CN103778769A - 基于无线温度传感器网络的高压开关柜多点监测*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线温度传感器网络的高压开关柜多点监测***，由高压侧发射端和上位机接收主控端两部分组成，高压侧发射端包括多个高压开关柜以及安放在每个高压开关柜触头上的测温模块；上位机接收主控端包括上位机终端以及射频接收端，两者通过RS232串口总线相连；上位机接收主控端以循环轮询的方式通过射频接收端向测温模块发送查询命令，射频接收端采用点对多点双向无线通信协议接收测温模块所测温度数据，并将数据传输至上位机终端进行显示和存储。本发明根据无线传感器网络和点对多点通信***原理进行设计，具有结构简单，便于安装组网；通信协议简单，抗干扰强，便于工程应用。

Description

基于无线温度传感器网络的高压开关柜多点监测***

技术领域

本发明涉及电力设备状态在线监测领域，尤其涉及一种基于无线温度传感器网络的高压开关柜多点监测***。

背景技术

大多数高压开关设备采用封闭结构，散热条件较差，在设备的长期运行过程中，开关柜内的触点、接头及母线排连接处等部位因老化、接触电阻过大而发热，而且长期处于高电压，大电流和满负荷的条件下运行，其结果导致热量集聚加剧，如果不对高压开关设备温升采取有效的监测措施，不能及时发现其过热，将会危及电气设备的安全运行。特别是10kV的高压开关柜，直接控制用户负荷，如果发生突然停电事故，不但会造成不良的社会影响，而且给用户和供电部门造成很大的经济损失。目前对高压开关柜的监测大都基于人工巡检，手持式红外测温仪获得开关柜内的温度数据，但由于开关柜的结构越来越复杂，元件遮挡的影响使得红外测温仪往往无法获得准确的温度数据，人工巡检时间间隔也过长，无法及时发现故障。因此急需研究在线监测***，对高压开关柜温度进行在线监测。

国内外开关柜测温***的研究重点主要是在测温方法以及数据传输方式上。开关柜测温方式主要有接触式测温和非接触式测温两大类。数据传输方式主要有有线传输与无线传输。目前比较成熟的高压开关柜测温主要有红外测温法、光纤光栅测温法和无线测温法。红外测温是非接触测量，适宜制作成手持式测温仪，但由于开关柜内部结构复杂，对红外辐射光路的遮挡较多，易受检测环境的温度、湿度、背景辐射等因素影响，不能保证准确测得温度，并且红外测温成本昂贵也限制了其应用。光纤光栅测温适合开关柜内高电压、大电流、强磁场的环境下对触头进行高精度、高稳定性的测量，能构成分布式测温***对所有触头进行在线监测，但是由于变电站的开关柜测温点多，所需光纤会很多，成本高，布线存在困难，而且可能会出现“爬电”现象，带来绝缘问题。无线测温通过无线传输数据，解决了高低压侧绝缘问题，测温装置结构简单，成本低，易于安装，无需布线。

无线传感器网络WSN（wireless sensor network）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络***。无线传感器网络主要由传感器节点、网关（也称sink node）、管理节点（观察者）三个部分组成。传感器节点由数据采集的传感器、数据处理单元、数据传输通信模块和电源等4部分组成。数据采集的传感器根据测量被感知对象的物理量（温度、湿度、声音、加速度等）和监测区域的条件要求进行选择；处理器通常选用嵌入式CPU；数据传输通信模块主要由低功耗、短距离的无线通信模块织成；电源主要是采用干电池或太阳能电池供电。传感器节点散布在监控区域内，每个节点收集数据，把数据无线传送到网关，最终通过无线或有线传输给观察者。同样地，观察者可以通过网关以同样的方式将信息发送到传感器节点。

