浅谈无线测温系统在高压开关柜中的设计与应用选型

摘要：针对传统的有线测温方法因无法*解决高压绝缘问题而不能应用于高压开关柜温度检测的问题，设计了种高压开关柜无线测温系统，详细介绍了该系统硬件及软件设计，分析了系统测试过程中存在 的问题并给出了相应的化措施。测试结果表明，系统可稳定地运行于工作环境，满足次安装、２ａ内无需维护的要求。

关键词：高压开关柜；温度检测；无线网络；ZiBee；JN5148；DS18B20

0 引 言

   高压开关柜在运行过程中，柜内触点与母线连接处、动静触头电路发热过大，易引发停电和火灾事故。因此，高压开关柜内温度监测尤其是三相触点温度监测非常重要。

   高压设备存在裸露电压，传统的有线温度检测方法因无法*解决高压绝缘问题而不能应用。无线测温系统采用无线电波进行信息传输，不需要布线，与高压设备等电势，不需要采取绝缘措施。因而无线测温系统可解决高压设备测温难题。本文采用ＡＲＭ 单片机及无线模块ＪＮ5148构建星形结构的无线传感网络，结合温度传感器实现高压开关柜关键部位的温度监测。

1 ZiBee技术

  ZiBee 网 络 有 协 调 器 （Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ）、路 由（Ｒｏｕｔｅｒ）和终端（ＥｎｄＤｅｖｉｃｅ）３ 种功能器件［２］。２种功能器件具有信息中继功能，称为全功能设备（ＦｕｌｌＦｕｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ，ＦＦＤ），而终端只能接收、发送与本身有关的信息，称 为精简功能设备 （Ｒｅｄｕｃｅｄ ＦｕｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ，ＲＦＤ）。ZiBee网络中协调器有且只有１个。ZiBee网络结构有星形、网 状、树 状 ３种，如图１所示。其中星形结构具有便于集中控制、易维护、安全等点，因此本文采用星形网络结构。

2 系统总体设计

   高压开关柜无线测温系统由测温节点、中心节点、上位机３个部分组成，如图２所示。三相触点、母线连接处的温度是监测重点，每个开关柜内三相触点、３个母线连接处共６个位置各安装１个测温节点。三相触点处测温节点置于静触头上，母线连接处测温节点置于导电臂上，测温节点均用高压绝缘胶布绑扎固定。测温节点传感器与测温部位间涂抹导热硅脂以保证热量的充分传递。测温节点在ZiBee网络中为终端节点。各开关柜内还放置１个中心节点，该节点方面作为ZiBee协调器建立网络、收集数据，另方面作为 Ｍｏｄｂｕｓ从站响应来自上位机的请求帧，并在现场实时显示监测数据。各开关柜内的６个测温节点和１个中心节点组成个ZiBee星形网络，不同开关柜内的ZiBee网络有不同的网络标号，各自之间不存在信号串扰问题。

  测温节点在检测温度的同时，利用无线模块内自带的电压检测功能对节点供电电压进行检测，与温度值同发送。上位机将接收到的温度、电压数据进行处理及存储，并提供查询功能，同时在温度值超过预警值或电压值低于阈值时发出警报。

3 系统硬件设计

3.1测温节点

  测温节点是高压开关柜无线测温系统的基本装置，负责采集和发送温度值、电压值。它由 ＳＯＣ 芯片ＪＮ５１４８、单总线数字温度传感器 ＤＳ１８Ｂ２０ 和电源模块组成，如图３所示。

图３ 测温节点组成

  ＪＮ５１４８是由Ｊｅｎｎｉｃ公司生产的三代超低功耗、高 性 能 无 线 模 块。ＪＮ５１４８ 可 支 持  新 的ZiBee协议———ZiBeePRO，休眠电流为２．６μＡ，通信距离（可视）可达１ｋｍ，发送电流为１５ ｍＡ，接收电流为 １７．５ ｍＡ，工 作电压为 ２．３～３．６ Ｖ。３２位ＲＩＳＣ ＭＣＵ 保证了ＪＮ５１４８强大的处理能力。该系统中应用的ＪＮ５１４８模块自带陶瓷天线，免去了复杂的射频设计环节和高成本的开发测试过程。

