李　俊,錢(qián)承山,孫　鵬,王志偉

(南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院,南京 210044)

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基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的電力電纜接頭在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)*

李俊,錢(qián)承山*,孫鵬,王志偉

(南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院,南京 210044)

摘要:針對(duì)現(xiàn)有的電力電纜接頭溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的問(wèn)題和缺陷,研制出一套新型的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該監(jiān)測(cè)裝置以ATmega16單片機(jī)和UTC1212無(wú)線透?jìng)髂K為核心,對(duì)電纜接頭溫度數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè),利用GPRS網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸。終端采用感應(yīng)取能供電,利用超級(jí)電容的大容量?jī)?chǔ)能和快速充放電特性,經(jīng)儲(chǔ)能超級(jí)電容和放電超級(jí)電容輸出給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電。

關(guān)鍵詞:電力電纜接頭;防碰撞;無(wú)線傳輸;GPRS;溫度監(jiān)測(cè);超級(jí)電容

在城市和大中型企業(yè)的供電系統(tǒng)中,越來(lái)越多的使用電力電纜供電。現(xiàn)全國(guó)運(yùn)行的電力電纜故障80%以上是由于電力電纜附件故障引起的,其中電纜接頭引起的事故占一半以上[1]。在采用電力電纜輸電專(zhuān)用電網(wǎng)中,6 kV～10 kV電纜平均每300 m～500 m就有一處電纜接頭。由于接觸電阻的存在、絕緣材料的性能不佳或制作工藝不完善等,是導(dǎo)致電纜接頭頻發(fā)故障的主要原因[2]。

實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和理論分析均表明,電纜接頭處發(fā)生的各類(lèi)故障并不是一個(gè)突發(fā)的過(guò)程,通常是因?yàn)榻宇^處溫度不斷升高,使絕緣逐步老化、泄漏電流逐漸增加,到達(dá)一定程度后再發(fā)生擊穿,是一個(gè)由量變到質(zhì)變的過(guò)程。因而,連續(xù)地監(jiān)視電纜頭溫度的變化,就可以全面準(zhǔn)確的了解其工作狀態(tài),根據(jù)情況適時(shí)進(jìn)行停電檢修[3]。

目前通常采用的集散式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4-5],只適宜企業(yè)內(nèi)部一個(gè)相對(duì)小的范圍內(nèi)應(yīng)用,對(duì)于城市供配電網(wǎng),特別是那些采用地下直埋電纜敷設(shè)方式的供配電網(wǎng),由于現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法提供電源、現(xiàn)場(chǎng)裝置難以與中控室監(jiān)控設(shè)備建立通信通道,傳統(tǒng)方式顯得無(wú)能為力。它具有以下新特點(diǎn):①安裝方便,無(wú)須現(xiàn)場(chǎng)維護(hù);②當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí),能夠主動(dòng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)給運(yùn)行人員;③可根據(jù)歷史數(shù)據(jù),對(duì)電纜運(yùn)行狀況進(jìn)行評(píng)估。

基于光纖傳感方式的電纜接頭溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到了一定應(yīng)用,但光纖傳感方式需要敷設(shè)光纜,工程量較大,而且光纖傳感器本身成本較高,難以獲得大規(guī)模應(yīng)用[6]。對(duì)比光纖傳感技術(shù),無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):通信與傳感集成為一體,體積小、安裝方便;成本低廉,適合大規(guī)模組網(wǎng);無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)站內(nèi)高壓電纜接頭溫度監(jiān)測(cè)的理想方案。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由若干個(gè)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)、多個(gè)中心節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)終端組成。其中,無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)分布于所要監(jiān)測(cè)的區(qū)域,負(fù)責(zé)對(duì)溫度的采集和預(yù)處理,并通過(guò)無(wú)線信號(hào)發(fā)射出去;中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的打包并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)測(cè)終端;監(jiān)測(cè)終端負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解包、分析和儲(chǔ)存,然后在PC軟件的支持下對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看、調(diào)閱等,對(duì)超過(guò)警戒值的節(jié)點(diǎn)及時(shí)報(bào)警。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)構(gòu)圖