目前10kV变电站的高压开关柜大部分采用KYN型，其过热部位主要发生在柜内小车断路器的触头，由于运行条件恶化，接触电阻变大，在大电流流过时，触头温升过快，甚至会烧毁。一座变电站一般有二十几台高压开关柜，一台开关柜的触头有6个，分布在上下侧A、B、C三相上，即一台开关柜至少要测量6个点的温度，而对于整个变电站所有开关柜，所测量的点有上百个，可以利用无线传感器网络原理，设计出一种基于无线温度传感器网络的点对多点的测温结构，整个测温网络属于小容量的多点***，可以采用小容量TDMA点对多点通信网络结构，以循环轮询的方式对所有节点进行访问。基于此背景下，需要充分考虑整个测温节点的通信问题，测温装置的安放位置，以及***的软件设计，使得最终的整套***能实时在线监测所有节点的温度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于无线温度传感器网络的高压开关柜多点监测***，对整个变电站所有开关柜的测温节点进行监测，结构简单，便于安装组网；通信协议简单，能采用单点对多点监测温度，抗干扰强，便于工程应用。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于无线温度传感器网络的高压开关柜多点监测***，由高压侧发射端和上位机接收主控端两部分组成，所述高压侧发射端包括多个高压开关柜以及安放在每个高压开关柜上下侧A、B、C三相触头上的测温模块；所述测温模块包括用于供电的供电电源、温度传感器、第一微控制芯片、第一无线射频模块，其中温度传感器、第一无线射频模块分别与第一微控制芯片连接；所述上位机接收主控端包括一个上位机终端以及射频接收端，两者通过RS232串口总线相连；所述射频接收端包括相互连接的第二无线射频模块和第二微控制芯片；其中第一无线射频模块与第二无线射频模块进行无线通信；所述上位机接收主控端以循环轮询的方式通过射频接收端向每个高压开关柜上的测温模块发送查询命令，所述射频接收端采用点对多点双向无线通信协议的收发模式一次接收一个高压开关柜上所述测温模块发出的温度数据，并将数据传输至上位机终端进行显示和存储。

作为本发明的进一步优化方案，所述供电电源由两块圆柱形锂耐高温型电池TL-5526并联组成。

作为本发明的进一步优化方案，所述第一、第二微控制芯片均选用STM32F103RBT6型号的控制芯片。

作为本发明的进一步优化方案，所述第一、第二无线射频模块均选用NRF24L01型号的无线射频芯片。

作为本发明的进一步优化方案，所述温度传感器的型号为DS18B20。

作为本发明的进一步优化方案，所述第一、第二无线射频模块工作时采用低功耗的EnhanceShockBurstTM收发模式；不工作时，进入掉电模式。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，可以对变电站所有高压开关柜过热部位进行温度在线监测，建立的一套完整的测温***，能及时发现过热故障，改变了以往变电站工作人员计划巡视检测周期长，测温设备精度不高的状况。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是上位机接收主控端程序流程图。

图3是高压侧发射端程序流程图。

其中，1-高压开关柜；2-测温模块；3-射频接收端；4-上位机终端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

基于无线温度传感器网络的高压开关柜多点监测***，如图1所示，由高压侧发射端和上位机接收主控端两部分组成。所述高压侧发射端包括多个高压开关柜1以及安放在每个所述高压开关柜1上下侧A、B、C三相触头上的测温模块2；所述测温模块2包括用于供电的供电电源、温度传感器、第一微控制芯片、第一无线射频模块；温度传感器将所测温度信号转化为数字信号，第一微控制芯片对温度数据进行打包处理，第一无线射频模块将数据包发送给上位机接收主控端。所述上位机接收主控端包括一个上位机终端4以及射频接收端3，两者通过RS232串口总线相连；所述射频接收端3包括第二无线射频模块和第二微控制芯片；所述射频接收端3接收到数据后，将数据上传给上位机终端4进行显示和存储。

本发明的工作过程如下，设定有N台高压开关柜，N为自然数：

第一、第二无线射频模块选用NRF24L01模块，采用EnhancedShockBurstTM收发模式，该模式有三大优点：尽量节能；低的***费用（低速微处理器能经行高速射频发射）；数据在空中停留时间短，抗干扰性高。高压侧发射端的测温模块在完成温度数据发送后，进入掉电模式，此时电流损耗最小。

在收发模式下，数据帧包括6个字节，其中第一个字节为数据帧的帧头，第二、第三个字节为测温模块的硬件地址，第四个字节为所测温度的整数部分，第五个字节为所测温度的小数部分，第六个字节为CRC校验码。

整个***有6N个测温节点，每个测温节点都需要配置不同的硬件地址，分别配置为0X01,0X01（1号柜1号节点），0X01，0X02（1号柜2号节点）… 0X0N,0X01（N号柜1号节点）… 0X0N,0X06（N号开关柜6号节点）。温度数据含两个字节，一个字节为温度的整数部分，一个为小数部分。

无线射频模块有6个接收通道，采用点对多点双向无线通信协议的收发模式，能同时接收6路数据，即接收6个发射模块发出对应通道的数据。那么上位机接收主控端一次只需发射一个测温命令，就能对一台开关柜的6个测温节点进行温度监测，则一次循环周期需要发送N次测温命令，这样就能对整个变电站的所有开关柜进行温度监测。

