基于無線通信技術的電纜溫度實時監測系統

吳為國，茅 豐

(1.泰州供電公司，江蘇泰州225300；2.上海應用技術學院電氣與電子信息學院，上海201418)

隨著我國經濟的發展，電力負荷快速增長，變電站電纜作為站內傳輸介質，由于使用年限及安裝操作不規范，可能導致老化、絕緣層損壞導致電纜局部溫度上升，長時間可能會引起火災，因此，研究電纜溫度的檢測，并將其運用于實際現場中，對于及時發現和預控火災非常有必要，對當前電網的安全穩定運行也有極其重要的作用[1]。集成了傳感器、微機電系統和無線通信三大技術而形成的無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取和處理技術。基于無線傳感器網絡系統所建立的電纜溫度監測系統特別適應那些需要獲取分散狀態參量的場所[2]。文中研制了一種適合于供配電網電纜接頭的在線溫度監測系統，終端裝置采用低功耗的SmartNode模塊為核心，組成無線傳感器網絡，同時采用以太網與上位機之間進行數據交換，該系統具有以下新特點：（1）靈活，探測點可以隨時增加；（2）溫度閾值監控，通過GPRS模塊發送報警短信給運行人員；（3）可根據歷史數據，對電纜運行狀況進行評估。

1 基于無線通信的在線監測系統設計思想

目前電力部門采用的電纜測溫系統大多是基于有線數據傳輸的感溫式電纜測溫系統（比如分布式光纖測溫系統），由于受到已有布線的限制，在原有基礎上進行改造時線路容易遭到損壞，監控網絡中各個節點不易移動，不利于探點的增減。而無線通信技術相對于目前電纜測溫系統普遍采用的有線通信技術[3]而言，有以下顯著特點。

（1）移動性：在通信區域內的任何地方，用戶都可以實時訪問信息。

（2）安裝的快速性和簡單性：安裝無線通信系統既快速又簡單，同時消除了穿墻或挖掘電纜溝布線的繁瑣工作。

（3）安裝的靈活性：無線技術可以遍及有線通信所不能到達的地方。

（4）減少投資：無線網絡減少了布線的費用，而且維護費用的減少可以使得投資回報在變電站投運以后逐步體現。

（5）擴展能力：無線通信可以組成多種拓撲結構，容易擴展節點[4，5]。

2 溫度監控系統實施方案

根據實際情況，該系統主要有兩部分：（1）硬件設計主要完成溫度數據的采集功能；（2）軟件設計實現對電纜的溫度監測及存儲、報警等功能即實時評估體系和顯示與存檔系統[6，7]。

2.1 系統總體設計

該系統以電力公司內部380 V供電電纜以及遠端變電站做為參考對象進行設計，系統總體結構如圖1所示。系統通過無線探測器將電纜溫度采集上傳至無線數據采集模塊，每個無線探測器都具有唯一ID號進行識別，可以做到準確定位，無線數據采集器通過TCP/IP協議將溫度、電壓等檢測數據通過以太網上傳至監控主機，監控主機通過軟件實時監控各單位的溫度等數據，進行判別并存儲數據[8]。如果發生預警將通過協議轉換與電力調度通信，并通過GPRS網絡向運行人員發送報警信息。

2.2 無線傳感器

系統無線傳感器結構如圖2所示，主要包括溫度傳感器、無線傳輸模塊、電池和天線幾個部分。

2.2.1 溫度傳感器

溫度傳感器采用了數字溫度傳感器DSl8B20，具有如下主要特點：（1）數據傳輸采用單總線(1WireBus)結構，無需外圍其他元件；（2）能應用在分布式測量系統中；（3）溫度輸出為9～12位可編程；（4）測溫范圍為-55～+125℃，在-10～85℃時精度為±0.5℃；（5）輸出分辨率為12位時最大的轉換時間為750 ms；（6）具有可編程的溫度報警功能；（7）具有可靠的CRC數據傳輸校驗功能：（8）電源電壓范圍為3～5.5 V；（9）低功耗，無需外接電源也能可靠工作。

DSl8B20為數字化溫度傳感器，具有體積小、抗干擾能力強等優點，能適應分接箱電接頭處的惡劣環境。傳感器測量精度高、情況穩定，長期運行無需調校，具有在線自檢功能，自動溫度校準，自動錯誤監測，全密封絕緣防水防塵，保證了整個系統的高可靠性。

2.2.2 無線傳輸模塊

探測器采用SmartNode S102無線通信模塊，主要特點：（1）超低功耗，偵聽電流7 uA，休眠電流60 nA；（2）功 率 可 調，5 mw（7 dbm）～400 m，40 mw（17 dbm）～2 000 m；（3）通信頻率，315 MHz，434 MHz，470 MHz，780 MHz，868 MHz，915 MHz，各64信道（或240～960 MHz可設）；（4）數據傳輸模式，Smart-Node協議傳輸；（5）數據傳輸方式，點對點，點對多點，中繼轉發（8級組網深度）；（6）接口支持，1路TTL串口、2路I/O，或4路I/O，或4路10位A/D轉換。

