變電站設備接頭溫度監控系統設計

李 強，連垚杰

（山西長治供電公司調控中心，山西長治 046000）

0 引言

變電站作為電力傳輸中最為重要的一個環節設備復雜且數量眾多，溫度是衡量設備與系統是否在正常運行的重要指標。近些年來，我國發生多次因為設備接頭高溫異常而導致的設備運行故障造成的大面積停電事故，帶來了巨大的經濟損失。目前我國大部分的變電站接頭設備的溫度監控主要是依靠人工使用紅外測溫儀來實現，近些年也出現了很多電力設備接頭溫度檢測的新技術[1-6]。使用人工方式的紅外測溫技術主要依靠值班人員的責任心對測試點進行溫度測量，不能對數據進行實時的監控，有很大的主觀性。另外，紅外測溫儀能夠準確得到溫度數據，設備必須具有正確反射率，在人工測量的過程中這樣勢必會影響測試數據的可靠性。在人工測試的過程中，有些設備的接頭處于密封的環境，使用紅外測溫儀就無法得到全面的溫度數據。

針對以上問題，本文提出使用遠程無線數據監測的方式對設備的接頭進行實時的監測。以Sim?pliciT1協議為支撐，將低功耗的溫度傳感器感知的數據進行無線通信與傳輸，數據被傳輸到遠程的實時監控中心，進行分析與監測。另外，為了使監控系統能夠具有更大的兼容性，本文設計了系統的USB接口電路。軟件設計中采用了模塊化的設計方法完成監控系統的軟件設計，系統具有了反饋異常及時報警的功能。數據存儲中本文使用的是SQL server技術，關聯數據庫的引入保證數據的存儲與抽取性能可靠。實際的系統測試證明，本系統在不同的空間時間維度中都能表現出數據測量準確、傳輸可靠的性能，具有很強的實用價值。

1 設備接頭溫度監控系統總體設計

變電站的設備運行在不可預知的環境中，溫度采集系統的設計應該能夠盡可能的具有抵抗各種室外惡劣環境的穩定性能。本文中的變電站電力設備接頭溫度監控中采用了模塊化的設計，每一個模塊通過不同的通信接口進行數據的傳輸與共享。這種設計方法能夠保證系統的模塊獨立性，便于維護與進行擴展。變電站溫度監控系統的總體設計分為數據采集模塊、無線傳感網絡支撐模塊、遠程信息管理模塊等三個模塊。圖1為其系統圖。

溫度采集模塊主要是將DS18B20溫度傳感器安裝在變電站的重點監控的設備的接頭，這種傳感器最大的好處就是內置了模數轉換技術的數字溫度轉換器，實現了輸出信號的全數字化，數字化的輸出便于外圍單片機支持電路的設計，這種傳感器使用單總線的數據傳輸，節約了單片機接口。因為變電站設備接頭的工作溫度范圍在一個較大的范圍內，DS18B20的溫度范圍,在的范圍內精度可以保持在左右，這樣的溫度測量的精度，可以保證在不同的環境下變電站設備接口的溫度測量的精確。

圖1 接頭溫度監控系統圖

無線網絡支撐模塊本系統選取的是SimpliciT1通信協議作為支撐，使用CC1100進行硬件通信支撐，因為網絡匯聚節點的中繼作用在整個無線網絡中的重要性，本系統在設計的過程中盡量將網絡的匯聚節點安裝在一些環境較好的地方這樣可以對其進行很好地保護。CC1100是一種低成本的收發器，其體積較小、功耗低、性能優良適合在變電站接頭溫度監控系統的無線網絡中使用。

遠程信息管理模塊主要負責對溫度數據進行存儲，對一些異常的數據進行形象展示與報警。在系統的擴展模塊中本系統設置了USB接口以保證被系統可以具有更強大的兼容性。

數字式溫度傳感器感知數據以后，數據通過網絡協議的控制傳輸到無線網絡的匯聚節點，匯聚節點將數據通過串口傳輸到上位機中，上位機通過信息管理程序對數據進行分類，對一些異常的數據要進行重點標注。USB擴展接口的設計可以使系統能夠具有很強的擴展性能，為其他系統提供數據支撐服務。

