浅谈无线测温系统在高压开关柜中的设计与应用选型

安科瑞 华楠

 

摘要：针对传统的有线测温方法因无法彻底解决高压绝缘问题而不能应用于高压开关柜温度检测的问题，设计了一种高压开关柜无线测温系统，详细介绍了该系统硬件及软件设计，分析了系统测试过程中存在 的问题并给出了相应的优化措施。测试结果表明，系统可稳定地运行于工作环境，满足一次安装、２ａ内无需维护的要求。

 

关键词：高压开关柜；温度检测；无线网络；ZiBee；JN5148；DS18B20

 

0 引 言

   高压开关柜在运行过程中，柜内触点与母线连接处、动静触头电路发热过大，易引发停电和火灾事故。因此，高压开关柜内温度监测尤其是三相触点温度监测非常重要。

   高压设备存在裸露电压，传统的有线温度检测方法因无法彻底解决高压绝缘问题而不能应用。无线测温系统采用无线电波进行信息传输，不需要布线，与高压设备等电势，不需要采取绝缘措施。因而无线测温系统可解决高压设备测温难题。本文采用ＡＲＭ 单片机及无线模块ＪＮ5148构建星形结构的无线传感网络，结合温度传感器实现高压开关柜关键部位的温度监测。

1 ZiBee技术

  ZiBee 网 络 有 协 调 器 （Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ）、路 由（Ｒｏｕｔｅｒ）和终端（ＥｎｄＤｅｖｉｃｅ）３ 种功能器件［２］。前２种功能器件具有信息中继功能，称为全功能设备（ＦｕｌｌＦｕｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ，ＦＦＤ），而终端只能接收、发送与本身有关的信息，称 为精简功能设备 （Ｒｅｄｕｃｅｄ ＦｕｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ，ＲＦＤ）。ZiBee网络中协调器有且只有１个。ZiBee网络结构有星形、网 状、树 状 ３种，如图１所示。其中星形结构具有便于集中控制、易维护、安全等优点，因此本文采用星形网络结构。

 

2 系统总体设计

   高压开关柜无线测温系统由测温节点、中心节点、上位机３个部分组成，如图２所示。三相触点、母线连接处的温度是监测重点，每个开关柜内三相触点、３个母线连接处共６个位置各安装１个测温节点。三相触点处测温节点置于静触头上，母线连接处测温节点置于导电臂上，测温节点均用高压绝缘胶布绑扎固定。测温节点传感器与测温部位间涂抹导热硅脂以保证热量的充分传递。测温节点在ZiBee网络中为终端节点。各开关柜内还放置１个中心节点，该节点一方面作为ZiBee协调器建立网络、收集数据，另一方面作为 Ｍｏｄｂｕｓ从站响应来自上位机的请求帧，并在现场实时显示监测数据。各开关柜内的６个测温节点和１个中心节点组成一个ZiBee星形网络，不同开关柜内的ZiBee网络有不同的网络标号，各自之间不存在信号串扰问题。

 

  测温节点在检测温度的同时，利用无线模块内自带的电压检测功能对节点供电电压进行检测，与温度值一同发送。上位机将接收到的温度、电压数据进行处理及存储，并提供查询功能，同时在温度值超过预警值或电压值低于阈值时发出警报。

3 系统硬件设计

3.1测温节点

  测温节点是高压开关柜无线测温系统的基本装置，负责采集和发送温度值、电压值。它由 ＳＯＣ 芯片ＪＮ５１４８、单总线数字温度传感器 ＤＳ１８Ｂ２０ 和电源模块组成，如图３所示。

 

图３ 测温节点组成

  ＪＮ５１４８是由Ｊｅｎｎｉｃ公司生产的第三代超低功耗、高 性 能 无 线 模 块。ＪＮ５１４８ 可 支 持  新 的ZiBee协议———ZiBeePRO，休眠电流为２．６μＡ，通信距离（可视）可达１ｋｍ，发送电流为１５ ｍＡ，接收电流为 １７．５ ｍＡ，工 作电压为 ２．３～３．６ Ｖ。３２位ＲＩＳＣ ＭＣＵ 保证了ＪＮ５１４８强大的处理能力。该系统中应用的ＪＮ５１４８模块自带陶瓷天线，免去了复杂的射频设计环节和高成本的开发测试过程。

  ＤＳ１８Ｂ２０为 Ｄａｌｌａｓ公司生产的单总线数字温度传感器，采用外接电源的方法供电，温度测量范围为－５５～＋１２５ ℃，测量精度为0.5℃，可满足系统测温要求。

