低壓合金電纜運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林文鍵 蔡曉榆 郭謀發(fā) 楊耿杰 梁佳昌

(1.福建省石獅電力有限責(zé)任公司，福建 泉州 362700；2.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108)

隨著城鄉(xiāng)用電負(fù)荷的增加，低壓配電網(wǎng)使用的銅心電纜需求量增大，而近幾年銅資源緊缺，其價(jià)格也持續(xù)上升，減少電纜成本、降低線路損耗、提高性價(jià)比已成為選擇低壓電纜的重要因素。鋁合金電纜用于負(fù)荷傳輸和配送，提供了良好的強(qiáng)度和傳導(dǎo)率，可在滿足電氣性能的前提下大大降低成本。加鋁 Stabiloy 0.6/1kV鋁合金電纜在低壓配電網(wǎng)中逐步得到推廣和應(yīng)用，在相同載流量下其重量?jī)H為銅電纜的一半，其截面積為銅電纜的 1.5倍時(shí)兩者電氣性能一樣，同時(shí)可相應(yīng)地降低安裝成本、減少設(shè)備和電纜的磨損；其次Stabiloy導(dǎo)體制造的電氣連接與銅導(dǎo)體制造的連接具有一樣的穩(wěn)定性；其導(dǎo)體的合金成份大大改進(jìn)了連接性能，尤其具有高強(qiáng)度抗蠕變性能，即使在長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載和過(guò)熱時(shí)也能保證連接穩(wěn)定性[1-2]。

Stabiloy 0.6/1kV合金電纜剛進(jìn)入市場(chǎng)不久，其在低壓配電網(wǎng)中的適應(yīng)性應(yīng)進(jìn)一步研究，為驗(yàn)證其導(dǎo)電能力、連接性能等情況，需對(duì)敷設(shè)于空氣中合金電纜的運(yùn)行電壓、電流和接頭處溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，并與傳統(tǒng)銅電纜做綜合比較，進(jìn)而為低壓配電網(wǎng)電纜選型提供技術(shù)參考。電纜接頭的不良連接會(huì)造成接觸電阻過(guò)大，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)因發(fā)熱過(guò)量而使絕緣逐步老化甚至燒穿，是最易發(fā)生的故障點(diǎn)[3]，因此，對(duì)合金電纜接頭溫度不間斷地監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析可有效驗(yàn)證其連接性能，并結(jié)合電參數(shù)等數(shù)據(jù)可全面了解其運(yùn)行狀況。常用的溫度監(jiān)測(cè)方法有：紅外測(cè)溫、光纖測(cè)溫、無(wú)線測(cè)溫等。紅外測(cè)溫法為非接觸式測(cè)量方法，存在精度低、響應(yīng)慢等缺點(diǎn)，且電纜敷設(shè)環(huán)境對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度有較大影響[4]。光纖測(cè)溫為接觸式測(cè)溫，靈敏度好、響應(yīng)快，但光纖系統(tǒng)的測(cè)量主機(jī)成本高、且需要布線，同樣易積塵的環(huán)境會(huì)影響光纖的絕緣性能[5]。無(wú)線測(cè)溫不受環(huán)境影響、靈活性強(qiáng)，適合于測(cè)量點(diǎn)多、集中性差的電纜接頭溫度測(cè)量。系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單、低成本的無(wú)線通信手段將電纜測(cè)量點(diǎn)溫度及相關(guān)運(yùn)行參數(shù)上傳至供電所的監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)合金電纜運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)，可減少監(jiān)測(cè)設(shè)備的維護(hù)，無(wú)需長(zhǎng)期安排巡視檢查人員。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

結(jié)合實(shí)際情況，Stabiloy合金電纜在所選試點(diǎn)的公用變低壓側(cè)到綜合配電箱之間安裝，系統(tǒng)由無(wú)線測(cè)溫終端、電參數(shù)測(cè)量模塊，環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)模塊、通信管理模塊，以及監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。測(cè)溫終端與通信管理模塊之間采用基于 ZigBee協(xié)議棧的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信[6-7]，為2.4GHz Mesh網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)容量大具有自組織、自愈能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)失效自恢復(fù)等特點(diǎn)；通信管理模塊與監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)間采用 GPRS網(wǎng)絡(luò)通信[8]，其核心是帶有通信接口的MCU和GRPS模塊，其中電纜運(yùn)行的電壓、電流等電參數(shù)和環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)由通信管理終端獲取，電參數(shù)測(cè)量模塊選擇安裝在綜合配電箱處。綜合考慮合金電纜在所選試點(diǎn)的敷設(shè)位置，溫度傳感器可選擇安裝在銅與合金間的電氣接頭處，也可監(jiān)測(cè)合金導(dǎo)線之間的連接點(diǎn)，通信管理模塊最多可接收9個(gè)測(cè)溫終端的溫度數(shù)據(jù)，分3個(gè)位置點(diǎn)監(jiān)測(cè)3相電纜接頭溫度。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線測(cè)溫終端設(shè)計(jì)