2 設備接頭溫度監控系統硬件設計

溫度監控的硬件系統與系統的總體設計模塊相符合，根據系統的要求在各個獨立的模塊中通過接口化設計逐步將支撐硬件細化，將系統的功能映射到具體的硬件中。

在數據的采集終端使用的傳感器是以電池供電的方式進行的，電源部分采用了SPX1117-3.3芯片，這種芯片可以實現穩定的3.3 V的電壓供電，本系統采用這種電源為單片機控制芯片與CC1100供電。

圖2中的E1與E6是兩個極性電解電容，為了保持足夠快的上電速度，這兩個電容的取值不宜過大。為了防止電源接反，本文引入了肖特基二極管D11。這種電源可以為LM3S1138型單片機進行供電外還要進行CC1100無線模塊的供電。

圖2 電源供電電路圖

在收發模塊的支撐電路中，本文設計了使用電阻R171來設置偏電流，晶體振蕩器選擇了26 M的高精度外部晶體，晶體的引腳包括2個電容，在本外圍電路的設計中所有的電容都選取的是高精度的電容，并且每一個電源的引腳都要經過退偶處理。因為本文的硬件系統采用的都是模塊化的設計，各個模塊中間使用的是接口設計進行模塊連接與系統的信息傳輸。本系統中的接口通信主要包括CC1100與LM3S1138型單片機之間的接口與LM3S1138單片機與PC機之間的通信接口兩個部分。

圖3是CC1100的接口電路，在實際的電路設計中只需要相應的端口連接起來就可以了。

圖3 收發模塊與單片機接口電路

圖4是LM3S1138單片機與PC機的通信接口電路，從電源的設計中可知，單片機的電壓為3.3 V，上位機的工作電壓在12 V，本系統使用了MAX3232芯片實現工作電平的轉換，該芯片的周圍有五個電容共同組成了電荷泵，電荷泵提供了12 V的上位機工作電壓。

圖4 上位機串口通信電路

經過以上的溫度監控系統硬件設計后，在上位機終端以前的數據傳輸就可以通過接口的連接后到達上位機，數據在遠程控制中心采用的存儲結構使用的是SQL server技術，關系數據庫可以很方便地對數據進行安全性存儲于調取，硬件的支撐保證了軟件可以更為方便地進行溫度的監控，本文在信息管理系統中設計得了變電站設備接頭中的溫度分析提示功能，在一些溫度較高與過低的情況下及時進行預警，保證工作人員及時處理故障，預防事故的發生。

2.3 接口溫度監控系統軟件設計

本文的軟件架構是基于μC/OS-II系統進行軟件分層設計的，這種系統的代碼簡單功耗低，對使用電源供電的傳感器節點與無線網絡支撐芯片可以實現更好的低功耗運行。這種系統架構可以實現各種應用性的模塊化設計，獨自開發的應用程序可以重復使用在一般的軟件服務中。本系統的軟件設計中將整個軟件的設計按照分層的思想分為用戶應用層、中間繼承層、硬件驅動層幾個部分。在應用程序的設計中，本文使用的C++面向對象的設計語言來進行對象與函數的封裝，這樣在整個系統的升級兼容切換中只需要改變相應的封裝模塊代碼就可以通過接口來實現升級。用戶在使用系統的過程中只需要對自身的應用關心而不需要關系函數與對象內部的調用規則與流程。本文設計了一個對象類來專門實現函數的調用與數據的抽取。軟件封裝對象的設計思想能夠將整個系統清晰地進行分層，便于后期的模塊化升級與更新維護。

軟件的用戶應用層的功能主要包括數據的存儲、數據的報警展示、系統的運行日志維護；中間繼承層管理層與層之間的通信其中包括3個消息隊列、FatFS文件系統、日歷，在驅動層中主要包括系統的各種硬件與接口的驅動。