  电源模块采用锂电池直接供电方式。单节锂电池额定电压为3.6Ｖ，容量达２４００ ｍＡ·ｈ。

 

3.２中心节点

 

  中心节点结构如图４所示。

 

 

  中心节点负责接收测温节点传来的信息并上传信息给上位机，同时将信息显示在放置于开关柜柜门上的液晶屏上，以供现场察看。为调整监测、通信参数，中心节点还接有键盘作为输入设备。中心节点工作量大、占用管脚数多，用ＪＮ５１４８ 作为核心控制器存在程序不易设计、管脚数量少的缺点，故选用ＡＲＭ 系列 ＬＰＣ２１３２作为中心节点ＭＣＵ，ＪＮ５１４８仅作为无线传输单元，与ＬＰＣ２１３２之间通过串口通信。由于中心节点需要长期不间断工作，因此，电源采用电网交流供电。

 

4 系统软件设计

  ＪＮ５１４８应用ZiBeePRO协议栈，运行在实时操作系统ＪｅｎＯＳ 上。ＪｅｎＯＳ 是由Ｊｅｎｎｉｃ公司开发的专门应用于无线传感器网络的操作系统。ＪｅｎＯＳ在调度不同优先级的实时任务时具备及时性和灵活性。ＪＮ５１４８的集成开发环  境为ＣｏｄｅＢｌｏｃｋｓ，该软件是Ｊｅｎｎｉｃ公司提供的代码编辑和编译环境，可在Ｊｅｎｎｉｃ官方网站上免费下载，从而降低了开发成本。

4.1测温节点软件

 

  测温节点上电后先对硬件进行初始化，然后搜索ZiBee网络，如存在则加入网络，加入网络后即开始进行数据采集、发送等任务。当没有数据采集、发送等任务时，测温节点则进入睡眠模式。ＪＮ５１４８有工作、睡眠、深度睡眠３ 种功耗模式，因深度睡眠模式只能通过端口中断触发唤醒，本设计采用睡眠功耗模式，即由实时时钟唤醒。为更及时地发现温度异常情况，测温节点采用动态睡眠机制，即在温度 正常时睡眠时间为设定的基准值，当温度升高时睡眠 时间将在基准值的基础上减小，温度越高睡眠时间越 短，温度回到正常范围后睡眠周期变为设定基准值。睡眠基准值范围为３～６００ｓ。相对于温度变化，电池电压的变化较缓慢，故本设计中电压检测周期比温度检测周期大。图５为测温节点软件程序流程。

 

4.2中心节点的ＪＮ５１４８模块软件

  中心节点的ＪＮ５１４８模块在ZiBee网络中作为协调器，上电后先对硬件初始化，然后搜索信道，在 未使用的信道上建立网络，建网成功后即等待终端 加入网络并发送数据，接收到数据后通过串口将数据传给 ＬＰＣ２１３２。上位机与ＬＰＣ２１３２ 之间通过ＲＳ４８５现场总线连接，采用Ｍｏｄｂｕｓ协议传输信息。上位机作为 Ｍｏｄｂｕｓ主机，各开关柜内的 ＬＰＣ２１３２作为 Ｍｏｄｂｕｓ从机。图６为中心节点的ＪＮ５１４８模块软件程序流程。

 

4.3上位机软件

  上位机管理软件采用面向对象的 ＶＢ６．０开发。上位机将接收到的温度、电压值及对应节点的ＩＤ按时间线存储，经过处理后，用户可通过该管理软件查看任意节点在任意时刻的温度值、电压值及其变化趋势图。另外，该软件可在温度值超过预警值或电压值低于阈值时发出报警信号，用户根据节点的ＩＤ即可找到有异常情况的开关柜。

 

5 系统测试与优化

  为验证高压开关柜测温系统的可行性，笔者对该系统进行了测试。测试过程中发现如下问题：(1)高压开关柜内电磁环境复杂，易对节点尤其是测温节点正常工作产生影响。(2)高压开关柜内存在高压且允许随意中断工作，致使测温节点后期维护不便。

  针对以上问题，笔者采取以下措施：(1)软件、硬件抗干扰措施。软件方面，应用数字编码、解码技 术剔除干扰信号，并 加入软件滤波技术，同 时对ＤＳ１８Ｂ２０转换温度取３ 次平均值以消除随机干扰；硬件方面，ＪＮ５１４８ 本身具有金属屏蔽罩，同时加强各级滤波能力以消除高频干扰。(2)软件设计时增加自动重新加入网络功能，保证在中心节点因某种原因重启后，测温节点能自动重新加入网络，无需人工干预。