合金電纜安裝于低壓用戶側(cè)，其運(yùn)行的環(huán)境均未提供低壓工作電源，考慮測(cè)溫終端應(yīng)對(duì)電纜接頭溫度長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)以及安裝的方便性，宜選用電池供電方式。測(cè)溫終端硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，由CPU、測(cè)溫元件、供電電源、無(wú)線通信模塊等組成。以低功耗單片機(jī)PIC16F690為CPU，該CPU帶1個(gè)UART接口和具有掉電保持功能的256字節(jié)EEPROM存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器用于保存測(cè)溫終端的惟一地址編號(hào)。測(cè)溫元件的選取要求應(yīng)能將溫度檢測(cè)、轉(zhuǎn)換和處理集成于一體，TI公司帶 SMBus接口的低耗電數(shù)字測(cè)溫元件TMP102采用I2C總線方式與CPU連接，可測(cè)溫度范圍-40～125℃，全量程測(cè)溫誤差為±1℃，在-25～+85℃范圍內(nèi)測(cè)溫誤差為±0.5℃，分辨率為0.0625℃。其正常工作模式下的最大靜態(tài)電流為10μA，關(guān)機(jī)模式下則為1μA，工作電壓范圍寬，可選1.4～3.6V。終端的工作電源由兩節(jié)1000mAh鋰電池供應(yīng)，受電池容量限制，應(yīng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮低功耗設(shè)計(jì)，盡可能確保電池的使用壽命[9-10]。ZigBee無(wú)線通信模塊選用Digi公司的XBee ZB模塊，該模塊具有基于Mesh網(wǎng)的固件XB24-B、功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，其工作電壓范圍為 2.1～3.6V，并可支持引腳休眠、定時(shí)休眠，其休眠電流小于1μA。XBee ZB模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)功耗為1.25mW（+1dBm），傳輸距離可達(dá)100m。該模塊通過(guò)UART接口與CPU通信，數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信模塊的輸入、輸出引腳以異步串行信號(hào)傳輸。

圖2 測(cè)溫終端結(jié)構(gòu)圖

無(wú)線測(cè)溫終端的組裝采用黃綠紅3色高壓絕緣熱縮套管恢復(fù)絕緣，測(cè)溫元件TMP102用環(huán)氧樹(shù)脂整體封裝于紫銅管中構(gòu)成測(cè)溫探頭，通過(guò)耐高溫導(dǎo)線與終端主電路板相連[11]。測(cè)溫探頭緊貼電纜接頭，可降低由空氣或外界對(duì)流引起的散熱，同時(shí)應(yīng)對(duì)測(cè)溫終端進(jìn)行固定，防止由于電纜熱膨脹引起測(cè)溫終端與電纜脫離。

2.2 通信管理模塊設(shè)計(jì)

通信管理模塊負(fù)責(zé)接收所選試點(diǎn)的電纜接頭溫度數(shù)據(jù)、獲取電纜運(yùn)行電參數(shù)、監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度及數(shù)據(jù)集中后上傳至監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)，要求應(yīng)具有多個(gè)通信接口，可采用的方案有 MCU擴(kuò)展串口模塊或使用多串口 MCU模塊。綜合考慮了開(kāi)發(fā)周期、成本及穩(wěn)定性等因素，選用Rabbit公司的高性能微處理器—RCM 6760，該模塊的主要硬件資源有：6個(gè)（可配置）高速CMOS兼容的串口，1個(gè)以太網(wǎng)口、1MB程序 FLASH、4MB串行數(shù)據(jù) FLASH，1MB快速SRAM，32個(gè) GPIO，看門(mén)狗等，與外圍電路的接口采用 M iniPCI。通信管理模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖 3所示，RCM 6760的3個(gè)UART通過(guò)芯片MAX1487及光耦PC817提供3路帶隔離的RS485通信接口，1路同電參數(shù)測(cè)量模塊通信，1路同環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)模塊通信，1路作預(yù)留。

