基于NB?IoT技術的高壓開關溫度監測系統

梁志勛 施運應 趙家祺 林芳

摘? 要： 針對電網中高壓開關發熱監測不及時、測量難度大的問題， 提出一種基于窄帶物聯網技術（NB?IoT）和輸電線路感應取電技術，設計一種高壓開關溫度監測系統。系統通過輸電線路感應取電方式為溫度采集系統提供電源，采用低功耗微控制器STM32L151結合NB?IoT、云存儲技術和LabVIEW虛擬儀器技術實現對高壓開關工作溫度的遠程實時監測及其數據處理。實驗測試結果表明，當有20 A電流流過輸電線時，感應取電輸出功率為0.257 W，而系統平均消耗功率為0.174 W，能滿足長期穩定工作要求。系統溫度監測誤差平均值為0.32 ℃，溫度數據能夠在10 s內完成一次刷新，滿足監測實時性要求。

關鍵詞： 高壓開關; 溫度監測; NB?IoT; 感應取電; 在線監測; 系統測試

Abstract： As the high?voltage switch heat monitoring in the power grid is not timely and difficult， a high?voltage switch heat monitoring system based on narrow?band Internet of Things （NB?IoT） technology and power induction on power transmission line is designed. The system can provide power supply for the temperature acquisition system by means of the power induction on power transmission line. The low?power microcontroller STM32L151 combines with NB?IoT， cloud storage technology and LabVIEW virtual instrument technology to realize the remote real?time monitoring of the working temperature of the high?voltage switch and its data processing. The experimental testing results show that when a current of 20 A flows through the transmission line， the output power of the power induction is 0.257 W， and the average power consumption of the system is 0.174 W， which can meet the long?term stable working requirements. The average temperature error of the system temperature monitoring is 0.32 °C， and the temperature data can be refreshed within 10 seconds， which meets the real?time requirements of monitoring.

Keywords： high voltage switch; temperature monitoring; NB?IoT; power induction; on?line monitoring; system testing

0? 引? 言

高壓開關是高壓配電網中的重要設備，是保證電力供應系統正常穩定運行的重要部分，正常穩定運行的前提是及時發現并且排除故障，然而高壓開關運行具有電壓高、電流大、運行環境惡劣等特點，開關觸頭在接觸不良時開關溫度過高造成供電系統故障的情況時有發生[1]。因此，及時發現高壓開關發熱的缺陷極為重要[2?3]。目前多數變電站對高壓開關的溫度監測主要有感溫蠟測溫、紅外測溫和光纖測溫等方法。感溫蠟是一種可隨溫度變化而改變顏色的材料，通過觀察它的顏色變化來大致確定溫度范圍，這種方法測量準確度低，可讀性差，無法實現實時測量。紅外測溫需依靠人力采用紅外測溫儀監測，部分發達地區也采用機器人定期巡視測溫，這種方法在0～200 ℃溫度之間的測量誤差小，準確度高，但是也不能做到對高壓開關的實時監測[4]。光纖測溫主要有光纖光柵溫度傳感器和光纖傳輸溫度信號兩種方式，具有耐高壓、抗腐蝕、抗干擾等優點，但測量設備與高壓開關需要通過光纖連接，安全性較低[5?6]。基于以上情況，文獻[7?8]設計了一種基于ZigBee無線傳感網技術的高壓開關溫度實時監測系統，其測量精度高，實時性好，但是ZigBee屬于自組網系統，傳輸距離有限。文獻[9?12]結合聲表面波傳感技術設計了一類高壓開關柜溫度監測系統，這類系統穩定可靠，監測端不需要增加額外的電源，方便安裝，但是仍需要就近安裝一系列自組網收集節點，當收集數據節點安裝不恰當時，會導致數據丟失或誤傳。物聯網及5G時代的到來使得各行各業迅速發展，在國家智能電網的建設中也得到了實質性的發展。

本文提出基于NB?IoT技術的高壓開關溫度監測系統，系統采用間接供電方式，通過輸電線路感應取電為溫度采集系統供電，儲能鋰電池使溫度監測系統實現持續穩定工作。系統采用低功耗嵌入式芯片STM32L151作為溫度采集系統的主控芯片，結合DS18B20溫度傳感器實現對高壓開關的溫度監測，通過NB?IoT通信模塊采用窄帶物聯網通信技術將溫度數據經過蜂窩網絡上傳至云服務器和后臺數據處理平臺，最后在LabVIEW監測平臺實現對高壓開關工作溫度的遠程實時監測。

