基于nRF24LE1的高壓開關柜動靜觸頭無線溫度監測系統設計

智兆華，劉文學，李文朝，耿曉娟

（1.河北科技大學機械電子工程學院，河北石家莊 050018；2.石家莊博發科技有限公司技術部，河北石家莊 050054）

基于nRF24LE1的高壓開關柜動靜觸頭無線溫度監測系統設計

智兆華1，劉文學1，李文朝2，耿曉娟2

（1.河北科技大學機械電子工程學院，河北石家莊 050018；2.石家莊博發科技有限公司技術部，河北石家莊 050054）

介紹了利用n RF24LE1無線收發芯片，實現對高壓開關柜觸頭的溫度監控，其測溫終端直接安裝在高壓帶電部分，實現等電位工作，實測溫度通過無線方式傳輸給監測主機，解決了高壓絕緣問題；整套監測系統由溫度監測終端、監測主機和系統PC機構成，實現了高壓觸頭溫度的實時監測，保證了電力高壓開關的可靠運行。

n RF24LE1；高壓開關柜；溫度監測；低功耗

在配電系統中，開關柜中觸頭的溫度是開關連接質量的重要指標。隨著使用年限的增加，觸頭由于氧化、磨損、變形或接觸松懈等原因會導致接觸電阻增大，進而導致溫度升高，特別是在高溫和高負荷期間。過度發熱會影響供電的可靠性，嚴重的會導致觸頭燒熔事故的發生，因此在配電系統中，對連接觸頭等關鍵部位進行溫度監測，可提前發現安全隱患，及時采取相應處理措施，提高供電可靠性。

1 系統設計方案

高壓開關柜有固定式（XGN系列）和移動式（KYN系列）2大系列，固定式高壓開關柜其內部的開關固定在開關柜內部，檢修不方便；移動式開關柜內部的開關可以由手炳絲杠移出柜體，便于檢修，但是增加了一個連接環節（動靜觸頭），動觸頭與開關連接，靜觸頭與出線銅排連接，外有護套保護，圖1是實際開關柜中動靜觸頭安裝使用的幾組照片。溫度的監測點是動靜觸頭，其外面有一個環氧樹脂護套，空間狹小。

溫度測量有接觸式和非接觸式2種，對高壓帶電體進行直接接觸測量會有一定的電擊危險［1］。高壓設備非接觸測溫一般采用光纖和無線2種方式［2］，光纖測溫需要將光纖引到被檢測點，安裝比較繁瑣，同時，整套設備價格也相對昂貴，根據開關柜內部的實際結構，本設計采用接觸測量、無線數據傳輸的方法，測溫探頭與監測主機分離，圖2是系統整體框圖。

整個監測系統主要由3部分組成：測溫終端、監測主機和監測PC機。測溫終端主要由n RF24LE1及溫度傳感器構成，它根據設定的測溫頻率進行溫度采集，并將數據通過無線方式傳輸給監測主機，監測主機就地顯示溫度且通過RS485總線與PC機交換信息，將數據存檔。

圖1 動靜觸頭幾組照片Fig.1 Static and dynamic contact groups of photos

圖2 系統整體框圖Fig.2 Overall system block diagram

2 測溫終端的硬件設計

測溫終端直接安裝在被檢測點，要求體積小、功耗低，具有無線傳輸功能，是整個測溫系統關鍵部分，對測溫終端而言，終端體積是硬性指標，必須能夠安裝在護套與動靜觸頭之間縫隙內，供電模式、無線傳輸電路和測溫電路的復雜程度都會影響終端體積的大小［3］。本系統采用Nordic公司生產的n RF24LE1作為主控芯片，外接少量器件便可滿足設計要求，圖3是測溫終端的硬件原理框圖。

2.1 主控及外圍部分

主控部分就是一片nRF24LE1芯片，nRF24LE1是集成了nRF24L01＋2.4 GHz無線收發器（空中速率為250 kb／s，1 Mb／s和2 Mb／s）和快速微控制器的智能芯片，16 KB程序存儲器（片內Flash），1 KB數據存儲器 （片內RAM）；1 KB非易失數據存儲器，及6—12位模數轉換器，適應從微功耗到高效的多種運行模式，它是一款嵌入了2.4 GHz高性能無線收發器的增強型51單片機，集成多種外圍設備，采用超低功耗技術，工作電壓為3.3～5.5 V，體積小，功耗低，休眠狀態下功耗為3μA，非常適用于無線測溫應用。