圖3 通信管理模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3中與UART3連接的XBee Pro ZB為通信管理模塊的無(wú)線通信接口，考慮到電纜的敷設(shè)距離選用了增強(qiáng)型無(wú)線通信模塊XBee Pro ZB，該通信模塊功耗為60MW(+18 dBm)，傳輸距離可達(dá)500m，通過(guò)UART接口接收所選試點(diǎn)的多個(gè)測(cè)溫終端溫度數(shù)據(jù)，其參數(shù)設(shè)置同XBee ZB模塊。與UART4連接的 ME3000 GPRS為 GPRS模塊，該模塊與RCM 6760通信采用雙線模式，由 CPU的數(shù)字 I/O口線通過(guò)三級(jí)管放大驅(qū)動(dòng) GPRS模塊復(fù)位、啟動(dòng)/關(guān)閉，其通信波特率可達(dá)115200bit/s,外圍電路主要包括 GPRS模塊供電與 SIM 卡。需要注意的是，GPRS模塊在工作時(shí)需要較大電流，為保證供電電流的穩(wěn)定應(yīng)使用專用供電芯片，如 M IC29302等，另外電路板的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮抗干擾等問(wèn)題。

圖3中未畫(huà)出的1個(gè)UART口通過(guò)SP3232芯片實(shí)現(xiàn)RS232電平轉(zhuǎn)換，作為程序下載及調(diào)試接口，以太網(wǎng)接口可作預(yù)留，同時(shí)還擴(kuò)展了2路帶隔離的開(kāi)關(guān)量輸出，用于電纜接頭溫度越限告警。

2.3 電參數(shù)及溫濕度模塊設(shè)計(jì)

電參數(shù)測(cè)量模塊采用寧波三星電表，具體參數(shù)為：3×220/380V，三相四線，3×1.5(6)A，DTS(X)188(B)，精度：有功1級(jí)、無(wú)功2級(jí)，帶RS485通信接口，其通信協(xié)議采用DL/T 645-1997。

環(huán)境溫濕度的監(jiān)測(cè)可采取將溫濕度傳感器直接與通信管理模塊的CPU連接，由RCM 6760一并完成傳感器溫濕度數(shù)據(jù)的采集。考慮到通信管理模塊已在設(shè)計(jì)上預(yù)留了多個(gè)通信接口，環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)模塊應(yīng)獨(dú)立設(shè)計(jì)。選擇使用Microchip公司的16位單片機(jī)PIC24FJ64GA002作為CPU，該CPU帶有兩個(gè)UART接口，1個(gè)作為通信接口，1個(gè)作預(yù)留。傳感器選擇瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的集溫濕度傳感器、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路及存儲(chǔ)器于一體的數(shù)字傳感器芯片SHT11[12]，該芯片為二線數(shù)字接口，完全數(shù)字量輸出、無(wú)需微調(diào)，與CPU直接連接，外圍電路簡(jiǎn)單，具有體積小、運(yùn)行穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，其溫度可測(cè)范圍為-40～120℃，溫度測(cè)量精度為±0.4℃，濕度可測(cè)范圍為 0～100%，濕度測(cè)量精度為±0.3%。CPU的 1個(gè) UART通過(guò)芯片 MAX1487及光耦PC817提供帶隔離RS485接口，能方便與通信管理模塊連接，485通信線加電源線可將溫濕度監(jiān)測(cè)模塊外引，便于選擇適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線通信模塊的軟件配置

ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器、路由器和終端3種通信節(jié)點(diǎn)組成，通信管理模塊與各測(cè)溫終端的數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)電纜的敷設(shè)距離可決定是否啟用路由器，該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于多試點(diǎn)多測(cè)量點(diǎn)的電纜頭溫度監(jiān)測(cè)可相應(yīng)地降低硬件成本，同時(shí)該協(xié)議使用方便，其復(fù)雜度低。通過(guò)Digi公司的配置軟件將通信管理模塊的XBee Pro ZB設(shè)置為協(xié)調(diào)器，測(cè)溫終端的XBee ZB模塊設(shè)置為終端節(jié)點(diǎn)，起路由功能的節(jié)點(diǎn)使用XBee ZB模塊并設(shè)置為路由器（可選擇不加入網(wǎng)絡(luò)）。無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器創(chuàng)建，當(dāng)選擇一個(gè)PAN ID和信道后該網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)并允許其他通信節(jié)點(diǎn)加入，已加入的通信節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)，允許子節(jié)點(diǎn)加入的通信節(jié)點(diǎn)為父節(jié)點(diǎn)。利用配置軟件對(duì) XBee模塊的通信模式及其他參數(shù)進(jìn)行合理配置，主要的參數(shù)內(nèi)容包括：網(wǎng)絡(luò)、地址、射頻RF接口、串行接口、休眠方式、I/O設(shè)置等。以下為系統(tǒng)用到的主要參數(shù)設(shè)置，其中通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸方式均配置為API模式。

