車遠程信息系統(tǒng)服務器軟件設計[D].杭州：浙江大學，2016.endprint