  为计算测温节点锂电池的供电时间，笔者在模拟开关柜环境下，用 ＴｅｋＤＰＯ４０５４数字示波器电流探头对测温节点的工作电流进行采样，电流曲线如图７所示。

 

  计算测温节点锂电池供电时间的难点在于温度转换时间、温度转换时工作电流及发射时间的获取。如图７所示，在 Ｔ０ 时刻测温节点从睡眠状态被唤醒，Ｔ１ 时刻３次温度值转换结束并发送数据，Ｔ２ 时刻数据发送完毕，测  温节点重新进入睡眠状态。ＪＮ５１４８ 模 块 睡 眠 电 流 为 ２．６ μＡ，发 射 电 流 为 １５ ｍＡ，温度转换时间 Ｔ１ －Ｔ０、发射时间 Ｔ２ －Ｔ１分别为１５００ ｍｓ、１０ ｍｓ，温度转换时的工作电流Ｉ为１１ ｍＡ。以常规的测温周期为５ ｍｉｎ 为例，得到锂电池供电时间为

 

  可得锂电池的理论供电时间约为４．７ａ。然而实际环境中锂电池存在自放电问题，且电量不可能全部放尽，寿命无法达到４．７ａ，因此本设计中将运行年限设定为２ａ。

 

  系统经测试与优化后，可稳定地运行于工作环境，而对测温节点锂电池供电时间的验证，表明系统满足一次安装、无需维护的要求。

6 安科瑞无线测温系统介绍与选型

  安科瑞无线测温监控系统是根据当前无线测温系统的要求，在广泛征求用户和专家意见的基础上,充分吸收当前国内外厂家的成功案例，并结合安科瑞多年来的丰富经验，采用面向对象的分层分布式设计思想，结合自动化技术、计算机技术、网络技术、通信技术而设计的一款专业的无线测温软件。

6.1 Acrel-2000T无线测温系统结构

  Acrel-2000T无线测温监控系统通过RS485总线或以太网与间隔层的设备直接进行通信（如图8），系统设计遵循国际标准Modbus-RTU, Modbus TCP等传输规约，安全性、可靠性和开放性都得到了很大地提高。

 

  Acrel-2000T无线测温监控系统具有遥信、遥测、遥控、遥调、遥设、事件报警、曲线、棒图、报表和用户管理功能。可以监控无线测温系统的设备运行状况，实现快速报警响应，预防严重故障发生。

 

  Acrel-2000T无线测温监控系统主要特点是开放式系统结构，硬件兼容性强，软件移植性好，应用功能丰富。该系统具有强大的处理能力，快速的事件响应，友好的人机界面，方便的扩充手段。其软件系统的设计依据软件工程的设计规范,模块划分合理，接口简捷明了，主要包括主控模块、人机界面、图形组态、数据库管理系统、通信管理等几大模块。

 

6.2 Acrel-2000T无线测温系统功能

■实时监测

  Acrel-2000T无线测温监控软件人机界面友好，能够以配电一次图的形式直观显示各测温节点的温度数据及有关故障、告警等信息。

■温度查询

  温度历史曲线（1分钟、5分钟、60分钟可选）

■运行报表

  查询各回路设备运行溫度报表

■实时报警

  壁挂式无线测温监控设备具有实时报警功能，设备能够对温度越限等事件发出告警。

■设备提供以下凡种告警方式：

  a.弹岀事件报驚窗口.

  b.实时语音报警功能，能够对所有事件发出语音告警.

  C.短信吿警，可以向指定手机号码发送吿警信息短信（需选配短信猫）.

  Acrel-2000T无线测温监控系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。

  通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如数据库修改等）。可以定义不同级别用户的 登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

■定值设置

  用于修改高温定值、超温定值。

■WEB（可选）

  展示页面显示变电站数量、变压器数量、监测点位数量等概况信息， 设备温度、通信状态，用电分析和事件记录。首页显示场站的变压器数量、回路个数、有功功率、无功功率、用电量、事件记录等概况信息，可通过实时监控、变压器、通信模块切换到需要查看的界面。

  实时数据曲线可监测各个回路的测点温度、电压、电流、功率曲线信息。

  接线图页面通过一次图实时反映电气参数变化，包括测量量、信号量等信息（信号量 需要断路器提供辅助触点支持）。

  能耗统计页面显示各回路的功率峰值和用电量峰值，功率、电能趋势曲线，电能环比，用电排名。

  运维管理\通信状态显示监测接入系统设备的通信状态。

■手机APP（可选）

  设备数据员面显示各设备的电參量数据、温 度数据以及曲线。

6.3 安科瑞ARTM系列无线测温终端产品选型

  安科瑞电气接点无线测温方案由无线温度传感器、收发器、显示单元组成。温度传感器直接安装于断路器动触头、静触头、电缆接头、母排等发热接点，将测温数据通过无线射频技术传至接收装置，再由接收器485通讯至测温终端或无线测温系统（如图9）。