1）掃描信道。在創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)時(shí)，協(xié)調(diào)器首先進(jìn)行通道的能量掃描，找出不同通道的 RF活動(dòng)水平，避免協(xié)調(diào)器在高能量通道區(qū)組網(wǎng)，共有16個(gè)通道可設(shè)置，XBee Pro ZB模塊支持其中的14個(gè)。同樣，路由器和測(cè)溫終端加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，也要進(jìn)行同樣的通道掃描。信道的掃描時(shí)間越久，功耗越大，通過(guò)禁掉一些不用的通道可縮短信道掃描時(shí)間，降低測(cè)溫終端的功耗。

2）目標(biāo)地址。XBee模塊在出廠時(shí)已固化了一個(gè)64位的物理地址，在測(cè)溫終端成功加入網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)為其分配一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)地址。

3）串口通信參數(shù)。包括：波特率、校驗(yàn)方式、數(shù)據(jù)流控制等，數(shù)據(jù)通信波特率設(shè)置為9600bit/s，幀格式為8位數(shù)據(jù)位、無(wú)奇偶校驗(yàn)位、1位停止位。

4）休眠模式。測(cè)溫終端采用電池供電應(yīng)考慮其通信模塊的休眠控制，有4種模式供選擇，即不休眠、引腳休眠、定時(shí)休眠、定時(shí)+引腳休眠。本設(shè)計(jì)選擇引腳休眠，并由CPU控制。

5）I/O口設(shè)置。關(guān)閉測(cè)溫終端的XBee ZB模塊不用的引腳和復(fù)用功能。并通過(guò)軟件設(shè)置使CPU的I/O口狀態(tài)與XBee ZB模塊休眠時(shí)I/O口的實(shí)際狀態(tài)相一致，避免不必要的電流流動(dòng)。

3.2 測(cè)溫終端軟件及溫濕度采集

考慮到 Stabiloy合金電纜的工作溫度不超過(guò)90℃，測(cè)溫終端軟件應(yīng)結(jié)合電纜運(yùn)行的情況設(shè)計(jì)合理溫度檢測(cè)及數(shù)據(jù)發(fā)送流程，并進(jìn)一步考慮低功耗的設(shè)計(jì)。CPU采取每隔30s采集一次電纜接頭溫度，正常情況下設(shè)置5m in上傳一次數(shù)據(jù)，在滿足3種情況的任一條件下數(shù)據(jù)為即時(shí)傳輸，即當(dāng)當(dāng)前值比上次的溫度值高 2℃時(shí)上傳一次數(shù)據(jù)；或溫度超過(guò)80℃時(shí)立即上傳一次當(dāng)前采樣值，后面仍為 5m in上傳一次；若溫度超過(guò)90℃時(shí)進(jìn)入預(yù)警狀態(tài)，并設(shè)置為每完成一次溫度采集則立即上傳。為降低終端的運(yùn)行功耗，CPU采用指令休眠，看門(mén)狗定時(shí) 30s喚醒，在滿足數(shù)據(jù)發(fā)送條件后通過(guò) I/O引腳喚醒XBee ZB模塊，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式。低功耗設(shè)計(jì)還考慮了關(guān)閉CPU端口未使用的功能，并將CPU未使用的引腳全部接地并置為輸入。測(cè)溫終端采用發(fā)送/無(wú)響應(yīng)方式向通信管理模塊主動(dòng)傳送數(shù)據(jù)，通信幀設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括4個(gè)字節(jié)的測(cè)溫終端地址，2個(gè)字節(jié)的溫度數(shù)據(jù)，以及用于判斷通信是否丟幀的1個(gè)字節(jié)幀計(jì)數(shù)器。

