基于無線的高壓輸變電的溫度測量系統設計

摘 要：介紹了一種基于無線的高壓輸變電節點溫度測量的系統，詳細介紹了該溫度測量系統中溫度探頭的軟硬件設計。硬件平臺設計采取TI公司MSP430系列單片機加nRF905無線收發芯片的結構，軟硬件的設計符合溫度探頭的低功耗和耐高壓、高低溫的設計要求。最后，就溫度探頭的功耗分析給出了其測量方法和測試結果。本系統設計采取無線傳輸和電池供電方式，解決了傳統高壓線節點只能通過紅外槍檢測的問題。該測溫系統已經在高壓輸變電系統上得到了運用。

關鍵詞：高壓輸變電系統；溫度測量；nRF905；MSP430F1XX

Temperature Measurement Design of High Voltage Change and Convey System Based on Radio

ZOU Yingquan

(School of Electric Information Engineering，Nanjing University of Information Science Technology，Nanjing，210044，China)

Abstract：Temperature measurement of high voltage change and convey system design based on radio is introduced，hardware and software design of the tag of temperature measurement that is an important part of the temperature measurement system is discussed in detail.The design of temperature measurement tag fulfilled the claim for low power，high voltage enduring，low and high temperature enduring.The method of power measurement and the result of the system designed are presented.The problem of temperature measurement of high voltage change and convey system is solved.And the system has been applied.

Keywords：high voltage change and convey system；temperature measurement；nRF905；MSP430F1XX

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1 引 言

隨著科技進步及工農業的現代化發展，人民生活水平不斷提高，用電量大幅上升，對電網供電安全性、可靠性提出了越來越高的要求。高壓輸變電系統的負荷日益加重，由于未采用有力的監測防患措施，高壓輸變電系統在大電流運行中由于各種原因引發的發熱方面的故障率一直居高不下，特別是在高溫高負荷期間，由于開關柜內或輸變線觸頭(接點）過熱引起的事故時有發生。本文提出的基于無線的高壓輸變電系統節點溫度測量系統就是基于這樣一個應用背景而設計，它能對高壓開關柜觸頭和室外的高壓輸變電線路節點的溫度進行在線監測，實時報警。

系統總體結構框圖如圖1所示。測溫系統由溫度探頭、溫度監測器、控制中心三個部分組成。溫度探頭放置在高壓開關柜和輸變電線路的節點上，將檢測的溫度信息通過無線方式發送到溫度監測器，一個溫度監測器可以管理至多100個溫度探頭，溫度監測器將收到的溫度探頭的溫度信息通過ModBus總線送到控制中心，控制中心由計算機和運行在計算機上的測溫系統管理軟件組成。一個控制中心可以管理255個溫度監測器。本文重點介紹其中的溫度探頭的軟硬件設計。溫度探頭的設計需能同時適應室內的開關柜和室外的高壓輸變電傳輸線環境，所以溫度探頭設計采用電池供電和無線傳輸形式。硬件電路和軟件電路的設計必須考慮如何實現低功耗、如何適應惡劣的高壓、強工頻磁場環境以及無線傳輸距離問題。

圖1 測溫系統總體結構框圖

2 硬件電路設計

溫度探頭硬件電路由溫度傳感器、單片機、無線傳輸模塊及電池組成如圖2所示。下面先分別對這4個模塊所選器件作簡單介紹。

2.1 溫度傳感器

考慮到溫度探頭是電池供電，所以選擇溫度傳感器時需選擇溫度轉換時間短，電流小的器件。通過選擇比較，AD7814符合設計要求，AD7814內部有10 b的溫度到數字轉換器；溫度測量范圍：-55 ～+125 ℃；SPI總線接口；具有省電模式；溫度轉換時間25 μs；溫度轉換時的電流250～400 μA；低功耗時工作電流0.43～1 μA。

2.2 單片機

TI公司的MSP430系列單片機在電池供電系統中的應用有獨特優勢，考慮到IO口數量和體積問題，最終選擇TI公司的MSP430F2111作為主控制器。該單片機是16位單片機，它有4種低功耗工作模式，其中低功耗模式三(LPM3）的工作電流只有不到1.2 μA。另外，單片機內部有頻率可到16 MHz的內部時鐘。

2.3 無線收發模塊

無線收發模塊主要由Nordic公司的nRF905及其外圍電路構成。nRF905是一款收發一體化的無線接收芯片，工作電壓為1.9～3.6 V，可工作的頻帶范圍為430～920 MHz，芯片內自帶調制解調器，發送時自動打包數據，接收時自動實現地址匹配、CRC校驗。發送或接收完畢后，其DR引腳會自動置為高電平，以表示發送或接收完畢。nRF905具有SPI總線接口，具有極低功耗，以-10 dBm的輸出功率發射時電流只有11 mA，在接收模式時電流為12.5 mA，掉電狀態電流僅為2.5 μA。nRF905共有4種工作模式，分別為低功耗模式、SPI編程模式、接收模式和發送模式。其工作模式由CPU控制其三個引腳TRX_CE、TX_EN和PWR_UP的高低電平決定。

