電力電纜溫度智能在線監(jiān)測系統(tǒng)

蘇寧　李邦　孟慶銘

摘 要：電力電纜的溫度實時監(jiān)測是保障電力電纜性能的重要環(huán)節(jié)，文章提出的電力電纜溫度智能在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括了電纜等電位測溫模塊、接地箱模塊與遠(yuǎn)程監(jiān)測中心服務(wù)器三大部分，可以實時準(zhǔn)確地監(jiān)測電力電纜的溫度變化情況，為電力系統(tǒng)的正常運行提供技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：電力電纜；等電位測溫；ZIGBEE；服務(wù)器

中圖分類號：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）25-0098-02

1 概述

電力電纜是電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施中的最重要組成部分之一，在供電過程中發(fā)揮著重要作用。電纜絕緣性能的優(yōu)劣是決定電力電纜正常運行的主要影響因素，而電纜的接頭與導(dǎo)體溫度又是影響電纜絕緣性能的關(guān)鍵指標(biāo)，對電力電纜溫度進(jìn)行監(jiān)測，是電力系統(tǒng)研發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

電力電纜溫度監(jiān)測方法可以分為離線監(jiān)測與在線監(jiān)測二種方式[1]。作為傳統(tǒng)方法的離線監(jiān)測包括示溫臘片法、引線接頭測溫法、接觸式電信測溫法、紅外測溫法等，然而這種方式需要斷電之后檢測人員攜帶儀器進(jìn)行現(xiàn)場檢測，實時性差、消耗的人力物力大。而在線監(jiān)測方法主要包括了感煙式在線監(jiān)測法、數(shù)字溫度傳感器測溫法、感溫電纜溫度監(jiān)測法、分布式光纖測溫法與光纖光柵測溫法等，完全的在線監(jiān)測法均不需要人工干預(yù)，實時性強，但也存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工程施工量大等實際問題，不能用于大規(guī)模推廣。因此，本文提出了一種基于短途無線與遠(yuǎn)程無線相結(jié)合的電力電纜溫度智能在線監(jiān)測與分析系統(tǒng)方案，可更有效地利用現(xiàn)有的電力設(shè)施，具有很好的性價比。

2 總體系統(tǒng)設(shè)計

電力電纜溫度智能在線監(jiān)測與分析系統(tǒng)是采用了等電位結(jié)點無線傳感技術(shù)，在被測電氣結(jié)頭上用物理連接方式固定等電位溫度傳感器，以ZIGBEE無線通信方式將數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)接地箱，發(fā)送距離為100-200米。數(shù)據(jù)接地箱負(fù)責(zé)上傳在其接收范圍內(nèi)的探頭數(shù)據(jù)，并通過3G/4G遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)把監(jiān)測到的溫度數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)測中心服務(wù)器中。遠(yuǎn)程監(jiān)測中心服務(wù)器承擔(dān)全天24小時的數(shù)據(jù)監(jiān)聽任務(wù)，并可實現(xiàn)測溫點分區(qū)域分級顯示、數(shù)據(jù)智能分析處理、局域網(wǎng)報表發(fā)布等功能。系統(tǒng)主要包括分布在各個測試現(xiàn)場點的電纜等電位測溫模塊、接地箱模塊與遠(yuǎn)程監(jiān)測中心服務(wù)器三大部分，總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)模塊設(shè)計

3.1 電纜等電位測溫模塊設(shè)計

電纜等電位測溫模塊專門設(shè)計用于電纜接頭部分與導(dǎo)體的運行溫度監(jiān)測，實現(xiàn)接觸式溫度測量。本設(shè)計中等電位測溫技術(shù)，其中探頭與電氣結(jié)點采用等電位技術(shù)，很好的保護(hù)了內(nèi)部電路。探頭使用數(shù)字式測溫芯片，測溫精度高，比傳統(tǒng)的采用熱敏電阻所帶來的溫度誤差要小的多。

在本設(shè)計中，采用了STM32芯片STM32F103VET6作為微處理器芯片，該芯片工作頻率最高可達(dá)72MHz，內(nèi)置512K字節(jié)Flash閃存和64K字節(jié)SRAM，具有豐富的增強I/O端口和標(biāo)準(zhǔn)通信接口。該芯片內(nèi)部包含3個12位ADC，可以方便地采集電阻式測溫傳感器的信號，還可以通過內(nèi)置的UART串口擴展出ZIGBEE模塊，從而實現(xiàn)基于ZIGBEE的短途無線通訊。

ZIGBEE作為一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，加上其出色的通訊距離、安全性和可達(dá)100～1000天的電池壽命，在本測溫系統(tǒng)中應(yīng)用具有很好的技術(shù)優(yōu)勢。測溫模塊通過ZIGBEE無線網(wǎng)絡(luò)連接到接地箱模塊中。在本設(shè)計中，ZIGBEE模塊采用上海順舟電子科技有限公司生產(chǎn)的SZ05-ZigBee嵌入式無線數(shù)傳模塊。

本測模塊對采集的溫度數(shù)據(jù)發(fā)射周期采用動態(tài)調(diào)整模式。當(dāng)傳感器所測溫度在0℃以下時，每5分鐘發(fā)射一次溫度信息；當(dāng)所測溫度在0℃-50℃，每3分鐘發(fā)射一次溫度信息；當(dāng)所測溫度在50℃以上時，每1.5分鐘發(fā)射一次溫度信息；當(dāng)出現(xiàn)告警溫度時就馬上向接地箱模塊發(fā)射溫度信息。

