基于低功耗的開關柜無線溫度監控系統研制與應用

摘要：為了能夠實現實時監測高壓開關柜的溫度狀況，提出一種基于無線傳感器網絡的開關柜溫度在線監測系統。設計的無線溫度在線監測系統不僅解決了開關柜內高溫、高壓、強電磁感應等在惡劣環境下不易檢測的問題，而且從硬件選擇和軟件設計上實現超低功耗設計，能夠長時間實時監測高壓開關柜溫度，很大程度上延長了無線溫度監控系統的壽命。

關鍵詞：開關柜；在線監測；溫度；低功耗；無線

作者簡介：何建鋒（1988-），男，甘肅平涼人，甘肅省電力公司檢修公司，助理工程師；王學敏（1985-），女，陜西扶風人，甘肅省電力公司檢修公司，助理工程師。（甘肅 蘭州 730000）

中圖分類號：TM591 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）23-0227-02

高壓開關柜作為發電廠及變電站中的重要設備，起到通斷、保護和控制等作用。[1]目前普遍使用小車式開關柜，開關柜與斷路器之間均采用動、靜觸頭連接，在動、靜觸點接觸時，二者之間存在一個接觸電阻，電流流過會引起觸點的發熱。由于小車與開關柜因制造、運輸或安裝可能出現問題，或使用過程中發生氧化或腐蝕，都有可能引起觸頭接觸不良，造成接觸電阻增大等現象。過大的接觸電阻將導致觸頭溫度升高，發展到一定程度可能燒毀觸頭，造成停電，甚至引起火災等嚴重事故。在長期運行過程中，觸電和母線排連接處也可能因為老化或接觸電阻過大而發熱，而這些位置的發熱也有可能導致火災事故。

綜上所述，及時發現并處理開關柜觸頭過熱問題是防止此類事故發生的關鍵。由于開關柜處于高壓環境、空間狹小、結構復雜，人工巡檢存在很大困難和局限性，不能實時監測和提前預警。因此開發一套結構簡單，性能可靠，操作方便，成本低廉的開關柜觸頭溫度在線監測系統，實時測量和監視高壓開關柜內的溫度變化，預測可能引起火災或故障的局部過熱情況，在故障發生之前發出警報和檢修建議，是避免事故發生、控制故障惡化的有效手段，對于保證高壓開關柜的正常運行，提高電力系統運行的可靠性有著非常重要的意義。[2-3]為了解決上述問題，本文提出了基于超低功耗的無線測溫系統[4-6]，基于開關柜自身的特點設計了低功耗無線傳感網絡協議，實現了超低功耗長時間工作的無線測溫系統。

一、系統總體結構

系統分為兩個部分，即無線溫度傳感器網絡和上位機監控系統。系統框圖如圖1所示。

無線傳感器網絡：無線傳感器節點分為溫敏電阻傳感器節點與數字溫濕度傳感器節點兩種，溫敏電阻傳感器節點根據主節點分配的時隙進行定時發送數據，數字溫濕度傳感器節點以相同時間間隔發送數據，兩種傳感器均通過無線芯片將溫度值發送給主節點，構成一對多的星型網絡。

上位機監控系統：無線主節點通過RS232串口將數據發送至上位機，上位機軟件由LabVIEW開發，可監控整個變電站中開關柜的溫度狀態，一旦出現溫度過高便進行聲光報警，并對數據進行存儲，方便管理和歷史查詢。

二、無線測溫節點設計

從降低節點功耗和簡化節點硬件結構等角度考慮，本文基于低功耗處理器PIC16LF726和集成射頻芯片CC1101設計了溫度傳感器網絡節點。溫度傳感器采用溫敏電阻傳感器，該傳感器不受周圍電場、磁場等干擾，自身不需要電源供電，利用單片機IO控制和AD采集傳感器分壓值監測節點電壓。PIC16LF726對溫度傳感器進行采集，進行簡單的數據處理后由SPI發送至低功耗集成射頻芯片CC1101，由CC1101進行無線數據傳輸。無線傳感器節點硬件框架如圖2所示。

PIC16F726的工作電壓范圍較寬，支持1.8V-3.6V的運行電壓，電容充放電壓電量不穩的情況下也可以正常工作。在1MHz待機電流典型值為60nA。

CC1101是美國TI公司推出的一款低功耗、體積小、靈敏度高、集成度高、多通道的無線收發芯片，CC1101芯片供電電壓為1.8V-3.6V，其靈敏度為-110dBm，在所有的工作頻段上，可編程輸出功率為-30～10dBm。CC1101還為數據包處理、數據緩沖、突發數據傳輸、清除信道評估、連接質量指示和電磁波激發提供廣泛的硬件支持。

無線測溫節點采用超級電容與電池配合供電的方式，保證了傳感器節點可以長期穩定工作，電容供電降低了對電池容量的要求。電池容量的降低不僅縮減了整個模塊的尺寸，還減少了電池爆破等極端情況造成的安全隱患。

無線傳感器網絡采用一對多的方式構成星型網絡，由于無線溫度節點電源容量有限，大多數時間均處于睡眠狀態，平均發送周期較長，發送間隔由主節點分配。主節點長期處于接收狀態，實時接收溫敏電阻傳感器節點及溫濕度傳感器節點發送的溫濕度信息。當接收到溫敏電阻傳感器節點的信息后，主節點將根據當前的溫敏電阻傳感器節點數目及上個節點到來的時間為傳感器計算下次傳送的時隙，并向子節點發送包含時隙信息的應答信息。當接收到溫濕度傳感器節點的信息后，主節點將回復應答信息防止多次發送。