  ＤＳ１８Ｂ２０为 Ｄａｌｌａｓ公司生产的单总线数字温度传感器，采用外接电源的方法供电，温度测量范围为－５５～＋１２５ ℃，测量精度为0.5℃，可满足系统测温要求。

  电源模块采用锂电池直接供电方式。单节锂电池额定电压为3.6Ｖ，容量达２４００ ｍＡ·ｈ。

3.２中心节点

  中心节点结构如图４所示。

  中心节点负责接收测温节点传来的信息并上传信息给上位机，同时将信息显示在放置于开关柜柜门上的液晶屏上，以供现场察看。为调整监测、通信参数，中心节点还接有键盘作为输入设备。中心节点工作量大、占用管脚数多，用ＪＮ５１４８ 作为核心控制器存在程序不易设计、管脚数量少的缺点，故选用ＡＲＭ 系列 ＬＰＣ２１３２作为中心节点ＭＣＵ，ＪＮ５１４８仅作为无线传输单元，与ＬＰＣ２１３２之间通过串口通信。由于中心节点需要长时间不间断工作，因此，电源采用电网交流供电。

4 系统软件设计

  ＪＮ５１４８应用ZiBeePRO协议栈，运行在实时操作系统ＪｅｎＯＳ 上。ＪｅｎＯＳ 是由Ｊｅｎｎｉｃ公司开发的专门应用于无线传感器网络的操作系统。ＪｅｎＯＳ在调度不同先级的实时任务时具备及时性和灵活性。ＪＮ５１４８的集成开发环  境为ＣｏｄｅＢｌｏｃｋｓ，该软件是Ｊｅｎｎｉｃ公司提供的代码编辑和编译环境，可在Ｊｅｎｎｉｃ站上免费下载，从而降低了开发成本。

4.1测温节点软件

  测温节点上电后先对硬件进行初始化，然后搜索ZiBee网络，如存在则加入网络，加入网络后即开始进行数据采集、发送等任务。当没有数据采集、发送等任务时，测温节点则进入睡眠模式。ＪＮ５１４８有工作、睡眠、深度睡眠３ 种功耗模式，因深度睡眠模式只能通过端口中断触发唤醒，本设计采用睡眠功耗模式，即由实时时钟唤醒。为更及时地发现温度异常情况，测温节点采用动态睡眠机制，即在温度 正常时睡眠时间为设定的基准值，当温度升高时睡眠 时间将在基准值的基础上减小，温度越高睡眠时间越 短，温度回到正常范围后睡眠周期变为设定基准值。睡眠基准值范围为３～６００ｓ。相对于温度变化，电池电压的变化较缓慢，故本设计中电压检测周期比温度检测周期大。图５为测温节点软件程序流程。

4.2中心节点的ＪＮ５１４８模块软件

  中心节点的ＪＮ５１４８模块在ZiBee网络中作为协调器，上电后先对硬件初始化，然后搜索信道，在 未使用的信道上建立网络，建网成功后即等待终端 加入网络并发送数据，接收到数据后通过串口将数据传给 ＬＰＣ２１３２。上位机与ＬＰＣ２１３２ 之间通过ＲＳ４８５现场总线连接，采用Ｍｏｄｂｕｓ协议传输信息。上位机作为 Ｍｏｄｂｕｓ主机，各开关柜内的 ＬＰＣ２１３２作为 Ｍｏｄｂｕｓ从机。图６为中心节点的ＪＮ５１４８模块软件程序流程。

4.3上位机软件

  上位机管理软件采用面向对象的 ＶＢ６．０开发。上位机将接收到的温度、电压值及对应节点的ＩＤ按时间线存储，经过处理后，用户可通过该管理软件查看任意节点在任意时刻的温度值、电压值及其变化趋势图。另外，该软件可在温度值超过预警值或电压值低于阈值时发出报警信号，用户根据节点的ＩＤ即可找到有异常情况的开关柜。