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1無(wú)線傳感終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感終端節(jié)點(diǎn)一般有溫度采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線通信模塊、能量供應(yīng)模塊4部分組成。

2.1.1溫度傳感器的選取

電纜接頭溫度的變化是一個(gè)緩慢變化過(guò)程,只要在警戒值以下,具體的溫度數(shù)值對(duì)巡視人員來(lái)說(shuō),沒(méi)必要關(guān)心,而真正需要關(guān)注的是溫度是否越限,即是否達(dá)到臨界值。本文選用新一代智能單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20,該傳感器測(cè)溫范圍為-55 ℃～+125 ℃,在-10 ℃～+85 ℃范圍內(nèi),精度為±0.5 ℃。DS18B20具備的突出優(yōu)點(diǎn)有:僅3根引腳,體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng);采用了獨(dú)特的“單總線”技術(shù),僅需一根接口線即可完成信息的讀寫(xiě),節(jié)約了接口資源,同時(shí)編程方便;內(nèi)含寄生電源可由單線總線供電,無(wú)需外部電源,降低了功耗;無(wú)需額外的A/D轉(zhuǎn)換?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn),本文設(shè)計(jì)采用DS18B20作為溫度采集節(jié)點(diǎn)的溫度傳感器。

2.1.2微控制器的選取

數(shù)據(jù)處理模塊是無(wú)線傳感終端的核心控制器件,選用ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 bit CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間,ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 (MIPS)/MHz,從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。所有的寄存器都直接與運(yùn)算邏輯單元相連接,使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)2個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率,并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率[7]。因此文中采用ATmega16單片機(jī)可以保證很好進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送以及對(duì)溫度的采集。

2.1.3無(wú)線模塊的選取

無(wú)線通信模塊選用UTC1212模塊,UTC1212模塊是高度集成超低功耗半雙工微功率無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊,片上集成嵌入高性能低功耗STM8L101處理器,采用最新一代高性能射頻芯片SX1212。該模塊顯著特點(diǎn):(1)支持在線喚醒功能,處于無(wú)線喚醒模式時(shí)平均功耗低于20 μA;(2)支持在線修改發(fā)射目標(biāo)地址,載波頻率等參數(shù),方便實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信;(3)FEC即前向糾錯(cuò)機(jī)制,利用傳輸冗長(zhǎng)信息的方法,當(dāng)傳輸中出現(xiàn)錯(cuò)誤,將允許接收器再建數(shù)據(jù)。大大提高無(wú)線通信的抗干擾能力;(4)大容量數(shù)據(jù)緩沖區(qū),最多一次可支持512 byte長(zhǎng)度數(shù)據(jù)包;(5)支持載波監(jiān)聽(tīng)功能,即在物理層上支持無(wú)線碰撞協(xié)議[8]。圖2是終端節(jié)點(diǎn)硬件電路圖。

圖2　終端節(jié)點(diǎn)硬件電路圖

2.1.4能量供應(yīng)模塊的選取

目前在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備常用的供能方式有:太陽(yáng)能供能[9-10]、蓄電池供能[11]、激光供能[12-14]、電容分壓器供能[15]、超聲波供能[16]、互感供能[17-20]等。太陽(yáng)能的供電方式帶負(fù)載能力有限,易受天氣影響,且需長(zhǎng)期維護(hù);單一蓄電池供能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn),但其壽命有限,需要定期更換電池,不能滿足長(zhǎng)期運(yùn)行的要求;激光供能輸出電壓紋波較小,噪聲低,不易受到外界其他因素的干擾,但這種方法也會(huì)受到激光輸出功率的限制,特別是光電池轉(zhuǎn)換效率的影響,加大了電路設(shè)計(jì)的難度和使用成本[21-22];電容分壓器供能設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,易于獲取,但容易受溫度、雜散電容、干擾、電磁兼容等因素的影響;超聲波供能雖然是一種比較新的供能方式,但也存在設(shè)備造價(jià)高,轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率低等問(wèn)題。成熟且最為實(shí)用的是利用電磁感應(yīng)原理,通過(guò)感應(yīng)線圈從處于高電位的電力電纜上獲取電能的方式,線圈與監(jiān)測(cè)設(shè)備都處于高電位,避免監(jiān)測(cè)系統(tǒng)高壓絕緣的問(wèn)題,且消除了高壓母線與監(jiān)測(cè)系之間直接的電氣聯(lián)系[23]。

