高壓開關柜溫度遠程在線監測系統設計*

許松枝，汪 沨，譚陽紅，李 楠，謝望君

(1.湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙410012;2.國網湖南省電力公司 株洲供電分公司，湖南 株洲412000)

0 引 言

高壓開關柜在電力系統中起到斷開和關合電力線路、保護系統安全的雙重功能［1］。目前，安裝高壓開關柜的變電站通常是無人值班管理模式［2］，為預防由于溫度過熱而導致的電力事故，發展高壓開關柜溫度的遠程在線監測技術十分重要［3，4］。現有測量溫度方法主要有光纖測溫法和紅外測溫法，但光纖測溫法［5，6］減少了開關柜內的絕緣空間，給開關柜帶來了安全隱患;紅外測溫法［7，8］受到紅外線只能沿直線傳播的限制，無法監測封閉在開關柜內的觸點溫度。

SAW 傳感器［9，10］是一種無源無線傳感器。無線方式不影響高壓絕緣，避免有線方式“爬電”的隱患，且安裝不受設備結構和空間影響，完全無源，便于維護，可靠性高。

本文闡述了SAW 溫度傳感器的工作原理，設計了一種基于SAW 溫度傳感器和GSM 模塊［11，12］的高壓開關柜溫度遠程在線監測系統，并通過實驗測試和現場測試證明了該系統的實用性。

1 系統結構與工作原理

高壓開關柜溫度遠程在線監測系統結構總體框圖如圖1所示，系統由6 只SAW 傳感器和1個無線詢問器組成。SAW 溫度傳感器采用諧振型傳感器，在不同溫度下有不同的固定諧振頻率，當激勵信號頻率等于傳感器的諧振頻率時，傳感器將發生諧振，此時反射的回波信號也最強，并且傳感器的諧振頻率與溫度有線性關系。將SAW 溫度傳感器固定在高壓開關柜內需要溫度監測的節點上，詢問器向傳感器發送高頻正弦激勵信號并接收傳感器反射的回波信號，然后通過回波信號的強弱判斷傳感器是否發生諧振，最后根據溫度與諧振頻率的關系確定節點的溫度;為實現遠程監控，系統加入GSM 模塊，當溫度過高或者供電電壓過低時，系統可向管理人員發送短信報警，同時，工作人員也可以向系統發送短信來查詢即時溫度或者改變系統參數，如報警溫度閾值、電壓報警閾值以及接收短信的目標手機號碼。

圖1 系統總體結構框圖Fig 1 Overall structure block diagram of system

6 只傳感器的中心諧振頻率各不相同，分別為497.500，498.500，499.500，500.500，501.500，502.500 MHz，詢問器產生的高頻信號頻率在497，503 MHz 范圍內，當監測的溫度在25～75 ℃內，對應每只傳感器的諧振頻率變化在1 MHz以內，所以，傳感器之間不會互相干擾，使得系統能夠一對多地進行溫度采集。基于上述原理，本系統還能增加傳感器的數量繼續拓展，但要注意詢問器和傳感器之間的距離不能超過3 m，否則，激勵信號會由于距離過遠而衰減，導致傳感器失效。

2 系統硬件設計

2.1 SAW 溫度傳感器

SAW 溫度傳感器的工作原理為:接收詢問器發射的電磁波信號并由其內部的叉指換能器轉換成聲表面波;SAW再經叉指換能器轉換成電磁波信號經由天線返回到詢問器;聲表面波的傳播特性與溫度有線性特征關系，從而使傳感器返回的回波信號具有溫度特征，其工作原理示意圖如圖2(a)所示。本設計采用江蘇聲立傳感技術有限公司生產的SAW 溫度傳感器，實物圖如圖2(b)所示。

2.2 無線詢問器

無線詢問器是本系統的核心，也是本設計的重點。基于傳統雷達技術，以掃頻的方式向傳感器發送間歇正弦信號并接收回波信號，通過采樣回波信號來判斷SAW 溫度傳感器是否發生諧振。高頻詢問器主要由低功耗單片機MSP430F167、DDS 模塊、倍頻模塊、RF 功放模塊、A/D 轉換模塊、包絡檢波模塊、濾波器、收發開關以及GSM 模塊組成，其結構圖如圖3 所示。

圖2 SAW 溫度傳感器Fig 2 SAW temperature sensor

圖3 詢問器結構圖Fig 3 Structure diagram of interrogator

詢問器工作分為發射周期和接收周期，首先收發開關連接發射端，DDS 模塊產生一個高頻信號，經過倍頻、濾波和放大后通過天線輻射出去;隨即將收發開關轉換至接收端開始接收SAW 溫度傳感器的回波信號，經濾波、放大和檢波后變成了低頻包絡信號，最后通過AD 采樣判別回波信號的強度。然后改變DDS 模塊產生信號的頻率重復如上步驟，頻率在497～503 MHz 變化，每次變化步長1 kHz。

2.3 MCU 喚醒電路和供電電路設計

高壓開關柜的房間沒有220 V 接口供電，所以，無線詢問器采用10 A 的鋰電池供電。將詢問器處于低功耗狀態，每隔4 h 由MCU 喚醒電路喚醒一次，執行IO 中斷函數，然后再進入休眠。

MCU 喚醒電路由計數器CD74HC4040 組成，電路如圖4(a)所示，計數器時鐘端接單片機的PWM 輸出口(MSP430F167 在LMP3 模式下仍能產生PWM)，將計數器的第12 位輸出端接單片機的IO 中斷口，輸出的PWM 上升沿將觸發MCU 產生IO 中斷。另外，供電模塊也做了特殊設計，MCU 和MCU 喚醒電路采用TLV1117—3.3 穩壓供電，而其余模塊則由TPS7A4501 穩壓供電，其中TPS7A4501 的使能端接MCU 的IO 口，可以通過程序控制關閉和啟動，電路如圖4(b)所示。