5 系统测试与化

  为验证高压开关柜测温系统的可行性，笔者对该系统进行了测试。测试过程中发现如下问题：(1)高压开关柜内电磁环境复杂，易对节点尤其是测温节点正常工作产生影响。(2)高压开关柜内存在高压且允许随意中断工作，致使测温节点后期维护不便。

  针对以上问题，笔者采取以下措施：(1)软件、硬件抗干扰措施。软件方面，应用数字编码、解码技 术剔除干扰信号，并 加入软件滤波技术，同 时对ＤＳ１８Ｂ２０转换温度取３ 次平均值以消除随机干扰；硬件方面，ＪＮ５１４８ 本身具有金属屏蔽罩，同时加强各级滤波能力以消除高频干扰。(2)软件设计时增加自动重新加入网络功能，保证在中心节点因某种原因重启后，测温节点能自动重新加入网络，无需人工干预。

  为计算测温节点锂电池的供电时间，笔者在模拟开关柜环境下，用 ＴｅｋＤＰＯ４０５４数字示波器电流探头对测温节点的工作电流进行采样，电流曲线如图７所示。

  计算测温节点锂电池供电时间的难点在于温度转换时间、温度转换时工作电流及发射时间的获取。如图７所示，在 Ｔ０ 时刻测温节点从睡眠状态被唤醒，Ｔ１ 时刻３次温度值转换结束并发送数据，Ｔ２ 时刻数据发送完毕，测  温节点重新进入睡眠状态。ＪＮ５１４８ 模 块 睡 眠 电 流 为 ２．６ μＡ，发 射 电 流 为 １５ ｍＡ，温度转换时间 Ｔ１ －Ｔ０、发射时间 Ｔ２ －Ｔ１分别为１５００ ｍｓ、１０ ｍｓ，温度转换时的工作电流Ｉ为１１ ｍＡ。以常规的测温周期为５ ｍｉｎ 为例，得到锂电池供电时间为

  可得锂电池的理论供电时间约为４．７ａ。然而实际环境中锂电池存在自放电问题，且电量不可能全部放尽，寿命无法达到４．７ａ，因此本设计中将运行年限设定为２ａ。

  系统经测试与化后，可稳定地运行于工作环境，而对测温节点锂电池供电时间的验证，表明系统满足次安装、无需维护的要求。

6 安科瑞无线测温系统介绍与选型

  安科瑞无线测温监控系统是根据当无线测温系统的要求，在广泛征求用户和专家意见的基础上,充分吸收当内外厂家的成功案例，并结合安科瑞多年来的丰富经验，采用面向对象的分层分布式设计思想，结合自动化技术、计算机技术、网络技术、通信技术而设计的款专业的无线测温软件。

6.1 Acrel-2000T无线测温系统结构

  Acrel-2000T无线测温监控系统通过RS485总线或以太网与间隔层的设备直接进行通信（如图8），系统设计遵循标准Modbus-RTU, Modbus TCP等传输规约，安全性、可靠性和开放性都得到了很大地提高。

  Acrel-2000T无线测温监控系统具有遥信、遥测、遥控、遥调、遥设、事件报警、曲线、棒图、报表和用户管理功能。可以监控无线测温系统的设备运行状况，实现快速报警响应，预防严重故障发生。

  Acrel-2000T无线测温监控系统主要特点是开放式系统结构，硬件兼容性强，软件移植性好，应用功能丰富。该系统具有强大的处理能力，快速的事件响应，友好的人机界面，方便的扩充手段。其软件系统的设计依据软件工程的设计规范,模块划分合理，接口简捷明了，主要包括主控模块、人机界面、图形组态、数据库管理系统、通信管理等几大模块。

6.2 Acrel-2000T无线测温系统功能

■实时监测

  Acrel-2000T无线测温监控软件人机界面友好，能够以配电次图的形式直观显示各测温节点的温度数据及有关故障、告警等信息。

■温度查询

  温度历史曲线（1分钟、5分钟、60分钟可选）

■运行报表

  查询各回路设备运行溫度报表

■实时报警

  壁挂式无线测温监控设备具有实时报警功能，设备能够对温度越限等事件发出告警。

■设备提供以下凡种告警/方式：

  a.弹岀事件报驚窗口.

  b.实时语音报警功能，能够对所有事件发出语音告警.

