基于LabView和無線通信技術開關柜的溫度在線監測

張闊,趙清軍,宋紹江

(天津市電力公司,天津 300450)

基于LabView和無線通信技術開關柜的溫度在線監測

張闊,趙清軍,宋紹江

(天津市電力公司,天津 300450)

為了能夠實現實時監測開關柜的溫度狀況,提出一種基于LabView和無線通信技術的開關柜溫度在線監測系統。針對開關柜特殊的構造特點設計了無線傳感器測量觸頭溫度,并本著縮小體積,延長使用壽命的原則利用電池和超級電容給系統供電。上位機監控系統操作簡單,人機交互方便,針對串口通信設計了通信協議,提高了串口通信的可靠性。

開關柜;溫度;LabView;在線監測;無線通信

1 前言

開關柜是電力系統的重要設備,起到通斷、保護和控制等作用[1],以輸送和倒換電力負荷,保證電力系統安全退出故障設備和線路[2]。然而高壓開關柜在長期的運行中,因其高壓接點部位受環境濕度、溫度、電弧沖擊、接觸電阻大以及超負荷運行等原因造成部分絕緣老化發熱現象,溫度不斷上升,會給設備的安全運行埋下隱患,如果不能及時處理,可能會導致開關柜、電纜接頭等爆炸事故,造成大量的財產損失,所以針對上述問題對開關柜的溫度監測尤為重要[3-4]。

由于開關柜的特殊環境,監控系統應滿足以下要求：

1)能夠長時間穩定工作,無需經常性更換電池;

2)可適應復雜的電磁噪聲環境;

3)體積輕便,方便部署在開關柜各個位置;

4)盡量保留現有系統,避免對原有電力設備的改造;

5)監測具有較高的可靠性。

針對以上問題,國內外許多科研機構及高校都對開關柜溫度監測方法進行了大量的研究。常用的監測方法主要有無線傳感網絡監測、光纖測溫[5]、紅外測溫[6]等幾種方式。

紅外非接觸式測溫是高壓運行設備測溫最常用的方式,是利用物體相對輻射強度與溫度之間存在特定的關系。這種傳感器與測量設備不接觸,對設備的運行沒有影響,解決了高壓隔離以及傳感器環境的問題。但是這種方式只可以測量在傳感器直視范圍內測量點的溫度,不適合開關柜這種結構復雜的設備,且無法實現在線監測。傳感器離目標較遠,易受外界因素影響,故測量精度較低。

光纖測溫具有良好的絕緣性能和抗干擾,探頭可埋設在電力設備內部的高壓選定部位,直接測出該點的實際溫度,因而得到了較為廣泛的使用。但其本身易折斷,不耐高溫,且光纖測溫儀在柜內的安裝和改造比較麻煩,布線難度較大,存在灰塵爬電的可能,且不滿足長期監測的要求。

近年來出現了采用無線傳感器網絡進行溫度采集的監測系統,通過無線通訊方式進行高壓隔離和信號傳輸。無線通信固有的絕緣和抗電磁場干擾性能從根本上解決了高壓開關柜結構復雜、觸點運行溫度不易監測的難題,方便部署,對原有電力設備影響小,滿足了非接觸監測的要求[7]。

文中采用了無線傳感器網絡對開關柜進行溫度監測,溫敏電阻傳感器不受復雜電磁環境的影響,電池與感應取電聯合供電保證了溫敏電阻傳感器節點工作的穩定性,測溫傳感節點通過無線方式與上位機實時通信,上位機軟件實時觀察開關柜內的溫濕度值,當開關柜觸頭或環境溫度超過閾值時,上位機軟件將及時進行報警處理。

2 系統總體結構

系統分為三個部分,測溫單元、無線主節點和上位機監控系統。系統框圖如圖1所示。

圖1 測溫系統總框圖

溫敏電阻傳感器電池電量有限,則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。

主節點接收到兩種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。

3 溫度測量單元設計

溫度測量單元上電后對單片機與無線芯片進行初始化,在完成寫參數后,使用A/D讀取當前溫度值,并交由CC1101無線芯片進行發送。節點在發送結束后立刻轉換到接收狀態,等待100 ms,若100 ms內接收到主機的應答數據包,則從數據包中讀取出睡眠時間,進入睡眠模式;若 100 ms內未接收到主機的應答數據包,則從新發送數據。若三次發送內成功接收到主節點的應答信號,則認為通信成功,節點睡眠等待下一個周期的發送;若三次發送均未得到應答,則認為發生了頻偏等其他問題,節點將進行自動重啟。溫度測量單元與主節點工作流程如圖2所示。

圖2 溫度測量單元軟件流程圖

主節點上電初始化后,便一直處于接收狀態。當接收到一個數據包后,首先讀取命令字節,確定是哪種傳感器節點發來的信息,再根據情況發送應答信號。發送完應答信號后,主節點會立即通過串口向上位機發送此節點的所有信息,保證服務器可以實時監控所有開關柜的溫濕度狀態。

供電模塊電路如圖3所示。本設計采用電池與超級電容感應取電配合的供電方式,保證了節點的長時間運行。采用電流互感器從母排耦合出電流,利用整流橋將交流變成直流,利用穩壓管將整流橋電壓限制恒定在3.6V,對電容充電。如果電容充滿電高于電池電壓,D4導通,對設備供電;如果電容充電電壓低于電池電壓,D4截至,D5導通,電池對設備供電。