環(huán)境的溫度濕度信號(hào)由傳感器SHT11轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，通過(guò)I2C總線直接輸出數(shù)字量，并由CPU處理后按照一定的格式打包，CPU采取每3s采集一次溫濕度數(shù)據(jù)，并更新最近采集的10次數(shù)據(jù)做平均值計(jì)算，當(dāng)收到通信管理模塊讀數(shù)據(jù)命令后取更新后的平均值作為應(yīng)答。傳感器的工作時(shí)序及采集流程實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單，在此不做詳述。

3.3 通信管理模塊軟件

通信管理模塊需完成多個(gè)通信口數(shù)據(jù)的組織處理，包括電纜接頭溫度、電參數(shù)等數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和傳輸，若程序采取按固定的順序運(yùn)行，則缺乏靈活性，任一通信數(shù)據(jù)異常都可能影響程序的執(zhí)行效率，特別為通信管理模塊以等待接收的方式獲取電纜接頭溫度。采用μC/OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可方便實(shí)現(xiàn)多任務(wù)編程，各任務(wù)相互獨(dú)立并支持互相通信，可提高軟件開(kāi)發(fā)效率[13]。通信管理模塊采用Dynam ic C設(shè)計(jì)，該編譯軟件已移植好μC/OS-Ⅱ，開(kāi)發(fā)時(shí)可減少設(shè)計(jì)的工作量。基于μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)需進(jìn)行任務(wù)劃分和優(yōu)先級(jí)分配，優(yōu)先級(jí)范圍為 1～64，數(shù)字越小，表示優(yōu)先級(jí)越高，各任務(wù)均使用獨(dú)立的堆棧空間，其堆棧的大小則根據(jù)各任務(wù)的數(shù)據(jù)處理量分配。多任務(wù)的設(shè)計(jì)按通信管理模塊實(shí)現(xiàn)的功能劃分，其軟件框圖如圖4所示，各任務(wù)之間通過(guò)全局變量、信號(hào)量等機(jī)制通信。

1）與測(cè)溫終端通信任務(wù)。該任務(wù)通過(guò) ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接收9個(gè)測(cè)量點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)幀，解析后保存測(cè)溫終端的地址及對(duì)應(yīng)的的溫度信息，并更新上一次溫度數(shù)據(jù)，若某一測(cè)量點(diǎn)未安裝測(cè)溫終端，則將其地址設(shè)置為0xFFFFFFFF。

圖4 通信管理模塊的軟件框圖

2）電參數(shù)采集任務(wù)。獲取三星電表的基本數(shù)據(jù)，包括3相電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率及功率因素，該任務(wù)設(shè)置每3m in執(zhí)行一次數(shù)據(jù)采集。

3）溫濕度采集任務(wù)。主要實(shí)現(xiàn)電纜運(yùn)行環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)采集，由通信管理模塊按照一定的協(xié)議幀格式下發(fā)讀數(shù)據(jù)命令，同樣為每3m in完成一次。

4）GPRS通信任務(wù)。負(fù)責(zé)與監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)通信，接受監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)的命令幀，如溫度召測(cè)、地址召測(cè)、地址設(shè)置、溫度越限設(shè)置、對(duì)時(shí)設(shè)置等。正常情況下，該任務(wù)采取15m in上傳一次所有電纜接頭溫度數(shù)據(jù)、電參數(shù)數(shù)據(jù)及環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)。

5）數(shù)據(jù)解析任務(wù)。主要完成與監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)通信的數(shù)據(jù)幀解析，其操作對(duì)象為各通信口的接收緩沖區(qū)，4個(gè)通信口分別設(shè)置4個(gè)接收緩沖區(qū)，當(dāng)通信口有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)設(shè)置對(duì)應(yīng)的全局標(biāo)志位，數(shù)據(jù)解析任務(wù)則輪詢各標(biāo)志位狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)某個(gè)緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)待處理則立即將數(shù)據(jù)按照一定的通信幀格式構(gòu)造數(shù)據(jù)幀，然后清此標(biāo)志位。已構(gòu)造數(shù)據(jù)幀供GPRS通信任務(wù)調(diào)用。

6）動(dòng)作開(kāi)出任務(wù)。該任務(wù)根據(jù)判斷測(cè)量點(diǎn)的溫度分合閘開(kāi)關(guān)量信號(hào)，作為溫度的越限報(bào)警。