  C.短信吿警，可以向机号码发送吿警信息短信（需选配信猫）.

■历史告警査询

  Acrel-2000T无线测温监控系统能够对所有吿警事件记录进行存储和管理，方便用户对系统和告警等事件进行历史追溯，查询统计、事故分析。

■用户权限管理

  Acrel-2000T无线测温监控系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。

  通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如数据库修改等）。可以定义不同级别用户的 登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

■定值设置

  用于修改高温定值、超温定值。

■WEB（可选）

  展示页面显示变电站数量、变压器数量、监测点位数量等概况信息， 设备温度、通信状态，用电分析和事件记录。页显示场站的变压器数量、回路个数、有功功率、无功功率、用电量、事件记录等概况信息，可通过实时监控、变压器、通信模块切换到需要查看的界面。

  实时数据曲线可监测各个回路的测点温度、电压、电流、功率曲线信息。

  接线图页面通过次图实时反映电气参数变化，包括测量量、信号量等信息（信号量 需要断路器提供辅助触点支持）。

  能耗统计页面显示各回路的功率峰值和用电量峰值，功率、电能趋势曲线，电能环比，用电。

  运维管理\通信状态显示监测接入系统设备的通信状态。

■手机APP（可选）

  设备数据员面显示各设备的电參量数据、温 度数据以及曲线。

6.3 安科瑞ARTM系列无线测温终端产品选型

  安科瑞电气接点无线测温方案由无线温度传感器、收发器、显示单元组成。温度传感器直接安装于断路器动触头、静触头、电缆接头、母排等发热接点，将测温数据通过无线射频技术传至接收装置，再由接收器485通讯至测温终端或无线测温系统（如图9）。

6.3.1 安科瑞无线温度传感器

  无线温度传感器共有5种，分别对应螺栓固定、表带固定、扎带捆绑、合金片固定等安装方式。针对不同的变电站要求，可根据传感器供电方式以及安装位置的不同，考虑安装方便的因素，选择相匹配的传感器。

6.3.2 安科瑞无线收发器

  无线测温收发器共有3种，通过无线射频方式接收温度数据。收发器根据不同的传感器型号进行匹配，同时传感器的传输距离决定接收装置能否多柜接收。

6.3.3 安科瑞显示终端

  显示装置通过RS485连接收发器，可嵌入式安装于柜体上，若柜体开孔不便，也可选择壁挂式安装于配电室内。方便操作人员现场及时查看电气节点实时温度的同时，也可以通过RS485或以太网通讯的方式在后台系统查看现场情况。

7 结语

  高压开关柜无线测温系统采用片上系统高性能、低功耗无线微控制器ＪＮ５１４８ 与数字温度传感器 ＤＳ１８Ｂ２０为基本元件组建ZiBee无线系统，避免了复杂的现场布线过程，解决了高压开关柜不易绝缘的问题。该系统通过现场总线与上位机通信，实现了高压开关柜的远程实时温度监测。

【参考文献】

[1] 王福凯，兰西柱，董瑞琦，李海洪，赵殷瑶．高压开关柜无线测温系统设计［Ｊ］.工矿自动化，2012(7)：108-112．

[2] 孙科，肖宾杰．ZigBee技术在测温系统中的应用［Ｊ］．测控技术，2008（１）：36-38.

[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版.

作者简介：缪建梅，女，安科瑞电气股份有限公司，主要从事电气防火限流式保护器的研发与应用