 

6.3.1 安科瑞无线温度传感器

 

  无线温度传感器共有5种，分别对应螺栓固定、表带固定、扎带捆绑、合金片固定等安装方式。针对不同的变电站要求，可根据传感器供电方式以及安装位置的不同，考虑安装方便的因素，选择相匹配的传感器。

 

 

物料名称	型号	参数说明
电池型无线测温传感器	ATE100	电池供电，寿命≥5年；-40℃~+125℃； 2.4GHz，空旷距离10米； 102.37*47.93*23mm，φ13.5mm(长*宽*高，孔径)。
	ATE200	电池供电，寿命≥5年；-40℃~+125℃； 2.4GHz，空旷距离10米； 44.17*30*18.5mm，L=325.40mm(长*宽*高，三色表带)。
	ATE300B	电池供电，寿命≥5年；-10℃~+125℃； 470MHz，空旷距离150米； 49.95*35.95*22mm(长*宽*高)。
CT取电型无线测温传感器	ATE300	CT感应取电，启动电流≥5A；-10℃~+125℃； 470MHz，空旷距离150米； 扎带固定，合金片取电；73*33.5*16mm(长*宽*高)。
	ATE400	CT感应取电，启动电流≥5A；-50℃~125℃； 433MHz，空旷距离150米； 合金片固定、取电；三色外壳；25.82*20.42*12.8mm(长*宽*高)。

 

6.3.2 安科瑞无线收发器

 

  无线测温收发器共有3种，通过无线射频方式接收温度数据。收发器根据不同的传感器型号进行匹配，同时传感器的传输距离决定接收装置能否多柜接收。

 

 

物料名称	型号	参数说明
无线收发器	ATC200	可接收12个ATE100/200
	ATC400	可接收240个ATE300/ATE300B
	ATC450-C	可接收240个ATE400

 

6.3.3 安科瑞显示终端

 

  显示装置通过RS485连接收发器，可嵌入式安装于柜体上，若柜体开孔不便，也可选择壁挂式安装于配电室内。方便操作人员现场及时查看电气节点实时温度的同时，也可以通过RS485或以太网通讯的方式在后台系统查看现场情况。

 

 

物料名称	型号	参数说明
显示终端	ARTM-Pn	面框96*96*17mm，深度65mm；开孔92*92mm； AC85-265V或DC100-300V供电； 一路上行RS485接口，Modbus协议； 接收多达60个ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。
显示终端	ASD320 ASD300	面框237.5*177.5*15.3mm，深度67mm；开孔220*165mm； AC85-265V或DC100-300V供电； 一路上行RS485接口，Modbus协议； 接收多达12个ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。
显示终端	ATP007 ATP010	面框226.5*163*6mm，深度70mm；开孔215*152mm； DC24V供电；一路上行RS485接口；一路下行RS485接口； 接收20个ATC200/1个ATC400/1个ATC450-C。
无线测温集中集中采集设备	Acrel-2000T/A	壁挂式安装 标配一路485接口、一路以太网口 自带蜂鸣器告警 柜体尺寸480*420*200 （单位mm）
无线测温监控设备	Acrel-2000T/B	硬件：内存4G，硬盘128G，以太网口 显示器：12寸，分辨率800*600 操作系统：Windows7 数据库系统：Microsoft SQL Server 2008 R2 可选Web平台/APP服务器 柜体尺寸为480*420*200（单位mm)

 

7 结语

 

  高压开关柜无线测温系统采用片上系统高性能、低功耗无线微控制器ＪＮ５１４８ 与数字温度传感器 ＤＳ１８Ｂ２０为基本元件组建ZiBee无线系统，避免了复杂的现场布线过程，解决了高压开关柜不易绝缘的问题。该系统通过现场总线与上位机通信，实现了高压开关柜的远程实时温度监测。

 

【参考文献】

[1] 王福凯，兰西柱，董瑞琦，李海洪，赵殷瑶．高压开关柜无线测温系统设计［Ｊ］.工矿自动化，2012(7)：108-112．

[2] 孙科，肖宾杰．ZigBee技术在测温系统中的应用［Ｊ］．测控技术，2008（１）：36-38.

[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版.