本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示[24],包括取能線圈、沖擊保護(hù)、整流濾波、穩(wěn)壓、超級(jí)電容、鋰電池及控制部分。其中沖擊保護(hù)采用1個(gè)瞬態(tài)抑制二極管(TVS),其穩(wěn)壓值略大于后端穩(wěn)壓芯片最大允許輸入值;整流采用常用的橋式整流;濾波也為常用π型LC濾波;超級(jí)電容1儲(chǔ)存能量用來(lái)為超級(jí)電容2充電,作為儲(chǔ)能電容使用;超級(jí)電容2給負(fù)載供電,作為放電電容使用。當(dāng)濾波后的電壓大于設(shè)置的電壓范圍值時(shí),過(guò)壓保護(hù)電路將多余的電壓送入到鋰電池中進(jìn)行充電。當(dāng)互感器輸出功率不足時(shí),負(fù)載將由鋰電池進(jìn)行供電。由于篇幅有限,就不進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。如圖3所示取能電源結(jié)原理圖。

圖3　取能電源結(jié)構(gòu)原理圖

圖4　無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2中心節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收各個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù),并對(duì)各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,然后統(tǒng)一打包通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)端的監(jiān)測(cè)終端。因此中心節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是高性能,高存儲(chǔ)空間,接口豐富。MCU采用具有雙串口單片機(jī)STC12C5A60S2,該單片機(jī)是高速、低功耗、超強(qiáng)干擾的新一代8051單片機(jī)。GPRS模塊選用TC35系列的TC35i模塊,具有設(shè)計(jì)緊湊、高性?xún)r(jià)比等特點(diǎn),并且已經(jīng)有國(guó)內(nèi)的無(wú)線電設(shè)備入網(wǎng)證。GPRS模塊與UTC1212之間采用UART連接。其中短距離的通信模塊同樣使用無(wú)線傳輸模塊UTC1212。如圖5所示的中心節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖。

圖5　中心節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1數(shù)據(jù)采集流程圖

終端節(jié)點(diǎn)對(duì)通過(guò)溫度傳感器進(jìn)行溫度的采集,將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸給無(wú)線模塊。數(shù)據(jù)采集流程如圖6所示。

圖6　數(shù)據(jù)采集流程圖

3.2無(wú)線通信流程圖

無(wú)線通信分為接收端的無(wú)線通信和發(fā)送端的無(wú)線通信。為了降低功耗,在軟件設(shè)計(jì)中采用了喚醒工作機(jī)制。UTC1212可以通過(guò)SET_A和SET_B設(shè)置芯片的4種工作模式:正常模式、喚醒模式、省電模式、休眠模式(配置模式)。圖7和圖8分別是低功耗發(fā)送端和接收端的工作流程圖。

圖7　低功耗發(fā)送端工作流程圖

圖8　低功耗接收端工作流程圖

3.3監(jiān)測(cè)界面的軟件設(shè)計(jì)

該數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心軟件是基于WPF(Windows Presentation Foundation)使用C#開(kāi)發(fā)的桌面應(yīng)用程序,WPF是微軟新一代的桌面平臺(tái)技術(shù)。原有的Windows開(kāi)發(fā)都是使用GDI或GDI+子系統(tǒng)繪制圖形,WPF幾乎改變了原有的Windows技術(shù),其中最主要的是繪制圖形交給了新的圖形平臺(tái)DirectX,更好的設(shè)計(jì)用戶(hù)界面,提升用戶(hù)界面的美觀性、友好性,改變了傳統(tǒng)工業(yè)軟件界面的狀況。

