基于LabVIEW的戶外電氣設備工作環境無線監測研究

李 松，陳新崗,2,倪 志，陳 果,楊定坤

(1.重慶理工大學，重慶 400054；2.重慶大學 輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶 400030)

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基于LabVIEW的戶外電氣設備工作環境無線監測研究

李 松1，陳新崗1,2,倪 志1，陳 果1,楊定坤1

(1.重慶理工大學，重慶 400054；2.重慶大學 輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶 400030)

為了實時掌握電氣設備外部工作環境，采用虛擬儀器技術，開發了基于LabVIEW的電氣設備檢測系統，重點對光照、濕度、溫度進行在線監測，采用GPRS數據傳輸方式解決了傳統環境監測距離短的問題。實驗結果表明：系統有效、準確地反映了戶外電氣設備外部環境的變化，完成了在線監測數據的保存，具有一定的應用價值。

電氣設備；LabVIEW；串口通信；GPRS；環境監測

電氣設備包括一次電氣設備和二次電氣設備，而大多數電氣設備都用于戶外。戶外環境惡劣且復雜，降低了設備的可控性，并有可能嚴重威脅電氣設備的安全。因此，國內對電氣設備壽命和運行狀態進行的預測和監測研究較多。裘呤君等[1]研究了SF6新氣痕量雜質對SF6電氣設備壽命的影響，分析了此類電氣設備運行時的主要影響因素；陳新崗等[2-3]研究設計了輸電線路絕緣子閃絡報警定位系統和變壓器油中微水含量在線監測系統。

隨著我國電力監測技術的開發和應用，不僅需要對電力設備的內部環境進行運行狀態監測，更要加強對電力設備的外部環境監測。電氣設備外部長期處于過熱狀態會產生熱故障，甚至影響設備的正常運行[4]。而變電站、配電房等濕度過大，容易造成電弧短路事故，危害巨大[5-6]。隨著國內電力行業的迅猛發展，對變壓器油的質量提出了更高的要求。受光照條件的影響，變壓器油中的抗氧劑分解消耗或沉降以及油老化產生的其他物質等會對油品的介質損耗造成影響[7]。張明超等[8]設計的基于單片機和上位機的溫濕光照在線監測系統可以很好地解決上述問題，但受到監測距離的限制。本文針對戶外電氣設備的光照、濕度和溫度設計了一種基于LabVIEW的戶外電氣設備環境監測系統。

1 系統設計方案

結合電氣設備的內部狀態和外部工作環境監測能準確獲得電氣設備的運行狀態，判斷電氣設備的使用壽命，因此本文設計了電氣設備外部工作環境在線監測系統，其設計示意圖見圖1。系統通過傳感器完成對監測對象的信號采集。溫濕度傳感器和光照傳感器選用集成芯片，通過兩線串行接口將數據直接傳至微處理器，再經GPRS發送端將數據發送至接收端，經串口轉USB傳送給PC機顯示和存儲。GPRS發送端和接收端采用SIM900A短信通信模塊，系統采用太陽能板和蓄電池聯合供電方式作為下位機系統的供電電源。

圖1 在線監測系統設計示意圖

2 下位機硬件電路

2.1 下位機主控制器及外圍電路

本文采用高性能CMOS 8位微處理器的AT89C51作為下位機處理核心芯片[9-12]，結合SIM900A模塊實現無線實時監測。其中下位機與GPRS發送端和PC機與GPRS接收端是串行通信。圖2為下位機主控電路，包括傳感器電路、控制電路、報警電路、串口電路和顯示電路。光照傳感器采用BH1750集成電路芯片，可以測量1～65 535 Lx的光照強度[13-14]，連接端口為P1.0和P1.1。溫濕度傳感器采用SHT11集成芯片，具有高集成度和高可靠性等特點，連接端口為P1.6和P1.7。

圖2 下位機主控電路

2.2 傳感器電路

BH1750數字型光照強度傳感器是一種16位兩線式串行總線接口數字輸出型集成電路芯片，供電電壓為5 V，其硬件電路見圖3。BH1750輸出對應光照數值，具有測量值范圍寬、精度高、支持標準I2C總線接口且紅外線影響小等優點[13-14]。

圖3 光照傳感器硬件電路

SHT11溫濕度傳感器是兩線數字輸出集成芯片，濕度測量范圍為0～100%RH，濕度測量范圍為-40～123.8 ℃，響應時間為8 s。

2.3 系統電源

下位機采集裝置安裝于戶外，故采用太陽能電池和蓄電池連接電源控制器后穩定輸出12 V電源電壓。圖4為電源驅動電路，采用MP2303將電源電壓轉換為3.3 V直流電壓。輸出電壓通過反饋電阻R58和接地電阻R59調節，并滿足：

(1)

圖4 電源驅動電路

2.4 GPRS模塊硬件電路

SIM900A模塊是一款尺寸緊湊的GSM/GPRS模塊，可通過其TXD、RXD端口與CPU的PA2、PA3端口連接實現串口通訊[15]。圖5為GPRS模塊硬件電路，在端口增加了ESD靜電保護器件SMF05C，增強了SIM卡的可靠性。其中供電電源可通過電源驅動電路調節輸出，得到電壓為3.2～4.8 V的工作電源。

2.5 傳感器硬件保護驅動電路

傳感器硬件保護驅動電路是為防止傳感器接口接錯或故障時導致的芯片電路燒毀而設計的，其硬件電路見圖6，運用了82B715驅動芯片和5.5 V穩壓管。

圖5 GPRS模塊硬件電路

圖6 傳感器硬件保護驅動電路

3 軟件

3.1 下位機采集流程

圖7為下位機采集系統流程，程序實現下位機對傳感器采集光照、濕度和溫度信息動作的控制。系統顯示采集得到的光照、濕度和溫度值時，設置3個特征量的報警上限值，采樣數據以短信形式經GPRS模塊傳送至上位機接收終端。