2.2 溫度檢測部分

對于觸頭的溫度而言，更高精度的溫度測量意義不大，注重的是小電流、低功耗，±2℃的誤差完全可以起到預警作用，因此，本設計采用的是日本產103AP-2熱敏電阻作為溫度傳感器，采樣范圍為－60～150℃，低端溫度誤差為±0.5℃，高端溫度誤差為±0.7℃，使用主控芯片內部的模數轉換部件實現溫度采集功能（圖4）。圖4中P1.3在平時為低電平，整個測溫電路不消耗任何功率，在測溫時段P1.3輸出高電平給測溫電路供電。特別注意的是n RF24LE1內部A／D轉換器的線性輸入范圍，R4用于保證在溫度采樣范圍內AIN10和AIN6的輸入電壓均位于A／D轉換器的線性輸入范圍。系統使用AIN10和AIN6的比例關系計算熱敏電阻的阻值，避免R4和I／O口導通電阻對NTC計算值的影響，然后將電阻值分段線性計算溫度值。

圖3 終端測溫原理圖Fig.3 Terminal temperature measurement diagram

2.3 供電電池選擇及電池檢測部分

根據設計需要，測溫終端必須能在－20～80℃環境下工作，現行無線終端設備的供電方式一般有太陽能電池供電、電流互感器供電、電池供電等［4－5］。太陽能電池體積大，而且一般用于室外太陽充足的地方，不適宜在開關柜內使用；電流互感器供電方式只適用于線路電流達到一定值時使用，更小的電流終端將無法工作；得益于現在集成芯片工藝的改進，低功耗芯片大面積出現，使電池供電成為可能，電池供電的工作時間畢竟有限，采用電池供電必須對整機功耗要有精確的計算。

整個終端模塊的功耗是本次設計的重要指標之一，終端模塊的功耗與無線傳輸的速率、收發數據包的長度及溫度采樣周期有關，必須經過精確的計算，其主要功耗在3個階段：休眠、測溫和無線發送。本例設計參數：溫度采樣周期可以設定在2 s以上；無線數據速率250 kb／s；地址為3個字節，CRC為1個字節，自動ACK；發送數據包長度為5個字節；ACK數據包長度為3個字節。在此參數下，其各階段的工作電流、持續時間及計算功耗如下。

1）功耗計算，見表1。

圖4 溫度采樣局部原理圖Fig.4 Schematic of local temperature sampling

表1 功耗計算Tab.1 Power consumption calculate

2）電池等效容量計算

根據選擇電池放電容量與放電電流關系曲線獲得的數據列于表2。在環境溫度為72℃時，按各電流時的容量及功耗百分比計算的等效容量為

3）工作時間計算

在環境溫度為72℃，采樣周期為4 s時的工作時間為

表2 等效容量計算Tab.2 Equivalent capccity culculation A·h

不同溫度和采樣周期下的電池等效容量及使用年限見表3。

表3 不同溫度和采樣周期下的電池等效容量及使用年限Tab.3 Calculation of the capacity of lithium batteries

本設計采用高容量一次，其基本參數如下。

1）標稱電壓：3.6 V；2）工作溫度：－55～85℃；3）容量：1 600 m A·h，年自放電率小于1%，儲存期為10 a以上；4）安全性能好，電池在存儲、運輸、使用過程中不會爆炸。

電力部門要求工作時間不小于5 a，通過以上計算，選用ER14335鋰亞硫酰氯電池作為供電電源完全滿足設計要求。為更好地保證電池供電部分可靠安全運行，在測溫終端內部，設計有電池電壓檢測部分，n RF24LE1本身含有一路電池監測電路，直接采樣供電電壓，可以把電池電壓與溫度采樣值一起發送至監測主機，當電池電壓低于設定值時，聲光報警，可提醒維護人員及時更換。

3 監測主機設計

監測主機具有人機處理接口，負責顯示、處理、統計測溫終端上報數據，設定無線采集參數，并具有RS485接口，與監測PC機相連接，見圖5。

4 軟件框架設計

nRF24LE1有6路數據管道，使它非常適宜構建6∶1星型網絡，而且硬件支持在回復ACK時附加數據包，使測溫終端在上報數據時可以獲得監測主機的回復，該回復可以為命令、數據或狀態。系統使用該特性構建雙向傳輸協議，大大減少了軟件的協議開銷。