圖3 供電模塊電路設計

4 服務器監控軟件設計

上位機軟件基于LabVIEW開發平臺設計,上位機主要實現了與下位機主節點的通信,接收主節點上傳的溫度信息,并進行溫度過高預警、數據存儲、數據顯示。用戶可根據需要對歷史數據進行查看,并可向測溫單元下發重啟指令。上位機界面操作簡單,人機交互方便,登錄系統及管理員設置保證了系統操作的安全性。

4.1 串口通信協議設計

主節點與上位機通過RS232串口連接,為了防止數據區和起始字符和結束字符發生沖突,設計了一套串口通信協議,提高了串口通信的可靠性。

系統基于RS232串口通信建立與下位機主節點通信系統,接收下位機的監測數據,可以實時下發控制信號、監測參數信息等。圖4所示為RS232通信系統接收的流程圖,圖 5所示為RS232通信系統數據發送流程圖。

圖4 RS232接收數據流程圖

圖5 RS232發送數據流程圖

通信系統波特率設置為9 600,8個數據位, 1個停止位,無奇偶校驗,通過串口中斷實現數據的讀出和寫入。系統發送和接收的數據格式為結構體,即每次通信下位機從上位機接收一組或者多組結構體數據,或下位機往上位機上傳一組或多組結構體數據。通信格式幀如表1所示。

表1 通信系統通信格式

為了防止數據區和起始字符和結束字符發生沖突,對數據區進行數據處理。假設數據區有三個字節a、b、c,不夠三個字節補空字節,各個字節信息如表2所示。

表2 數據區移位前數據格式

對a、b、c進行如下移位處理：

按照上面代碼移位后存儲位四個字節排列如表3所示：

表3 數據區移位后數據存儲格式

這樣三個字節用四個字節存儲,每個字節高兩位空,然后移位的存儲字節值加上ANSII‘=’值,這樣每個字節值避免了與起始位、結束位相同,數據區不會出現起始位和結束位。這樣可以實現數據以幀的形式發送,利用串口中斷方式,容易識別數據起始數據,結束數據,然后對數據區進行移位處理,還原數據等。為了保證數據可靠性,在數據區結束后加CRC效驗,進一步保證數據的可靠性。接收數據按照上面的協議進行移位還原數據。

上位機接收到一幀數據后,根據通信協議對幀進行校驗。若校驗成功,通知數據處理、顯示模塊提取數據,最后將數據保存到指定的內存和文件。

4.2 監測系統上位機設計

為了保證不丟失上傳數據包,利用數據生產者-消費者循環來完成串口數據的處理;為了提高系統的處理效率和界面響應速度,利用事件生產者-消費者循環來完成用戶對界面的操作。

當發生溫度過高的危險情況,則進行聲音報警并彈出溫度過高警報界面顯示溫度過高的箱柜號、節點編號、節點類型 (A表示溫敏電阻傳感器節點、B表示溫濕度傳感器節點)、溫度值、濕度值 (若為溫濕度傳感器節點)及上傳時間。

5 結束語

設計了一套開關柜觸頭溫度的在線監測系統,針對開關柜特殊的構造特點設計了無線傳感器測量觸頭溫度,并本著縮小體積,延長使用壽命的原則利用電池和超級電容給系統供電。上位機監控軟件設計,操作簡單,人機交互方便,登錄系統及管理員設置保證了系統操作的安全性。針對串口通信設計了通信協議,提高了串口通信的可靠性。

[1] 徐東晟,許一聲.高壓開關柜觸頭溫度在線監測的研究[J].高壓電器,2001,37(1)：54-55.

[2] 宋梁,溫秀峰.高壓開關柜溫度在線監測研究 [J].電氣開關,2012,3：32-34.

[3] 苑舜.高壓開關設備狀態監測與診斷技術 [M].北京：機械工業出版,2001.

[4] 胡春海,鄒曉紅,王玉田.光纖熒光溫度傳感器用于高壓設備溫度在線監測的研究 [J]..工業儀表與自動化裝置,2004,(5)：53-54.

[5] L.Balgard,L.Lundin.Monitoring Primary Circuit Temperature and Breakers Condition in MV Substations[J].ABB Review 1993(3)：21-26.

[6] Huang Xiping,Wang Xin,Qiang Wen.Development of Online Monitoring Equipment of Medium Voltage Switchgear[J] .The Eighth International Conference on Electronic Measurement and Instruments,2007(3)：388-392.

[7] 劉建勝,綁達,張凡.一種用于變電站高壓觸點溫度在線監測的新方法 [J].電力系統自動化,2004,28(4).

Temperature of Switchgear On-line Condition Monitoring System Based on Labview and Wireless Communication

ZHANG Kuo,ZHAO Qingjun,SONG Shaojiang
(State Grid Tianjin Electric Power Company,Tianjin 300450)

In order to monitor the switchgear temperature in real-time,a temperature monitoring system based on LabView and wireless communication is presented in this paper.Considering the switchgear special construction features,a wireless sensor is designed to measure the temperature of the contact.The batteries and super capacitors is utilized to supply power to the system with the principle of reducing volume,extending the use of life cycle.PC monitoring system is simple,and convenient for human-computer interaction.A serial communications protocol is designed to improve the reliability of serial communication.

switchgear;temperature;LabView;On-line detecting;wireless communication

TM561.5

B

1006-7345(2014)03-0093-04

2014-02-24

張闊 (1986),男,碩士,助理工程師,天津市電力公司,從事配電運行與維護方面研究工作 (e-mail)zhangkuo0505@sina.com。

趙清軍 (1970),男,本科,工程師,天津市電力公司,從事配電運行與維護方面研究工作。

宋紹江 (1971),男,本科,中級技師,天津市電力公司,從事配電運行與維護方面研究工作。