7）定時(shí)任務(wù)。為其他通信任務(wù)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集或傳輸提供準(zhǔn)確的時(shí)間間隔。

8）運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)燈指示任務(wù)。

GRRS模塊提供了 AT指令接口，可方便與RCM 6760進(jìn)行通信，該通信模塊上電后以接收短信的方式獲取監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)的IP地址。當(dāng)通信鏈路建立后，GPRS傳輸采用打包定時(shí)傳輸和越限即時(shí)傳輸模式，考慮到15m in上傳一次數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，采取以每隔3m in的心跳包維護(hù)通信鏈路。通信管理模塊與監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)間的通信幀格式見(jiàn)表 1，其中數(shù)據(jù)均以4個(gè)字節(jié)的單精度浮點(diǎn)數(shù)格式傳輸，數(shù)據(jù)單元標(biāo)識(shí)則用于區(qū)分通信幀類型。

表1 通信幀格式

4 監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)軟件

根據(jù)集中監(jiān)測(cè)的原則和設(shè)計(jì)思路，將數(shù)據(jù)采集、保存、分析、越限報(bào)警和數(shù)據(jù)顯示查詢等功能集中于監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)軟件。軟件可分為4個(gè)部分：通信服務(wù)、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)庫(kù)及實(shí)時(shí)曲線顯示。通信服務(wù)模塊以TCP連接多個(gè)測(cè)試點(diǎn)的通信管理模塊，監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)作為通信鏈路的服務(wù)端，采用window s Sockets非阻塞編程模式實(shí)現(xiàn)各試點(diǎn)的通信管理模塊數(shù)據(jù)的集中，并經(jīng)協(xié)議解析、標(biāo)度變換后將合金電纜頭溫度及相關(guān)運(yùn)行信息寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)分析處理模塊主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢及溫度越限報(bào)警等。數(shù)據(jù)庫(kù)還用于保存系統(tǒng)的參數(shù)配置，主要含有5個(gè)表：所選試點(diǎn)信息表、通信管理模塊信息表、測(cè)溫終端信息表、合金電纜信息表以及實(shí)時(shí)信息表。實(shí)時(shí)信息表包括各個(gè)測(cè)量位置同一時(shí)間點(diǎn)的溫度值、電參數(shù)等數(shù)據(jù)。

合金電纜運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)主要為溫度負(fù)荷曲線實(shí)時(shí)顯示，并提供靈活的歷史數(shù)據(jù)查詢及報(bào)表生成等功能，具體包括：各測(cè)量點(diǎn)的電纜接頭溫度曲線、實(shí)際負(fù)荷電流曲線、線路電壓曲線以及實(shí)際環(huán)境溫度下的載流量曲線等。合金電纜的運(yùn)行環(huán)境溫度是制約其載流量的一個(gè)因素，其選型根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度選擇，載流量曲線根據(jù)電纜運(yùn)行的實(shí)際環(huán)境溫度對(duì)長(zhǎng)期允許載流量進(jìn)行修正，并由導(dǎo)體發(fā)熱理論推導(dǎo)出的式(1)計(jì)算。

式中，θc為電纜導(dǎo)體長(zhǎng)期運(yùn)行工作溫度，Stabiloy 0.6/1kV鋁合金電纜的工作溫度最高的θc值為90℃；θstd和Istd表示為環(huán)境溫度在θstd時(shí)的允許載流量Istd；θr和Ir表示為實(shí)測(cè)環(huán)境溫度在θr時(shí)的允許載流量Ir。

5 結(jié)論

所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)低壓合金電纜的運(yùn)行情況，采用了具有自組織、自愈能力的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及GPRS通信網(wǎng)絡(luò)，免于接線同時(shí)保證了通信的穩(wěn)定性；測(cè)溫終端的軟硬件設(shè)計(jì)采取多種措施降低電池供電的整體功耗；通信管理模塊采用基于μC/OS-Ⅱ的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，便于程序功能的擴(kuò)展。所述方案已在福建某沿海地區(qū)選定的幾個(gè)臨海村鎮(zhèn)試點(diǎn)運(yùn)行，對(duì)在公用變低壓出線端至綜合配電箱進(jìn)線端的合金電纜運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)提供了直觀的溫度負(fù)荷曲線實(shí)時(shí)顯示等功能，具有低成本、使用方便、測(cè)溫精度高、溫度越限上報(bào)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。

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