基于WSN的母線接頭溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

張業(yè)成　陳金龍

摘 要：母線是電力輸送設(shè)施的關(guān)鍵部件，同時(shí)也是容易發(fā)生故障的設(shè)備。母線接頭溫度的異常變化與母線故障的發(fā)生密切相關(guān)，因而其溫度的監(jiān)測(cè)對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)母線故障具有重要意義。文中首先給出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的母線接頭溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案，然后提出了一種基于ESP8266 WiFi芯片通信模塊與DSB18B20溫度傳感器模塊的母線接頭溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)用STM32F103控制2個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)作。針對(duì)母線高溫環(huán)境無法使用電池供電的問題，采用直接從母線供電進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換的方式解決。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備了測(cè)溫的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，對(duì)母線故障監(jiān)測(cè)與診斷具有重要意義。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）;模塊設(shè)計(jì);母線接頭溫度;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);控制;通信

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）07-00-03

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各行各業(yè)用電量迅速增加[1]。在大電流輸送時(shí)，母線具有很大的優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用也越來越廣[2]。母線運(yùn)行的可靠性成為重要的工業(yè)研究課題。母線接頭處采用螺栓連接，一旦出現(xiàn)接頭螺栓未擰緊或發(fā)生熱脹冷縮和氧化現(xiàn)象，都會(huì)使母線接頭阻抗快速增大[3]。因而，母線接頭高電阻連接是母線運(yùn)行中最常見的故障之一[4]。電路中的高電阻連接會(huì)導(dǎo)致母線接頭局部過熱和供電電壓不平衡[5]，從而使配電系統(tǒng)及電動(dòng)機(jī)的效率降低，甚至還會(huì)造成意外停機(jī)，引起不必要的經(jīng)濟(jì)損失[6]。因此，母線接頭溫度監(jiān)測(cè)對(duì)于工業(yè)設(shè)備的可靠、高效和安全運(yùn)行至關(guān)重要[7]。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

母線運(yùn)行狀況在線監(jiān)控系統(tǒng)是由無線傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)及上位機(jī)終端組成。其中，無線傳感器節(jié)點(diǎn)A（1）～

A（n）安裝在A號(hào)干線的母線接頭上，B（1）～B（m）安裝在B號(hào)干線的母線接頭上，由各干線母線接頭上的無線傳感節(jié)點(diǎn)在傳輸信息過程中形成了無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN），最后可通過匯聚節(jié)點(diǎn)把各節(jié)點(diǎn)上的溫度、電流信息傳送給上位機(jī)終端。母線運(yùn)行狀況在線監(jiān)控系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 WSN節(jié)點(diǎn)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)位于母線接頭處，主要由4個(gè)模塊組成，分別為傳感器模塊、控制器模塊、無線通信模塊、電源模塊。其中，傳感器模塊采用A，B，C三相母線溫度傳感器，電源模塊包含銅柱觸頭與電源獲取組件，控制器模塊與無線通信模塊安裝于節(jié)點(diǎn)支撐板的另一側(cè)。WSN節(jié)點(diǎn)母線接頭溫度采集結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.1.1 傳感器模塊

傳感器模塊負(fù)責(zé)采集母線接頭表面中心點(diǎn)處的最高溫度，可以結(jié)合流過母線的電流強(qiáng)度選擇相應(yīng)測(cè)量溫度范圍的傳感器。本設(shè)計(jì)中溫度采集模塊采用DSB18B20測(cè)溫傳感器，定時(shí)采集母線接頭溫度，測(cè)量精度誤差為±1 ℃。DSB18B20測(cè)溫傳感器模塊如圖3所示。

1.1.2 控制器模塊

控制器模塊作為系統(tǒng)控制與調(diào)度的核心，主要完成如下任務(wù)：

（1）負(fù)責(zé)控制傳感器模塊，使其定時(shí)采集和處理溫度數(shù)據(jù);

（2）負(fù)責(zé)控制無線通信模塊，實(shí)現(xiàn)采集溫度數(shù)據(jù)的收發(fā);

（3）負(fù)責(zé)監(jiān)聽上位機(jī)終端指令，按照上位機(jī)終端的要求提取傳感器模塊采集的母線接頭表面溫度數(shù)據(jù)。

目前，控制器芯片廠商有索尼、東芝、恩惠浦、德州儀器與意法半導(dǎo)體公司。根據(jù)母線接頭溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需求，本設(shè)計(jì)采用性價(jià)比高的意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103，母線接頭溫度采集控制流程如圖4所示。

1.1.3 無線通信模塊

無線通信模塊聯(lián)系其所在WSN節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)終端，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)：

（1）在大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)的母線工作環(huán)境中，無線通信模塊需具有良好的穩(wěn)定性與可靠性;

（2）實(shí)時(shí)在線傳輸，具備母線接頭表面溫度實(shí)時(shí)收發(fā)能力;

（3）面向多系統(tǒng)多平臺(tái)應(yīng)用的兼容性，無線通信模塊的選取關(guān)系著系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性與可靠性。

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外多家廠商的比較，我們選取樂鑫公司生產(chǎn)的ESP8266芯片作為WiFi模塊，該模塊體積小、重量輕，安全性和穩(wěn)定性較好，內(nèi)置32位處理器，睡眠模式下功耗可忽略不計(jì)。ESP8266芯片WiFi模塊如圖5所示。

1.1.4 電源模塊

考慮到母線工作的高溫環(huán)境不適合WSN節(jié)點(diǎn)常采用的電池供電方式，可以使用母線上220 V電壓供電。由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的WSN節(jié)點(diǎn)采用直流5 V電源供電方式，且其正常工作的電壓為直流3.3 V，因此需要將220 V母線電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的5 V和3.3 V電壓，轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信協(xié)議

本設(shè)計(jì)采用2.4 GHz IEEE 802.15.4協(xié)議，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀格式如圖7所示[8]。其中，母線接頭溫度數(shù)據(jù)存放于MAC載荷內(nèi)，MAC層數(shù)據(jù)幀的最后兩個(gè)字節(jié)用于幀校驗(yàn)，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)存放CRC冗余碼，接收數(shù)據(jù)時(shí)存放RSSI值、CRC以及LQI值。通過讀取MAC層數(shù)據(jù)幀的最后兩個(gè)字節(jié)，提取LQI值即可實(shí)現(xiàn)發(fā)射端到接收端無線鏈路質(zhì)量的監(jiān)測(cè)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

依照介紹的母線接頭溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)WSN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，制作如圖8所示的測(cè)溫節(jié)點(diǎn)，并安裝在基于3D打印制作的塑料保護(hù)面板上。

測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)試分別通過兩組實(shí)驗(yàn)完成。一組通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的WSN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行A相母線接頭溫度采集，每6 min完成一次母線接頭溫度檢測(cè)并上傳至上位機(jī)，再將其保存到數(shù)據(jù)庫。另一組實(shí)驗(yàn)在WSN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行A相母線接頭溫度采集的相同時(shí)刻，使用溫度測(cè)量?jī)x精確測(cè)出A相母線接頭溫度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)耗時(shí)10 h，分別獲得100組A相母線接頭溫度數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將母線接頭溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)WSN節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出，并與溫度測(cè)量?jī)x記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，通過MATLAB繪制出如圖9所示的溫度曲線。