程序初始化后，射频接收端3的无线射频模块设置为发送模式，发出查询命令，循环访问每台开关柜的六个测温模块2；第M台高压开关柜1的六个测温模块2处于接收等待状态，只有当测温模块2接收到通信地址与本测温模块的硬件地址一致且CRC校验正确时，测温模块2才开始测温并发送温度数据，然后进入掉电模式；射频接收端3发出命令后，转为接收模式，接收第M台高压开关柜1的六个测温模块2的温度数据，并将温度数据通过RS232串口上传给上位机终端4，判断温度是否超限，实时显示在屏幕上，并对数据储存；接着向第M+1台高压开关柜1的六个测温模块2发测温命令。

第M台开高压开关柜1的测温模块2进入掉电模式后，经过N-1台高压开关柜1测温工作时间后，再次进入接收等待状态。此时上位机接收主控端访问完其余N-1台高压开关柜1所有测温节点后，再次对第M台高压开关柜1的测温模块2发出查询命令，如此循环，从而达到循环轮询的访问方式。

如图2所示的上位机接收主控端程序流程图，程序初始化后，射频接收端3的无线射频模块设置为发射模式，发出查询命令；确认是否接收到接收方的确认信号，若是则发送命令成功，适当延时后设置为接收模式；接收到高压侧发射端发出的温度数据后，通过串口通信传送至上位机终端4进行显示；若温度超限，则发出报警信息；再经过适当延时，将射频接收端3的无线射频模块重新设置为发射模式，进入下一台开关柜的温度采集。

如图3所示的高压侧发射端程序流程图，程序初始化后，测温模块2的无线射频模块设置为接收模式，在接收到查询命令后唤醒温度传感器进行测温，并适当延时后设置为发射模式；将包含温度信息的数据包发送至上位机接收主控端，并确认是否接收到确认信号；若否则重新发送，若是则发送成功，进入掉电模式；延时N-1台开关柜测温工作时间之和，将测温模块2的无线射频模块重新设置为接收模式，进行下一个测温周期。

采用循环轮询的方式，要设置恰当的延时，选用处理速度快的芯片，以及无线通讯稳定和快速的无线收发模块，才能保证测温的实时性，以及数据的抗干扰性和准确性。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.基于无线温度传感器网络的高压开关柜多点监测***，由高压侧发射端和上位机接收主控端两部分组成，其特征在于：所述高压侧发射端包括多个高压开关柜（1）以及安放在每个高压开关柜（1）上下侧A、B、C三相触头上的测温模块（2）；所述上位机接收主控端包括一个上位机终端（4）以及射频接收端（3），两者通过RS232串口总线相连；所述上位机终端（4）以循环轮询的方式通过射频接收端（3）向每个高压开关柜（1）上的测温模块（2）发送查询命令，所述射频接收端（3）采用点对多点双向无线通信协议的收发模式一次接收一个高压开关柜上所述测温模块（2）发出的温度数据，并将数据传输至上位机终端（4）进行显示和存储。

2.根据权利要求1所述的基于无线温度传感器网络的高压开关柜多点监测***，其特征在于：所述无线通信协议的数据帧包括6个字节，其中第一个字节为数据帧的帧头，第二、第三个字节为测温模块的硬件地址，第四个字节为所测温度的整数部分，第五个字节为所测温度的小数部分，第六个字节为CRC校验码；只有当测温模块接收到的查询命令中通信地址与本测温模块的硬件地址一致且CRC校验正确时，测温模块开始执行测温命令并向射频接收端传输所测温度数据。

3.根据权利要求1所述的基于无线温度传感器网络的高压开关柜多点监测***，其特征在于：所述测温模块（2）包括用于供电的供电电源、温度传感器、第一微控制芯片、第一无线射频模块，其中温度传感器、第一无线射频模块分别与第一微控制芯片连接；所述射频接收端（3）包括相互连接的第二无线射频模块和第二微控制芯片；其中第一无线射频模块与第二无线射频模块进行无线通信。

4.根据权利要求2所述的基于无线温度传感器网络的高压开关柜多点监测***，其特征在于：所述供电电源由两块圆柱形耐高温型锂电池TL-5526并联组成。

5.根据权利要求2所述的基于无线温度传感器网络的高压开关柜多点监测***，其特征在于：所述第一、第二微控制芯片均选用STM32F103RBT6型号的控制芯片。

6.根据权利要求2所述的基于无线温度传感器网络的高压开关柜多点监测***，其特征在于：所述第一、第二无线射频模块均选用NRF24L01型号的无线射频芯片。

7.根据权利要求2所述的基于无线温度传感器网络的高压开关柜多点监测***，其特征在于：所述温度传感器的型号为DS18B20。

8.根据权利要求2所述的基于无线温度传感器网络的高压开关柜多点监测***，其特征在于：所述第一、第二无线射频模块工作时采用低功耗的EnhanceShockBurstTM收发模式；不工作时，进入掉电模式。

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