監(jiān)測(cè)界面軟件主要實(shí)現(xiàn)了一下功能:

(1)登陸界面:給每個(gè)用戶(hù)分配賬號(hào)、角色或權(quán)限,用戶(hù)輸入正確用戶(hù)名和密碼即可成功登陸,如果登陸失敗,則提示“登陸失敗,用戶(hù)名或密碼錯(cuò)誤”;如圖9所示。

(2)溫度報(bào)警:當(dāng)接受到終端發(fā)送報(bào)警信號(hào)時(shí),可以通過(guò)短信的方式提醒運(yùn)行人員,以便采取及時(shí)處理,避免事故的發(fā)生;

(3)實(shí)時(shí)溫度曲線顯示:包括溫度曲線的動(dòng)態(tài)顯示以及歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)的曲線顯示;如圖10所示。

(4)數(shù)據(jù)報(bào)表打印;

(5)數(shù)據(jù)終端管理模塊,包括數(shù)據(jù)終端的添加、修改、刪除;

圖9　登陸界面

圖10　實(shí)時(shí)溫度曲線

4　結(jié)束語(yǔ)

本文采用兩級(jí)傳輸網(wǎng)絡(luò),第1級(jí)采用自由頻段的短距離無(wú)線通信方式,既可以實(shí)現(xiàn)高壓隔離和絕緣,又可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)溫度信號(hào)的采集和短距離的傳輸,采用了最新一代的無(wú)線透?jìng)髂K,編程簡(jiǎn)單,通過(guò)控制串口就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸,真正做到所見(jiàn)即所得。如圖11所示無(wú)線傳感終端安裝圖。

圖11　無(wú)線傳感終端現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

第2級(jí)采用了不受地區(qū)限制的GPRS網(wǎng)絡(luò),溫度信號(hào)通過(guò)一臺(tái)GPRS模塊傳送到監(jiān)測(cè)終端,實(shí)現(xiàn)了所管制區(qū)域的所有接頭溫度的統(tǒng)一監(jiān)測(cè)。對(duì)于供電問(wèn)題采用了基于超級(jí)電容的取能電源設(shè)計(jì),為各個(gè)節(jié)點(diǎn)提供了穩(wěn)定的電源。通過(guò)監(jiān)控終端后臺(tái)軟件的設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)所有電纜接頭溫度信息的調(diào)閱、查詢(xún)和監(jiān)測(cè)報(bào)警以及故障預(yù)報(bào)。

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李俊(1988-),男,漢族,江蘇宿遷,南京信息工程大學(xué),碩士研究生,主要研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,lijun_nuist@163.com;

錢(qián)承山(1971-),男,漢族,山東泰安,南京信息工程大學(xué),教授,主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)檢測(cè)技術(shù)、智能終端與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,qianchengshan@163.com。

PowerCableConnectorMonitoringSystemBasedonWirelessSensorNetworkMonitoringSystem*

LIJun,QIANChengshan*,SUNPeng,WANGZhiwei

(School of Information Science and Control,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)

Abstract:For existing the problems and defects of power cable connector’s temperature increase,a new type of monitoring system was developed .The monitoring system fits ATmega16 microcontroller and UTC1212 wireless transparent transmission module as its core part for collecting and monitoring the temperature data of the cable connector,and uses the GPRS network to remote data transmission.Terminal can be powered by using induction change of super capacitor energy storage.For its fast charge and discharge characteristics,the super capacitor can be as a power supply to output its energy storage by discharge to the monitoring system.

Key words:power cable connector;anti-collision;wireless transmission;GPRS;temperature monitoring;super capacitor

doi:EEACC:7210;6050P10.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.040

中圖分類(lèi)號(hào):TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005-9490(2014)04-0767-05

收稿日期:2013-07-17修改日期:2013-08-08

項(xiàng)目來(lái)源:企事業(yè)委托項(xiàng)目(2013h066);南京信息工程大學(xué)科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(20100307)