2.4 電池

根據設計需要，溫度探頭必須能夠在-20～80 ℃環境下正常工作，所以電池的溫度特性要非常好，容量要大。經過比較選擇，采用容量為1 200 mAh的鋰-亞硫酰氯(Lithium Thionyl Chloride，Li-SOCl2)電池(3.6 V），該電池的主要特點如下：

(1) 基本參數：電池標稱電壓3.6 V，重量比能量700 Wh/kg，體積比能量1 380 Wh/L；

(2) 使用溫度范圍寬：電池使用溫度-55~+85 ℃；

(3) 自放電率低、儲存期長：年自放電率1%，儲存期10年以上；

(4) 安全性能好：電池在儲存、運輸、使用過程中不會產生爆炸；

(5) 環保：電池中不含汞、鎘、鉛等有害重金屬，無污染。

2.5 溫度探頭工作過程

單片機與AD7814和nRF905的硬件連接圖如圖2所示。AD7814通過SPI總線與單片機相連，單片機通過SPI總線完成對AD7814的讀寫操作。nRF905的狀態信號CD，控制信號TXEN，TRX_CE，PWR_UP，SPI總線信號CSN，SCK，MOSI，MISO分別與單片機IO口相聯。單片機通過模擬SPI總線完成對nRF905的操作。單片機的外部采用32.768 kHz晶體作為系統定時器時鐘。

圖2 原理圖

2.6 高壓屏蔽

溫度探頭要能夠在高達22 kV高壓環境下正常工作，為了避免高壓感應電動勢對電路的影響，設計時用銅皮將除了天線以外的電路完全屏蔽，經過實際測試22 kV環境下能夠正常工作。

3 軟件設計

為了更省電，軟件設計時，溫度探頭只向溫度監測器發送信息而不接收監測器數據，即單向傳輸。系統上電后，程序首先作單片機初始化，初始化包括：IO口初始化(輸入口，輸出口設置），時鐘初始化(單片機內部時鐘工作在16 MHz，作為單片機主時鐘，外部32.768 kHz時鐘作為定時器的計數時鐘），單片機初始化完成后，程序進入傳感器AD7814和無線收發芯片nRF905初始化，初始化完成后，程序進入低功耗模式三(LPM3），等待定時器中斷。此時單片機內部時鐘停振，只有外部時鐘和定時器工作。定時器每隔1 s中斷一次，定時器中斷后，單片機自動退出低功耗工作方式，并自動啟動內部時鐘，軟件啟動溫度傳感器AD7814采集溫度，并等待溫度采集完成，讀取溫度數據后，判斷溫度變化是否超出2 ℃，如果超出則將溫度和標簽號通過nRF905發送給溫度監測器，溫度監測器將收到的數據通過Modbus總線發送給管理計算機用于報警和數據分析與存儲。

軟件程序分為二部分。一個是主程序，流程圖如圖3(a)所示，另一個是定時器中斷服務程序，流程圖如圖3(b)所示，定時中斷服務程序結束后系統自動返回低功耗狀態。

圖3 軟件流程圖

4 功耗分析

功耗是溫度探頭設計中最重要的性能指標之一，所以設計時功耗的測量也就非常重要了。

溫度探頭的工作有三個狀態：休眠狀態、溫度檢測狀態和無線發送狀態；因此測量其功耗也就是分別測量這三個狀態的工作電流：休眠電流、溫度檢測電流、無線發送時電流。

溫度探頭工作過程為：每隔1 s采集一次溫度數據，如果溫度變化不超過±2 ℃，則每10 min發送一次溫度數據，如果超過則立即發送。實際工作時，由于檢測點溫度不會經常變化，因此絕大部分數據發送時間間隔為10 min。測試功耗時時，采集器的無線發送功率設置為+10 dBm。測試設備可選存儲示波器(可選agilent公司546420存儲示波器）和電流表(可選GOSSEN MENRAWATT公司的METRA HIT 28S）。

4.1 測試方法

如圖4所示，在采集器供電電源上串接10 Ω電阻，用存儲示波器觀察并記錄采集器工作時，電阻兩端電壓變化，從而測得采集器各工作狀態的持續時間，再計算出其工作電流。

4.2 時間和電流測量

(1) 溫度采集時間

如圖5所示是單片機只有溫度采集操作時測得的電壓變化波形圖。從圖上可以看出每采集一次溫度數據時單片機工作的時間<1 ms。

(2) 無線發送狀態時間

如圖4所示，示波器上波形圖是無線發送時電阻兩端的電壓變化波形圖。從圖上可以看出：nRF904發送一次數據的時間為<4 ms。

圖4 測試平臺整體圖

圖5 溫度采集電壓變化波形圖

4.3 工作電流測量

(1) 休眠狀態電流測量

休眠時電流非常小，用示波器測量無法測量其變化，改用5位半電流表測量其電流。修改程序使單片機的定時器中斷關閉，測量單片機工作電流，測量值為1.5 μA，即為溫度探頭的休眠電流。

(2) 溫度檢測工作電流測量

如圖5所示波形，取其電壓峰值，計算得到最大電流為60 mV/10 Ω=6 mA。

(3) 無線發送電流測量

如圖4所示當nRF905發送數據時電源上的電流最大，最大電流為300 mV/10 Ω=30 mA。

4.4 溫度探頭連續工作時間計算

(1) 先計算10 min內溫度探頭的功耗，單位毫安時(mAh）

休眠狀態功耗：