3.2 上位機接收終端流程

下位機GPRS發送端以短信方式向GPRS接收端發送監測數據，并采用串口轉USB口方式將處理后的監測數據發送至PC機。PC機以動態曲線圖的形式向用戶呈現電氣設備外部工作環境數據，并對數據進行TXT格式存儲。圖8為上位機處理軟件流程。

圖7 下位機采集系統流程

圖8 上位機處理軟件流程

4 LabVIEW環境監測設計

4.1 LabVIEW

虛擬儀器工程平臺LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench，LabVIEW)是美國NI公司提出的一種基于圖形化編程G語言的儀器開發工具[14]。它將很多常用的功能函數封裝起來稱作VI，首先利用前面板界面類VI設計虛擬儀器面板，然后在程序框圖面板上將前面板中的VI及函數類VI通過連線工具連接構成應用程序[16]。利用LabVIEW可簡單、快速和高效率地完成通信系統設計，節省編程時間。設計串口通信程序時，常調用函數選板數據通信里的函數節點，表1為串口主要函數節點及其功能。

4.2 環境監測設計

LabVIEW串口程序設計采用被動接收型，當接收數據時，完成數據的顯示和保存[17-18]。由于每一幀數據較小，接收數據只加幀頭“FFFF”，幀頭之后為3個特征量數據。數據保存格式為文本文件格式，存儲時程序將判斷存儲文本文件是否有存儲的數據。若有，則無覆蓋存儲對應實時數據；若沒有，則先寫入文件屬性名，再寫入對應實時數據。LabVIEW串口程序設計方案見圖9。

表1 串口函數節點及功能

圖9 LabVIEW串口程序設計方案

5 實驗結果及分析

通過實驗室現場數據采集，經GPRS發接收電路板將數據實時傳送至PC機。其中采用了USB-UART轉換器，實現了串行接口的轉換[19-20]。圖10為變壓器環境監測界面。LabVIEW設計的人機界面簡潔直觀,可方便操作者高效使用。監測界面波形圖表的縱坐標設置為自動調節標尺，橫坐標為采集21次數據的結果。其中：白色曲線代表光照強度；紅色曲線代表濕度；綠色曲線代表溫度。在第2次采集點到第6次采集點，光照有兩次斜率不同的增加，而溫度曲線略增加后變平緩。由此可知：光照強度并不是與溫度成絕對正比關系，所帶有的能量及特性與波長頻率有關，照度值根據太陽的輻射強度、角度、大氣含水量、環境遮擋等情況而不同。系統可在線獲取電氣設備的外部工作環境數據，具有安全可靠性和有效性。通過歷史記錄的動態波形可以實時掌握電氣設備的外部環境變化趨勢，以便做好預防措施。后期數據的查詢為研究分析提供了極好的數據支撐，可分析預測歷史環境對電氣設備運行影響最大的時期。通過仿真平臺與GPRS無線傳輸的聯合實驗，較好地論證了本系統的可行性和實際意義，實現了對電氣設備外部工作環境的監測。要實現更高精度和更多功能則需要進一步深入研究，比如選擇其他精度高、響應時間更短的傳感器。此外，本系統可結合電氣設備內部溫濕度測量值作對比分析，更全面地分析電氣設備的運行環境。

圖10 變壓器環境監測界面

6 結束語

本系統下位機以AT89C51為核心處理器，利用SHT11傳感器和光照傳感器對變壓器進行實時采集，并采用SIM900A模塊完成了監測數據的遠距離傳輸，最后應用LabVIEW開發環境完成了用戶界面的設計，實現了光照、濕度和溫度數據的動態顯示和保存。

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(責任編輯 楊黎麗)

Research of Wireless Monitoring of Outdoor Working Environment for Electrical Equipment Based on LabVIEW

LI Song1, CHEN Xin-gang1,2, NI Zhi1, CHEN Guo1, YANG Ding-kun1

(1.Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China;2.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 400030, China)

Abstract：For real-time control of external working environment of electrical equipment, this paperdeveloped a outdoor electrical equipment system based on LabVIEW by using virtual instrument technology, which focuses on real-time monitoring of light, humidity and the temperature. Compared with the traditional environment monitoring, the system used the GPRS data transmission method to solve the disadvantage of short distance. The model simulation results show that the system reflects the change of outdoor environment for electrical equipment effectively and accurately, and completes online monitoring data storage. The simulation result has a certain application value.

electrical equipment；LabVIEW；serial communication；GPRS；environment monitoring

2014-10-26 基金項目：重慶市自然科學基金資助項目(cstc2012jjA90018)；重慶市教委科學技術研究項目(KJ1400917)

李松(1990—)，男，碩士研究生，主要從事電氣測試技術與儀器研究;陳新崗(1968—)，男，教授，主要從事電氣設備在線監測及過電壓、信號采集與信號處理，以及智能傳感器等方面的研究。

李松，陳新崗,倪志,等.基于LabVIEW的戶外電氣設備工作環境無線監測研究[J].重慶理工大學學報：自然科學版，2015(3):95-99.

format：LI Song, CHEN Xin-gang, NI Zhi, et al.Research of Wireless Monitoring of Outdoor Working Environment for Electrical Equipment Based on LabVIEW[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science,2015(3):95-99.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.03.018

TP29

A

1674-8425(2015)03-0095-05