2.3 無線數據采集器

系統無線數據采集器結構如圖3所示，主要包括單片機、無線傳輸模塊、電源和天線幾個部分。無線采集器采用SmartNode協議與無線傳感器進行互聯，通過它可以接受傳感器的參數信息及溫度、電壓信號，并通過以太網接口與數據終端互聯；同時將終端對無線傳感器參數設置命令下發給網內的無線傳感器。

該無線數據采集器特點：（1）功率可調，調節范圍1～18 dbm；（2）數據傳輸模式，透明傳輸，SmartNode協議傳輸；（3）網絡結構，點對點、點對多點、多級中繼；（4）高抗干擾能力和低誤碼率，基于FSK的調制方式，采用高效前向糾錯和信道交織編碼技術，提高了數據抗隨機干擾和突發干擾的能力；（5）多種天線配置方案，多種增益的膠棒天線、吸盤天線可滿足用戶不同的結構需要。

2.4 軟件部分

系統軟件主要需要實現包括無線傳感器、無線采集器組網參數、運行參數的設置，電纜溫度、傳感器狀態的實時監控，溫度數據的存儲查詢以及報警等功能。監控界面簡單明了，不需要進行復雜的組網參數設置，將軟件分為參數設置、調試軟件和運行監控軟件。

2.4.1 參數設置軟件

系統底層由多個無線傳感器及無線信號采集器組成，為了保證物理層能夠正確組網成功，需要對網內的無線傳感器和信號采集器進行參數設置。軟件設置無線傳感器參數界面如圖4所示，主要可以通過改變工作頻率、無線傳輸速率、功率、休眠時間、上報時間等參數，適應不同的環境需求，提高產品的應用面。

圖4 參數設置界面

2.4.2 監控運行軟件

監控運行軟件主要功能包括站點選擇、實時溫度顯示，溫度曲線的繪制、歷史溫度數據查詢等功能。

2.5 報警方式

系統通過各點的測溫是否超過限額、電纜溫度與室溫的比較、各相間的溫度進行比較，智能判斷火災告警，并選取了采用GPRS無線短信方式或站內遙信的方式進行報警，將報警信息傳與運行監控人員，由運行人員在現場進行故障性質的判斷。

3 系統裝置實際調試運行

為了更好地驗證該系統在各種情況下具有廣泛的應用性，選取了兩類環境，即供電公司下屬的110 kV變電站和供電公司生產調度大樓內部的380 V配電網絡。監控終端選擇在供電局大樓的監控中心。

在110 kV遠端變電站，根據現場環境，采用若干個無線傳感器加一個無線數據采集器的模式，通過測試，無線數據發送接收正常，一個無線數據采集器能夠滿足整個變電站的無線接收功能；同時，利用電力局域網，將數據傳送至控制終端。

在供電局大樓內部380 V配電電纜的溫度測試中碰到了調試中最大的問題：電纜進線柜位于地下一層，電纜配線柜位于17樓，而數據終端放置于18樓。由于無線信號過墻后強度會急劇衰減，18樓的數據采集器無法采集到地下一樓的傳感器數據信號。根據實際情況，采用大樓本身的網絡布線，在一樓安裝一個數據中繼器，通過已有網線與18樓數據終端的路由器相聯，解決了特殊環境的組網需求。一樓的中繼器接受無線傳感數據相當穩定，再經網線、路由器傳遞到數據終端，保證了通信的穩定，實現了遙測數據的正常傳遞。

在系統安裝調試階段，分別用熱源對各點進行加熱模擬，監測裝置均能正確告警。系統在供電公司調度大樓380 V配電電纜以及110 kV變電站中掛網試運行至今，運行穩定，無線數據通道穩定，收集了正常運行時電纜溫度的歷史數據，便于運行人員加強對電纜溫度的有效監控。

4 結束語

采用低功耗的短距離無線通信方式組成溫度傳感器網絡的方法，可實現電纜溫度的實時監測，存儲和報警等功能。該系統通過對電纜接頭溫升預警，有效解決了開關柜節點溫度越限的此類問題，并對電力設備運行中溫度狀態進行在線檢修、評估、預警和風險分析，進而達到防患于未然的目的。 該方案在不改變任何外部接線的基礎上進行改造，設備低廉，便于推廣。

[1]王萍萍，孫鳳杰，崔維新.電力電纜接頭溫度監控系統研究[J].電力系統通信，2006，27（2）：59-74.

[2]王財寶，盛戈嗥，曾 奕，等.基于ZigBee技術的導線接頭溫度集群監測[J].電力自動化設備，2009，29（11）：45-49.

[3]周怡颋，凌志浩，吳勤勤.ZigBee無線通信技術及其應用探討[J].自動化儀表，2005，26（6）：5-9.

[4]王新超，潘貞存.電力電纜接頭故障的預警監測系統[J].電力自動化設備，2001，21（5）：25-28.

[5]王新超，王 葵.電力電纜接頭運行中的實時監測[J].繼電器，2001，29（8）：46-48.

[6]凌偉平，徐蘊鋒.電力電纜溫度在線監測系統的開發與應用[J].東北電力技術，2012（3）：41-43.

[7]王振浩，辛業春，杜長軍，等.城區電力電纜接頭故障在線監測系統[J].電力系統保護與控制，2009，37（2）：69-72.

[8]趙炳成，沈立新，丁周松.基于ZigBee技術的高壓開關柜溫度在線監測系統[J].浙江電力，2012，31（2）：16-18.