1? 系統總體設計

基于NB?IoT技術的高壓開關溫度監測系統主要包括溫度數據采集、數據傳輸、數據處理三部分。由溫度數據采集模塊、數據傳輸終端模塊、NB?IoT云平臺和遠程數據監測平臺等功能部分構成，根據其實現的功能作用可以概括為感知層、傳輸層和應用層。溫度監測系統組網如圖1所示，采集終端采用NB?IoT通信技術通過移動蜂窩基站將采集到的溫度數據發送至NB?IoT云平臺，用戶應用平臺可以在遠程獲取溫度數據進行下一步處理。

2? 感知層硬件設計

高壓開關溫度監測系統的感知層由感應取電模塊、儲能電池模塊和測溫系統模塊組成。溫度監測系統的感知層硬件設計如圖2所示，輸電線路感應取電模塊通過輸電線獲取電能并向儲能電池充電，而測溫系統通過儲能電池獲取電能能夠持續工作。

圖2中，測溫系統采用STM32L151微控制器作為主控芯片，數據發送部分由NB?IoT模塊BC95構成，測溫的溫度傳感器為DS18B20。STM32L151是基于Cortex?M3內核的微控制器，其內置了128 KB的FLASH，16 KB的RAM， 具有JTAG接口，利于調試程序，3個USART可方便地與通信模塊對接，并且支持時鐘控制機制和四種超低功耗模式[13]。

DS18B20的通信接口為單總線， 既可通過串行口線，也可通過其他I/O口線與微機接口，無須經過其他變換電路，直接輸出被測溫度的9～12位二進制數字信號[14]。每片DS18B20內部的ROM都刻了惟一的64位編碼，在多點測溫系統中，可實現對各測溫點的定位和識別;另外，DS18B20測量范圍為-55～125 ℃，精度為±0.5 ℃，靜態功耗<3 μA。由于DS18B20測量溫度范圍寬，測量精度高，并且其結構簡單，使用方便靈活，體積非常小，非常適合在空間有限的高壓開關柜內靈活布置。本文研發的無線測溫實物如圖3所示。

根據電磁感應原理，當交變電流流過輸電線時，輸電線周圍產生交變的磁場，放置在輸電線附近的互感裝置輸出同頻交流電壓，經過全橋整流、濾波、穩壓電路變化后實現為后端的監測系統供電[15?16]。感應取電又分為直接供電方式和間接供電方式，這兩種方式的區別在于取電系統中是否有儲能電池。本設計采用間接供電感應方式，此方式可以為系統提供穩定的電源和較大的瞬時電流，即使在用電低谷期也能使溫度監測系統正常工作。感應取電電源通過互感器裝置從高壓輸電線中感應獲取電能，一旦輸電線路發生單相短路、兩相短路等線路故障，或者遇到直擊雷等產生巨大的沖擊電流時，感應取電裝置將輸出非常大的電壓值。充電電路和電源穩壓電路如圖4所示。充電電路采用國產芯片TPA4056，該芯片為專門為鋰電池線性充電芯片，具有電池極性接反保護功能。穩壓電路采用DC/DC穩壓芯片完成電池到3.3 V的轉換。該芯片性能優異，當輸入電壓低于3.3 V時，其主動變為升壓模式，當輸入電壓高于3.3 V時，其主動變為降壓模式。這種模式有利于充分利用鋰電池的能源和系統持續穩定工作。

NB?IoT通信模組采用上海移遠通信的BC95通信模組，BC95是一款高性能、低功耗的NB?IoT無線通信模塊，緊湊的尺寸能最大限度地滿足終端設備對小尺寸模塊產品的需求，并且具有超低功耗和超高靈敏度的特點，與本文設計的測溫系統所需要模塊極大相符。BC95功能框架如圖5所示，其主要闡述了模塊射頻部分、電源管理部分和外圍接口部分的功能。

BC95模塊通過串口通信方式與MCU通信，MCU可以通過AT指令控制NB?IoT模塊BC95，實現NB?IoT的組網以及將系統所采集到的數據信息經過AT指令控制BC95通信模塊實現數據的無線收發。

表1中AT指令是實現NB?IoT模塊BC95組網以及無線收發功能流程的指令及其含義。

應用層數據解析處理流程如圖6所示。系統啟動時先進行NB?IoT的組網，完成組網后才能繼續進行對高壓開關的溫度監測，在上傳DS18B20所采集的數據之前設置一個數據終端判斷，判斷當前終端號和數據是否符合規定。系統具有閑時休眠的功能，設置一定時間休眠間隔使系統達到節能功能，因此每次上傳數據時先進行休眠判斷，若在休眠期內則進行休眠等待，休眠期結束后再進行上傳。在完成數據上傳后，將會收到上傳成功信號，在未接收到成功信號時則重復上傳，直到上傳數據成功為止。