3 系統軟件設計

3.1 DDS 軟件編程

DDS 芯片采用AD9854，控制信息由單片機采用串行方式傳送，控制信息的刷新信號(UDCLOCK)也由單片機提供。在單片機完成傳送控制信息后要等待幾微秒再傳送刷新信號，以避免AD9854 在控制信息數據沒有完全傳送時發生刷新。具體過程為:芯片加電;復位;傳送相應的控制信息數據;控制信息的刷新信號。

圖4 電路原理圖Fig 4 Principle of circuit

3.2 SMS 短信編程

利用GSM 模塊發送SMS 短信以實現人機之間的遠程實時對話。

當溫度過高時，系統會發出短信:“The temperature of 1#node is higher than 50.0”，其中，1#代表1 號節點，當其他節點溫度過高時會發出對應節點的溫度報警信息，50.0 是當前設定的溫度報警閾值50 ℃;當供電電壓過低時，系統會發出短信:“The voltage of power is lower than 5.5”，其中，5.5 為當前設定的電壓報警閾值5.5 V。

同時，系統在每次被喚醒后都會檢查有沒有新短信，并根據新短信的內容做出相應的回應，為防止騷擾短信，對短信格式做了特別的規定，如，短信“SMS0”為查詢當前溫度和電池電壓信息，系統將會回答短信“25.5，25.6，25.7，25.8，25.9，26.0，6.5”，分別表示6 個節點的溫度和電池電壓信息;短信“SMS1—55.5”為把溫度報警閾值設為55.5 ℃;“SMS2—6.0”為把電壓報警閾值設為6 V;“SMS1—15700742222”表示把GSM 發送短信的目標手機更改為15700742222。

3.3 系統程序主流程圖

系統程序主流程圖如圖5 所示。

圖5 軟件流程圖Fig 5 Software flow chart

主程序首先進行系統初始化:設置系統的工作頻率、初始化PWM 模塊給喚醒電路提供時鐘信號、初始化ADC 模塊來轉換電池電量、初始化UART 來實現單片機和GSM 的通信、配置IO 中斷以配合單片機進入低功耗模式，隨后關閉TPS7A4501 穩壓芯片的使能端進入LPM3 模式。在LPM3 模式下MCU 的耗電量不到1 μA，CPU，DCO，MCLK，SMCLK 都被禁止，但ACLK 活動，能夠持續產生PWM。MCU 在喚醒電路的觸發下每隔4 h 進入一次IO 中斷函數，次IO 中斷函數主要完成:GSM 新短信處理、電池電量檢測、溫度采集以及發送可能的報警短信。

4 系統性能評價

4.1 傳感器溫度—諧振頻率特性

將SAW 溫度傳感器置于恒溫箱內，恒溫箱的溫度從25～75 ℃變化，每次改變5 ℃。經測試，6 只傳感器的溫度—諧振頻率特性如圖6(a)所示，不難看出，各傳感器在溫度為25～75 ℃內，諧振頻率不會重疊，相互之間不會干擾。

以1#傳感器為例，1#傳感器溫度—諧振頻率特性如圖6(b)所示，傳感器的諧振頻率與溫度幾乎呈線性關系，擬合公式如式(1)

圖6 溫度—諧振頻率特性Fig 6 Temperature-resonant frequency characteristic

因此，在溫度未知的情況下，測得傳感器的諧振頻率點后便可根據此公式算出相應的溫度。經過大量實驗測試，本系統的溫度測量誤差在0.5 ℃以內。

4.2 系統測量準確度測試

本系統在湖南省電力公司株洲供電分公司的一個變電站進行了測試，現場變電站的開關柜正常運行時，開關柜是必須閉合的。首先用紅外測溫儀測量開關柜內溫度為36.6 ℃，然后向系統發送短信“SMS0”和短信“SMS1—39.0”，得到測試結果如表1 所示。

表1 現場測試結果Tab 1 Results of field test

由于紅外測溫儀只能從外面測到開關柜內的溫度，而本系統將傳感器直接安裝在開關柜內的觸頭上，測量的數據可信度更高，并且比紅外測量的溫度高2.5 ℃左右;同時，現場測試不能改變開關柜的溫度，利用短信“SMS1—39.0”將報警溫度的閾值設為39 ℃，從實驗結果可以看出，本系統沒有誤報警。

4.3 系統的功耗分析

用U1253B 測量詢問器正常工作時的平均電流為850 mA(810～880 mA 范圍內變化)，低功耗模式下電流不到2 mA，而系統大部分時間處于低功耗模式，每4 h 被喚醒一次，一次工作時長不到3 min。經計算，采用10 Ah 的鋰電池供電，能持續工作33 天左右，通過測試，系統實際能持續工作超過35 天。

5 結 論

該高壓開關柜溫度遠程在線監測系統結構設計合理，系統工作穩定，抗干擾能力強，測量精度達到0.5 ℃，更換一次電池能持續工作超過35 天。采用具有無源無線特性的SAW 溫度傳感器，體積小，方便安裝和維護，比光纖測溫法安全，比紅外測溫法精確;單片機和DDS 芯片產生高頻信號，并利用檢波器將回波信號降頻，降低了系統的研發難度和成本;通過GSM 模塊進行人機交流，實現了遠程在線監控。系統擴展性好，有很大的應用價值。

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