監測主機和配對的6個終端為1組，使用相同的設置，如上報周期、頻道等。系統使用唯一的組地址用于區別各組，測溫終端還附加有終端地址用于區分該組中的各終端。測溫終端以設定的時間間隔上報溫度數據，在連續8次未收到主機的回復時認為測溫主機未開啟，會以更長的時間間隔上報數據，以節省功耗，當通信成功時會恢復為設定的上報時間間隔。測溫主機根據設定的上報時間間隔和測溫終端上報情況統計無線數據傳輸的成功率及最大上報間隔以進行無線通信的評估；當測溫終端連續兩次通信失敗后會以某一固定無線頻道上報數據一次，該功能用于頻道設置，防止測溫主機和測溫終端頻道不一致時無法設置。

圖5 監測主機結構框圖Fig.5 Block diagram of monitoring the host

5 整機調試

圖6是檢測主機、測溫終端及實際安裝位置的實物圖片。調試過程分3步：溫度的標定、無線數據傳輸和上位機通信。

1）溫度標定方法

由于采用高精度熱敏電阻，整個溫度采集是根據熱敏電阻的阻值經查表換算得出的，對熱敏電阻的要求很高，本次設計應用的103AP-2型號熱敏電阻的穩定性、精度都非常好，其對終端采樣溫度的標定就變換為對采樣阻值的標定：根據熱敏電阻的阻值－溫度對應表，查取高、中、低3種溫度下的電阻值，用3個標準電阻代替，檢測終端模塊的采樣精度。

2）無線傳輸及上位機通信

無線傳輸主要檢測誤碼率和通信距離，實際測試中，將終端采集模塊和監測主機放置不同的位置，相距12 m，將上位機和監測主機通過RS485連接，連續檢測1 h，計算誤碼率。經檢測實驗，12 m處誤碼率小于0.1%，通信正常。

圖6 測溫終端及實際安裝位置實物圖片Fig.6 Temperature physical location of the terminal and the actual installation pictures

6 結 語

高壓開關作為電力系統的重要設備，其安全可靠運行是保證電網良好工作的前提，本文設計的無線溫度監測系統結構簡單，性能可靠，采用無線傳輸解決了高低壓隔離問題，通過RS485接口與PC主機相連接，系統擴展靈活，在線實時監測高壓開關觸頭的溫度，經過一年多的實際運行，工作穩定，有效保障了電力系統的正常運行。

［1］ 錢祥忠.高壓開關柜內接頭溫度在線監測系統的設計［J］.儀表技術與傳感器（Instrument Technique and Sensor），2007（2）：73-75.

［2］ 時 斌.光纖傳感器在高壓設備在線測溫系統中的應用［J］.高電壓技術（High Voltage Engineering），2007，33（8）：169-173.

［3］ 李 力.基于RF微功率芯片的測溫系統設計［J］.現代電子技術（Modern Electronics Technique），2010，324（13）：117-119.

［4］ 徐 明，陽憲惠.高壓開關觸頭溫度無線監測系統［J］.電子技術應用（Application of Electronic Technique），2009（4）：98-101.

［5］ 李曙英，周根元.基于無線的高壓母線溫度監測系統的設計［J］.微計算機信息（Microcomputer Information），2008，11（2）：148-150.

［6］ 朱金鈞，楊奎河，宋 強，等.一種新型的計算機溫度檢測系統［J］.河北科技大學學報（Journal of Hebei University of Science and Technology），2002，23（1）：54-59.

Design of wireless temperature monitoring system of high voltage switchgear contact based on nRF24LE1

ZHI Zhao-hua1，LIU Wen-xue1，LI Wen-chao2，GENG Xiao-juan2
（1.College of Mechanical and Electronic Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China；2.Department of Technology，Shijiazhuang Bofa Science and Technology Company Limited，Shijiazhuang Hebei 050054，China）

n RF24LE1 wireless transceiver chip is used to monitor the temperature of high voltage switchgear contacts.The high temperature terminal is installed directly on the live part of the HV workplace.The measured temperature is wirelessly transmitted to the monitoring host，which solves the problem of high voltage insulation.The complete monitoring system consists of temperature monitoring terminal，monitoring host and PC.The design achieves real-time monitoring of high temperature contact and ensures reliable operation of high-voltage power switch.

nRF24LE1；high voltage switchgear；temperature monitoring；low power consumption

TM83；TP274

A

1008-1542（2011）05-0446-05

2011-02-22；

2011-06-30；責任編輯:陳書欣

智兆華（1970-），男，河北元氏人，講師，主要從事自動化控制方面的研究。