軟件的設計框架如圖5所示。

圖5 軟件整體框架設計

用戶在遠程的控制中心使用端口只需要關注異常的設備接口溫度數據，不必關注軟件控制系統中函數的調用與對象的封裝形式。中間繼承層的多個消息隊列保證了隊列的服務通信機制，FatFS文件系統保證了歷史數據的存儲文件化，提供了FAT文件系統的功能，提供了標準的程序接口。驅動層的程序將硬件設備的驅動程序進行封裝，保證了數據的采集傳輸與存儲的可靠性。

如圖6所示，安裝在接頭的溫度傳感器周期性地感知溫度數據，數據采集的周期可以再單片機的程序中進行設定，數據采集后通過無線網絡協議的支撐傳輸到匯聚節點，匯聚節點的數據被傳輸到遠程的控制中心中，遠程的控制中心存儲了監控到的溫度數據，并且對一些異常數據進行報警。

圖6 系統工作軟件流程

3 系統測試

為了驗證本報警系統的性能，本文在某地的不同海拔的變電站在不同時間進行了溫度數據的測量，將平臺的溫度傳感器安裝在變電站的設備上，使用NS2網絡性能監測軟件對網絡進行性能的測試，遠程的控制中心系統基于Windows XP系統軟件，系統中的數據被存儲在SQL server中。

3.1 無線網絡的性能測試

無線網絡的性能測試主要集中在不同的系統啟動時間后，網絡的性能表現，主要有包括網絡延時與丟失包數的測定，本系統中設計的網絡數據使用數據分包的方式發送，每個數據包攜帶的數據設定為10 K，遠程控制中心使用網絡測試工具對數據的轉發性能得到的數據表見表1。

表1 網絡性能數據測試表

測試后的無線網絡性能在網絡延遲與丟失包數的性能指標上都符合變電站設備接頭溫度控制系統的要求。

3.2 不同的溫度下系統的性能測試

因為變電站的設備接頭處在不同的溫度下進行工作，不同溫度下的系統性能是描述一個系統的重要性能指標，表2是在不同的溫度下系統展示出的性能。

由表2可見在一些極端的溫度下網絡的延時與丟包數都發生了一些變大的情況，但是整個網絡的性能都符合系統的要求。

3.3 不同海拔下的網絡性能測試

因為野外的儲油罐經常會面對一些復雜的環境，溫度是衡量環境的重要性能，本文在系統測試階段將設備存放在不同的溫度中在不同的時間段內進行性能測試，測試的部分數據如表3所示：

表3 不同海拔下的網絡數據表

由表3可知經過不同溫度下的設備運行測試都可以滿足溫度數據的采集要求。

4 結束語

本文分析了目前大多數的變電站仍然采用人工選擇性的紅外測溫儀進行溫度測量，造成數據噪聲大、準確率低、不能及時發現高溫異常數據，事故處理被動的缺點。提出使用無線測溫的方式進行實時的溫度監控，在設備的接頭安裝溫度傳感器，使用SimpliciT1對溫度傳感器感知的數據進行網絡中繼傳輸，在監控中心設計了溫度監控系統進行接頭的實時數據展示與分析。實際測驗證明，該系統可以工作的不同的外部環境下，有較高的數據監控準確率，使用NS2測試后網絡性能穩定，具有很強的實用價值。

[1]趙振兵，高強，李然.紅外測溫在變電站遠程圖像監控系統中的實現[J].電力系統通信，2005(02).

[2]葉福軍.電力變電站溫度智能監測網絡研究與實現[J].計算機測量與控制，2009(01):111-113.

[3]魏立明,楊松,孫雪景.基于紅外熱像技術的電力設備故障診斷系統設計[J].自動化技術與應用，2008(27).

[4]余海濤.高壓變電站無線自動測溫控制系統研究[D].天津大學，2007.