3.2 接地箱模塊設(shè)計

接地箱模塊主要起到了信息中轉(zhuǎn)的作用，一方面通過ZIGBEE短途無線網(wǎng)絡(luò)接收來自于等電位測溫模塊，將溫度數(shù)據(jù)通過3G/4G無線網(wǎng)絡(luò)傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器中。一個接地箱可以最多接收256個測溫模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)信息，可對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行粗步分析和保存，去除過期數(shù)據(jù)保存較新數(shù)據(jù)，并提供硬接點報警功能。

在本設(shè)計中，還是采用了STM32芯片STM32F103VET6作為微處理器芯片，主要利用了它內(nèi)置的2路UART單元進(jìn)行了接口擴展，一路用于擴展ZIGBEE模塊，另一路用于擴展3G/4G模塊。本設(shè)計中的ZIGBEE模塊同樣采用上海順舟電子科技有限公司生產(chǎn)的SZ05-ZigBee嵌入式無線數(shù)傳模塊，而3G模塊則采用中興MC2716模塊，該模塊采用CDMA 1X/EVDO制式，支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音和短信業(yè)務(wù)。考慮到系統(tǒng)的實時性，本模塊采用了uCosII實時操作系統(tǒng)，并采用層次化設(shè)計方法，實現(xiàn)了系統(tǒng)程序移植、驅(qū)動程序設(shè)計及應(yīng)用程序設(shè)計。

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)測中心服務(wù)器軟件

電力電纜溫度智能在線監(jiān)測系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測中心服務(wù)器主要用于控制和接收多個接地箱獲得的電纜溫度的運行狀態(tài)和故障信息，將這些數(shù)據(jù)處理后存儲并且在網(wǎng)頁上顯示。

本設(shè)計的服務(wù)器主要安置在電力部分的遠(yuǎn)程監(jiān)測中心，監(jiān)測中心的服務(wù)器主要有兩類，一是主服務(wù)器；一是數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。其架構(gòu)如圖2所示。

主服務(wù)器上運行著所有的web應(yīng)用、web應(yīng)用服務(wù)器以及java server，承受較高的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量，因此需要一個性能穩(wěn)定、處理能力較強、安全系數(shù)較高的服務(wù)器作為服務(wù)端程序和網(wǎng)頁應(yīng)用的硬件載體。本設(shè)計采用的是一款戴爾T620企業(yè)級的服務(wù)器，它的性能和處理能力可以滿足現(xiàn)階段的需求，并搭載CentOs6.4操作系統(tǒng)，在服務(wù)器安全性上更加有保障。同時，主服務(wù)器采用雙網(wǎng)卡，一張與外接網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，一張與局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器交換數(shù)據(jù)，分?jǐn)倲?shù)據(jù)吞吐壓力。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器也搭載CentOs6.4操作系統(tǒng)，并安裝MySql數(shù)據(jù)庫，與主服務(wù)器通過局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。將數(shù)據(jù)庫服務(wù)器置于局域網(wǎng)內(nèi)能有效保證數(shù)據(jù)的安全性，同時也能提高數(shù)據(jù)的吞吐速率。

服務(wù)端程序設(shè)計主要考慮兩個方面，一方面是網(wǎng)絡(luò)通信，另一方面是數(shù)據(jù)庫的存取。在網(wǎng)絡(luò)通信方面，本設(shè)計采用了Apache mina網(wǎng)絡(luò)通信框架。Apache mina是基于TCP/IP、UDP/IP協(xié)議棧的通信框架，具有高性能、高擴展性等優(yōu)勢。同時，mina提供了事件驅(qū)動、異步IO操作的編程模型，這使得對于并發(fā)量較少的需求，可以不考慮并發(fā)對網(wǎng)絡(luò)通信的影響，大大提高了開發(fā)的效率。在數(shù)據(jù)庫操作方面，本設(shè)計采用了Hibernate作為持久層的解決方案。Hibernate是一個面向java環(huán)境的開源的ORM框架，它將對象模型表示的對象映射到關(guān)系模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中去，甚至可以不考慮純粹的SQL，就能以面向?qū)ο蟮姆绞讲僮麝P(guān)系數(shù)據(jù)庫。

4 結(jié)束語

本文提出的基于等電位的電力電纜在線測溫系統(tǒng)可以實時準(zhǔn)確地監(jiān)測電力電纜的溫度變化情況，為電力系統(tǒng)的正常運行提供技術(shù)保障。但在具體實施過程中，單一的測溫方法有時未必能夠滿足所有復(fù)雜的工況變化，在后續(xù)的工作中，也將進(jìn)一步探討多種測溫傳感器融合的信號采集方法，并在服務(wù)器部分加入機器學(xué)習(xí)的分析方法，從而可以更有效地實現(xiàn)對電力電纜運行壽命的預(yù)測。

參考文獻(xiàn)：

[1]高云鵬，譚甜源，劉開培.電子電纜溫度監(jiān)測方法的探討[J].絕緣材料，2014，47（6）：13-17.

[2]楊文英.電力電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].長春：東北電力大學(xué)，2008.

[3]周凱.一種電力電纜絕緣在線監(jiān)測的新方法[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011.

[4]虞洋.基于車聯(lián)網(wǎng)的汽車遠(yuǎn)程信息系統(tǒng)服務(wù)器軟件設(shè)計[D].杭州：浙江大學(xué)，2016.endprint