主節點接收到節點上傳的溫度信息后立即通過RS232串口將數據發送至上位機，由上位機軟件統一進行顯示、存儲、報警。上位機還可向主節點主動發送命令信息，以改變網絡上傳周期等參數。

三、低功耗實驗結果分析

1.PIC單片機功耗分析

（1）待機電流：-2.0V時典型值為60nA。

（2）工作電流：32kHz、2.0V時典型值為7.0μA；1MHz、2.0V時典型值為110μA。

（3）低功耗看門狗定時器電流：-1.8V時典型值為0.5μA。

（4）看門狗消耗電流：500nA。

（5）BOR消耗電流：8μA，睡眠可以關閉。

（6）上拉電阻會消耗20多μA的電流，運行中注意合理配置單片機內置的上拉電阻—禁止上拉電阻。

（7）下載引腳有一個10k電阻，需要合理配置RE3引腳，防止產生泄漏電流。

使能開門狗，關閉BOR，對單片機在不同工作速率下運行的功耗進行測試，測試結果如表1所示。

測試表明，CPU運行速度越快，單片機功耗越大，適當降低CPU運行速度可降低單片機功耗。

2.CC1101功耗分析

（1）掉電模式：關閉XOSC，芯片寄存器值保存，此時功耗為0.2μA，在WOR狀態中的sleep階段，功耗為0.5μA。不關閉XOSC，芯片寄存器值保存，此時功耗為100μA。

（2）IDLE模式：IDLE狀態為CC1101的過渡狀態，此時功耗為1.7mA。

（3）由IDLE向RX或TX轉換：轉換過程中將進行自動頻率校準，平均功耗為8.4mA。

（4）手動頻率校準：平均功耗為8.4mA。

（5）發送/接收溢出狀態：平均功耗為1.7mA。

（6）接收狀態（433M）：當接收速率為1.2K時，功耗為15mA；當接收速率為38.4K時，功耗為15mA；當接收速率為250K時，功耗為15.7mA。

（7）發送狀態（433M）：發送功率為+10dBm時，功耗為29.2mA；當發送功率為0dBm時，功耗為16.0mA；當發送功率為-10dBm時，功耗為13.1mA。

CC1101發送功耗包括四個部分：配置寄存器狀態功耗、IDLE轉發送狀態功耗、時鐘自校準狀態功耗、發送數據狀態功耗。

在這四個部分里，IDLE轉發送狀態時間較短，約為80μs，自動時鐘校準時間不受PIC單片機運行速度影響，約占800μs，功耗電流在10mA左右。

配置寄存器狀態時間受CPU速度、SPI速度、發送數據字節數、前導碼字節數、同步字節數影響。將前導碼同步字與發送數據字節數固定，改變CPU與SPI速度，測試CPU與SPI速度對功耗的影響，測試結果如表2所示。

測試表明，CPU運行速度越快，轉換速度越快，SPI速度越快，轉換速度越快。

對于發送數據狀態而言，僅與傳輸頻帶與數據發送速率有關，調整CPU與SPI分頻基本不會影響其速度。

無線發送狀態是節點功耗最大的一部分，通過調整無線模塊的發射功率，也可以進一步降低節點整體功耗。

綜合以上測試結果，將本系統MCU速度配置為8M，SPI配置為4分頻，發射功率為階梯功耗發射模式。將CPU速度配置為8M是為了平衡CPU功耗與無線發送功耗，又保證了CPU工作穩定性。T波為梯形波，平均功耗低但通信效果好，符合低功耗要求。

平均電流=（待機電流×時間+工作時間×電流+看門狗醒的時間×電流）/總時間

周期時間是12min，12×60×1000=720000ms；

看門狗12分鐘醒30×12=360次，工作電流按照3mA計；

PIC單片機工作時間：t=360×20us=7200us=7.2ms；

CC1101工作時間：t=3.2ms，工作電流12mA計；

總的時間電流積為：720000×0.01mA+7.2×3mA+3.2×12mA=7200+21.6+36.24=7257mA×ms

平均電流：7257/720000=10.08uA

由于無線測溫模塊供電是利用耦合線圈從母線上實時取電，之后存儲在超級電容里，從而保證了無線測溫模塊供電的可靠性和永久性。當設備停電時，可以利用無線模塊自身的電池供電，保證無線測溫系統在任何狀態下都能可靠工作。

四、結論

本文設計了一套在線監測開關柜母線觸頭及環境溫度的無線傳感器網絡系統，針對開關柜特殊的構造環境設計了無線傳感器節點在開關柜中的布點方式，并本著縮小體積、延長使用壽命的原則設計了無線傳感器節點的硬件結構。針對開關柜溫度在線監測的應用需要，對CC1101進行了合理的參數配置，并設計出一套簡單的通信協議，保證了無線通信的可靠性。

對單片機及無線芯片的功耗進行了詳細的實測及分析，得出一套最合適的配置方式，有效降低了功耗，延長了溫敏電阻傳感器節點的工作時間。

參考文獻：

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[5]王斌，李靖，季洪獻.采用無線RF技術的高壓開關柜實時測溫系統[J].浙江電力，2009，（3）：31-34.

[6]L.Balgard，L.Lundin.Monitoring Primary Circuit Temperature and Breakers Condition in MV Substations[J].ABB Review No.3，P21-26，1993.

（責任編輯：劉輝）