3? 傳輸層數據通信協議

NB?IoT網絡主要由用戶終端設備、運營商基站、NB?IoT云平臺和用戶應用平臺組成，用戶通過安裝在終端設備上的物聯網網卡接入NB?IoT網絡，并通過運營商基站進行數據信息的發送和接收。本系統的運輸層協議為UDP，主要原因是要區別于TCP協議的“三次握手”建立連接和“四次揮手”釋放連接的時延損耗，以實現數據收發的實時性。在應用層采用CoAP協議與傳輸層的UDP協議配套使用更是彌補了UDP通信協議數據傳輸不可靠的缺陷，實現數據的可靠傳輸。傳輸層通信數據協議如圖7所示，本系統中主要是實現將感知層采集到的溫度數據通過NB?IoT透傳到云平臺上，在用戶應用平臺上實現對高壓開關工作溫度的實時監測。表2為數據格式協議定義。

4? 應用層軟件設計

物聯網應用層是物聯網三層結構中的最頂層，它可以對感知層采集到的數據進行計算、處理和知識挖掘，從而實現對物理世界的實時控制、精確管理和科學決策。在本文中應用層設計主要實現對感知層溫度采集系統采集到的溫度數據進行處理、顯示，進而實現對高壓開關工作溫度的實時監測和對高壓開關設備的科學管理。本文應用層高壓開關溫度監測平臺是在美國國家儀器（NI）公司的程序開發環境LabVIEW設計完成，LabVIEW具有強大的數據處理功能，可按需定制各種儀器，是開發測量和控制系統的理想選擇。本設計溫度監測平臺主要實現對高壓開關工作溫度和工作狀態的實時顯示，溫度監測平臺界面如圖8所示。如圖9所示，亦可查詢一段時間的歷史數據。

溫度監測平臺具有通信參數配置、監測開關點位置顯示、實時溫度、實時溫度曲線、實時報警和歷史數據查詢的功能。監測平臺數據處理流程如圖10所示。監測平臺從NB?IoT云平臺獲取到數據，解析數據并判斷設備號是否正確，如果正確，則進入歸類處理和數據顯示，同時判斷是否需要進行門限報警。

5? 數據測試與分析

5.1? 電源供電測試

為了測試電源的取電能力和穩定性，在實驗室搭建了實驗測試平臺。電子負載JT6348A吸收掉傳輸線的電能，而取電感應裝置掛載在傳輸線上，將另一電子負載接在電源輸出端，分別測量其輸出電流和電壓，當測試電流分別為10 A，20 A，30 A，40 A時，電源輸出的電流和電壓如表3所示。輸出均為直流形式的電流和電壓，通過功率計算公式可得流過輸電線各個電流值的電源輸出功率值。

在感知層硬件設計時，將硬件系統分為發送數據模式和休眠模式。發送數據模式時所有器件都工作，這時功耗最大;休眠模式時，單片機進入低功耗休眠模式，而NB?IoT模塊BC95也進入休眠模式，此時只有單片機的定時器在工作。系統功耗可以用下列公式進行定義：

式中：T為工作時間;V為供電電壓;[Iwork]和[Iidle]分別為工作電流和休眠電流，根據測試得[Iwork]和[Iidle]分別為0.1 A和0.005 A。因此，根據可計算得平均功耗為0.174 W，當電力線的電流達為20 A時，電源輸出功率為0.257 W，只要有蓄電池存儲能量，無論是用電高峰期還是低谷期，系統都能夠保持長期穩定運行。

5.2? 采集溫度測試

在實驗室中對設計的模塊進行測溫實驗，首先將無線測溫系統調試好，接著將溫度傳感器放置在標定的溫度環境中模擬高壓開關的測溫過程，然后通過LabVIEW對讀取到的溫度數據進行分析，經過實驗測試得到四個溫度傳感器的測溫數據，分別如表4～表7所示，可得，誤差算術平均值為0.32 ℃，相對誤差約為0.18%。

6? 結? 論

本文提出一種基于NB?IoT技術的高壓開關溫度監測系統，該系統可以實現對高壓開關的實時監測，有效減輕電力工人的工作難度和工作強度。系統采用當前流行的窄帶物聯網通信技術，具有低功耗、低成本、信號強、抗干擾、網絡容量大等優點，采用間接供電的輸電線感應取電技術實現了高壓開關監測系統的真正無源工作，同時實現在復雜環境中的穩定工作。經實驗測試，高壓開關溫度監測系統運行穩定，實現了高精度實時溫度監測。

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