開關柜溫度監測模塊的數據交互診斷分析

祁麟 王永寧 黃朝 李倩

【摘要】 設計和開發了一套基于聲表面波和Modbus/TCP技術的開關柜溫度診斷分析系統，詳細介紹了整個系統平臺的總體設計方案。該平臺包含硬件和軟件兩部分，對傳感器的選用、數據交互、系統的組成及功能也做了較為詳細的闡述。

【關鍵詞】 聲表面波 Modbus/TCP 數據交互

Abstract： In this paper， the author designs and develops a set of temperature diagnosis and analysis system for switch cabinet based on the SAW and Modbus/TCP technology. The overall design scheme of the system platform is introduced in detail. The platform includes the hardware and software. A more detailed description of each part is made including the selection of sensors， data exchange， software modules.

Keywords： SAW， Modbus/TCP， data exchange

一、引言

迄今為止，電網設備檢修經歷了故障維修、定期檢修、狀態檢修三個階段，作為在電力系統輸電、電能轉換和電能消耗中起著控制和保護電路的開關柜，實施狀態檢修是有必要的。

電網技術的發展，尤其是傳感器、計算機技術、微電子技術的快速發展，傳統電力開關柜越來越不能適應現代電網的發展要求。網絡通信技術的發展使人機對話、系統內各設備間的通信協作提供了理論基礎[1]。

大多數高壓開關設備采用封閉結構，散熱條件差，而且長時間工作于高電壓、大電流等惡劣環境中，很容易引起熱量的積累而導致其內部溫度升高[2]。常規的測溫方式覆蓋面低、便利性差，有的無法做到實時監測，有的引入新的安全隱患，導致事故停電火災頻發。據統計，我國每年發生電力事故，40%由高壓電氣設備過熱所致；而在采用高壓開關柜和電力電纜的供電系統中有70%以上的電纜運行故障是因為連接部位接觸電阻變大、過負荷等引起接頭溫度過高所致。對高壓開關柜連接點的溫度變化進行實時監測及預警是非常必要的。

二、系統設計方案

2.1系統設計概述

目前高壓開關柜溫度在線監測方法主要有CCD攝像頭監測示溫蠟片測溫法、紅外測溫法、光纖測溫法和無線網絡法[3]，由于中壓開關柜內存在大電流、高電壓，電磁環境極為惡劣等諸多困難因素，現有開關柜測溫技術都存在著各種各樣的局限性。本系統采用聲表面波器件，安裝在開關柜內部，長期運行不會積污，不會引入新的安全隱患。

開關柜從內部結構可分為儀表室、母線室、開關室、電纜室，本系統采集模塊可同時采集和監測三室（母線室、開關室、電纜室）的溫度信息。

2.2系統整體方案

既要保證獨立模塊的高效，又要兼顧整體系統的穩定可靠，系統采用了分層

架構設計。如圖1所示。

傳感器與測量裝置之間采用無線傳輸的方式進行數據交互，為現場安裝提供了便利。

測量裝置與通訊管理機之間采用CS架構，裝置在接收到管理機主動詢問的測點信息時主動上送各傳感器溫度信息，采用標準Modbus/TC協議進行數據通信。

為更好的進行數據展示，服務器與管理機之間采用BS架構，采用標準Modbus/TCP協議進行數據通信。

三、硬件設計

3.1溫度傳感器

按照電源供給方式不同，無線傳感器可分為三類，采用特殊設計的聲表（SAW）諧振器，工作時不需要任何電源以及工作在射頻頻段的特性，使得SWA應用于骯臟潮濕、核輻射、有爆炸危險的危險環境具有很大優勢[4]。當有一個特點頻率的電波輸入到聲表諧振器，諧振器輸出的電波信號頻率會隨著環境溫度的變化而變化，利用諧振器的這個特性，通過采集諧振器輸出頻率，就可以得到對應的環境溫度。

3.2通訊集中器的設計

通訊集中器采用高度集成的ARM處理器為核心部件，具有4路隔離串口和兩路快速以太網接口，可以實現串口設備到以太網的自動信息采集和通信協議轉換，以及基于以太網的通信管理，滿足計算機監控系統中的多種通信需求。

通訊集中器主要是作為現場控制的通信擴展 設備。該裝置既可以通過串口也可以通過以太網接口實現與上級系統或與下級設備通信的功能，根據需要進行組合，給實際工程應用帶來了極大的靈活性。

四、軟件設計

4.1溫度讀取器軟件

溫度讀取軟件主要分為數據收發、診斷分析、數據保存、數據回放及信息顯示模塊。模塊結構如下。

數據收發模塊：該模塊主要負責測點數據的讀取。

診斷分析模塊：根據讀取的測點信息進行診斷分析，判斷當前的測點狀態，給出判斷結果，當達到預設的告警值時，裝置進行聲光告警。

數據保存模塊：為方便查看，所有的溫度信息都進行保存。

數據回放模塊：可以通過查看保存的歷史溫度信息來判斷開關柜運行情況。

數據顯示模塊：通過界面實時查看當前各測點信息及當前各點狀態，輔助現地人員對開關柜運行狀態進行基本判斷。

4.2通訊集中器軟件

通訊集中器主要完成讀取溫度數據、轉發與上送功能。軟件采用CS架構與溫度讀取器進行交互，采用標準Modbus/ TCP協議進行數據交互?；谝蕴W技術和標準TCP/IP技術發展起來的Modbus/TCP，直接安插于ISO七層結構中的第四層的TCP/UDP上，其工作原理就是Modbus協議幀嵌入到TCP/IP下層的協議幀中，在物理層進行傳輸[5]。

為更好的進行數據分析及數據展示，所有的測溫數據都集中到集中器進行統一上送，統一上送的數據既可以作為遠端監控，也為部署在遠程的云數據平臺進行大數據分析提供基礎數據支撐。

4.3數據展示

監測計算器在接收到集中器上送的數據后，首先把數據存入實時數據庫進行保存，最后對集中器數據進行比較、展示，方便用戶查看。

五、結語

采用SAW測溫傳感器安全性高、抗干擾能力強，使用Modbus/TCP技術，傳輸速度高且實施價格低廉，可更容易地實現實時監控與現場設備的通信。開關柜運用在線測溫裝置可有效檢測開關柜內部溫度，預防開關柜內部過熱事故的產生。

參 考 文 獻

[1] 孫健秧，郭建釗，姚良鑄.中壓智能開關柜技術綜述及解決方案的探討[J].華東電力， 2012， 40（4）：684-686.

[2] 劉柳，陳建政.高壓開關柜溫度在線監測系統設計[J].無線互聯科技， 2015（4）：38-40.

[3]黃新波.變電設備在線監測與故障診斷[M].北京：中國電力出版社，2012.

[4] 韓韜，施文康.聲表面波器件在無線傳感系統中的應用[J].光學精密工程， 2001， 9（6）：576-579.

[5] 翁建年，張浩，彭道剛，李輝 .基于嵌入式ARM的Modbus/TCP協議的研究與實現[J].計算機軟件與應用， 2009， 26（10）：36-38.