红外无线测温解决电力系统监测问题

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　　引言

　　变电所的高压开关柜是重要的电器设备，在长期的运行过程中，开关柜中的母线接点、高压电缆接头等部位因老化或者接触电阻过大而发热，使相邻的绝缘部件性能劣化，甚至发生击穿而造成事故。
　　据统计，供电系统发生事故的原因很多是因为热问题产生的。但由于开关柜内空间结构狭小，每相母线对地和不同相之间都存在很高的电压，无法进行人工巡查测温，所以直接测量开关柜内接点温度一直是电力系统检测的一个难题。为此，笔者设计了一种基于红外传输的无线测温系统。该系统将传感器安装在被测物体表面，在线测量该测温点温度后，通过红外传输方式将温度数据发送到安装在开关柜柜门表面的采集器中，温度采集器将其传送到监控计算机处理，当所测温度超过预设报警值时，系统自动报警，提醒工作人员及时采取适当措施。
　　1  红外传输模块
　　红外传输模块主要由红外编码/译码器MCP2120和红外收发器TFDU4100组成。红外编码/译码器MCP2120是美国Microchip技术公司推出的，在应用中位于通用异步接收器/发射器（UART接口模块）和红外收发器之间。该器件对从标准的UART接收的数据进行编码，并以电脉冲方式输出到红外收发器TFDU4100中。红外收发器TFDU4100将接收的数据同样以电脉冲形式馈送到MCP2120进行解码，而后通过MCP2120和UART发射译码数据。
　　1.1 红外传输模块的工作原理
　　红外传输模块采用37kHz标准红外串口接口传输信号，进行应答式半双工通信。红外传输模块电路如图1所示。MCP2120的引脚TX接收的来自UART的数据经编码器编码后通过引脚TXIR发射。红外收发器接收的光脉冲信号经引脚RXD（RXD是单片机的一个引脚）输出后并通过MCP2120的引脚RXIR进入译码器解调，然后经引脚RX馈送到UART。MCP2120发送和接收波特率既可通过BAUD2、BAUD1和BAUD03个硬件引脚配置，也可通过软件选择。

图1 红外传输模块电路

　　1.2 红外传输模块的特点
　　红外传输模块利用光信号进行传输，不受电磁场的干扰，具有很强的抗电磁干扰能力；它功耗低，休眠电流仅为5A,可靠地保证了电池的使用寿命。因此，在高压开关柜这种封闭环境下，它能很好地满足传输要求。
2  无线测温系统设计
　　无线测温系统主要由温度传感器、温度采集器组成的下位机（测温模块）和上位机（监控计算机）通过通信网络连接而成。温度传感器采用高性能数字温度传感器DS18B20采集监测点温度，并将温度信号以无线形式发送给温度采集器。温度采集器和监控计算机以RS485通信网络连接，组成完整的计算机在线温度监测系统。系统总体结构如图2所示。

图2 无线测温系统总体结构

　　系统采用主从分布式结构，以温度采集器的单片机为控制核心，既可以独立地完成数据处理、显示和报警等任务，又可以将数据传送给监控计算机。
　　监控计算机将这些数据进行处理、显示、打印，同时将各种控制命令传给各个从机，以实现集中管理和最优控制。
　　2.1 温度传感器
　　温度传感器主要由数字式温度传感器、中央处理单元和红外传输模块组成。温度传感器直接安装在被测物体表面，真实地反映被测点的实时温度。
　　数字式温度传感器采用TI公司生产的DS18B20,它具有测量精度高、线性度好、性能比较稳定的特点，测量温度可为-55~125。温度传感器采用高性能锂电池供电，具有馈电自检测功能，当电池电压低于3V时，将自动报警。
　　2.2 温度采集器
　　温度采集器主要由红外传输模块、中央处理单元和串行接口收发模块组成。温度采集器负责接收温度传感器发送的温度数据，对温度数据进行分析处理，并将红外信号温度信息变为标准串行信息传送给监控计算机。每个温度采集器巡检3个温度传感器。
　　3  监控计算机监控软件
　　监控计算机监控软件采用VB语言编写，温度采集器从温度传感器处采集到监测点的温度，并送交到监控计算机，监控计算机的主要任务是接收处理温度数据并将其实时显示出来，当温度超限时自动报警，并形成温度曲线和报表。监控计算机监控软件功能结构如图3所示。

图3 监控计算机监控软件功能结构

      监控计算机监控软件具有以下功能
　　（1）实时显示监测点的温度数据，当监测点温度超过预设报警时自动报警；
　　（2）可以根据监测点的温度数据绘制日、月、年曲线，能够对温度数据生成报表并打印；
　　（3）可以根据需要设定报警值和查询周期；
　　（4）结合数据库中的历史数据，能够对监测点的状态作出评估。
　　3.1 屏幕显示
　　屏幕显示是系统主要功能的体现，即进行实时温度显示，屏幕显示界面如图4所示。黑色点代表测温点，用户可以通过单击进线开关柜和出线开关柜获得测温点的实时温度。一旦温度超过报警温度值，将会以声音、对话框和红色温度字体提醒用户检查。

图4 屏幕显示界面

　　3.2 温度曲线
　　绘制温度曲线总共分为3类：实时曲线、日曲线和年曲线。实时曲线建立在实时温度表的基础上，而日曲线和年曲线建立在历史数据表的基础上。通过输入采集点的编号和时间即可得到各种温度曲线，在输入采集点编号的同时同样会出现所属变电所和线路的名称，以便用户能很快找到对应点进行相应的操作，如图5所示。

图5 温度日曲线界面

　　温度曲线可以对当前、日、年的温度绘制曲线，便于操作者观察和分析其中的规律，可以预先进行某些降温处理，同时也为该系统的另一个扩展功能——预警提供数据支持。
3.3 状态评估
　　状态评估主要是对测量接点设定预报警值，当测量接点温度超过预报警值但还未达到报警温度时，将温度数据存入数据库中的历史数据。通过查看数据库中的历史数据中存储的温度数据以及故障信息等参数，并结合当前线路状态，对其进行逻辑处理，判断可能存在的故障，工作人员可以根据它安排合理的检修计划。状态评估界面如图6所示。

图6 状态评估界面

　　4  无线测温系统特点
　　该无线测温系统结构简单，易于实现，集精确测温、无线数据传输和总线监测网络于一体，满足了对供电系统开关柜内温度实时在线监测的要求；采用了红外传输技术，没有电磁干扰，最大限度地降低了周围电磁场尤其是开关开、合闸的影响，有效地保证了测温精度，提高了设备使用寿命。监控软件通过与数据库的连接，可以对温度数据进行存储、查询和显示，还可以实现测点温度数据曲线图形显示功能，并且提供了打印数据报表的功能。
　　5  结语
　　基于红外传输的无线测温系统有效地解决了开关柜在线监测温度难的问题，电力系统作为我们工业产业的领头羊，是实现工控自动化的第一步。该系统运行稳定，测温准确，效果良好，在电力系统安全运行中发挥了重要作用，具有良好的推广空间和广阔的市场前景。

李小路

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