变电站设备接头温度监控系统设计

李 强，连垚杰

（山西长治供电公司调控中心，山西长治 046000）

0 引言

变电站作为电力传输中最为重要的一个环节设备复杂且数量众多，温度是衡量设备与系统是否在正常运行的重要指标。近些年来，我国发生多次因为设备接头高温异常而导致的设备运行故障造成的大面积停电事故，带来了巨大的经济损失。目前我国大部分的变电站接头设备的温度监控主要是依靠人工使用红外测温仪来实现，近些年也出现了很多电力设备接头温度检测的新技术[1-6]。使用人工方式的红外测温技术主要依靠值班人员的责任心对测试点进行温度测量，不能对数据进行实时的监控，有很大的主观性。另外，红外测温仪能够准确得到温度数据，设备必须具有正确反射率，在人工测量的过程中这样势必会影响测试数据的可靠性。在人工测试的过程中，有些设备的接头处于密封的环境，使用红外测温仪就无法得到全面的温度数据。

针对以上问题，本文提出使用远程无线数据监测的方式对设备的接头进行实时的监测。以Sim⁃pliciT1协议为支撑，将低功耗的温度传感器感知的数据进行无线通信与传输，数据被传输到远程的实时监控中心，进行分析与监测。另外，为了使监控系统能够具有更大的兼容性，本文设计了系统的USB接口电路。软件设计中采用了模块化的设计方法完成监控系统的软件设计，系统具有了反馈异常及时报警的功能。数据存储中本文使用的是SQL server技术，关联数据库的引入保证数据的存储与抽取性能可靠。实际的系统测试证明，本系统在不同的空间时间维度中都能表现出数据测量准确、传输可靠的性能，具有很强的实用价值。

1 设备接头温度监控系统总体设计

变电站的设备运行在不可预知的环境中，温度采集系统的设计应该能够尽可能的具有抵抗各种室外恶劣环境的稳定性能。本文中的变电站电力设备接头温度监控中采用了模块化的设计，每一个模块通过不同的通信接口进行数据的传输与共享。这种设计方法能够保证系统的模块独立性，便于维护与进行扩展。变电站温度监控系统的总体设计分为数据采集模块、无线传感网络支撑模块、远程信息管理模块等三个模块。图1为其系统图。

温度采集模块主要是将DS18B20温度传感器安装在变电站的重点监控的设备的接头，这种传感器最大的好处就是内置了模数转换技术的数字温度转换器，实现了输出信号的全数字化，数字化的输出便于外围单片机支持电路的设计，这种传感器使用单总线的数据传输，节约了单片机接口。因为变电站设备接头的工作温度范围在一个较大的范围内，DS18B20的温度范围,在的范围内精度可以保持在左右，这样的温度测量的精度，可以保证在不同的环境下变电站设备接口的温度测量的精确。

图1 接头温度监控系统图

无线网络支撑模块本系统选取的是SimpliciT1通信协议作为支撑，使用CC1100进行硬件通信支撑，因为网络汇聚节点的中继作用在整个无线网络中的重要性，本系统在设计的过程中尽量将网络的汇聚节点安装在一些环境较好的地方这样可以对其进行很好地保护。CC1100是一种低成本的收发器，其体积较小、功耗低、性能优良适合在变电站接头温度监控系统的无线网络中使用。

远程信息管理模块主要负责对温度数据进行存储，对一些异常的数据进行形象展示与报警。在系统的扩展模块中本系统设置了USB接口以保证被系统可以具有更强大的兼容性。

数字式温度传感器感知数据以后，数据通过网络协议的控制传输到无线网络的汇聚节点，汇聚节点将数据通过串口传输到上位机中，上位机通过信息管理程序对数据进行分类，对一些异常的数据要进行重点标注。USB扩展接口的设计可以使系统能够具有很强的扩展性能，为其他系统提供数据支撑服务。

2 设备接头温度监控系统硬件设计

温度监控的硬件系统与系统的总体设计模块相符合，根据系统的要求在各个独立的模块中通过接口化设计逐步将支撑硬件细化，将系统的功能映射到具体的硬件中。

在数据的采集终端使用的传感器是以电池供电的方式进行的，电源部分采用了SPX1117-3.3芯片，这种芯片可以实现稳定的3.3 V的电压供电，本系统采用这种电源为单片机控制芯片与CC1100供电。

图2中的E1与E6是两个极性电解电容，为了保持足够快的上电速度，这两个电容的取值不宜过大。为了防止电源接反，本文引入了肖特基二极管D11。这种电源可以为LM3S1138型单片机进行供电外还要进行CC1100无线模块的供电。

图2 电源供电电路图

在收发模块的支撑电路中，本文设计了使用电阻R171来设置偏电流，晶体振荡器选择了26 M的高精度外部晶体，晶体的引脚包括2个电容，在本外围电路的设计中所有的电容都选取的是高精度的电容，并且每一个电源的引脚都要经过退偶处理。因为本文的硬件系统采用的都是模块化的设计，各个模块中间使用的是接口设计进行模块连接与系统的信息传输。本系统中的接口通信主要包括CC1100与LM3S1138型单片机之间的接口与LM3S1138单片机与PC机之间的通信接口两个部分。

图3是CC1100的接口电路，在实际的电路设计中只需要相应的端口连接起来就可以了。

图3 收发模块与单片机接口电路

图4是LM3S1138单片机与PC机的通信接口电路，从电源的设计中可知，单片机的电压为3.3 V，上位机的工作电压在12 V，本系统使用了MAX3232芯片实现工作电平的转换，该芯片的周围有五个电容共同组成了电荷泵，电荷泵提供了12 V的上位机工作电压。

图4 上位机串口通信电路

经过以上的温度监控系统硬件设计后，在上位机终端以前的数据传输就可以通过接口的连接后到达上位机，数据在远程控制中心采用的存储结构使用的是SQL server技术，关系数据库可以很方便地对数据进行安全性存储于调取，硬件的支撑保证了软件可以更为方便地进行温度的监控，本文在信息管理系统中设计得了变电站设备接头中的温度分析提示功能，在一些温度较高与过低的情况下及时进行预警，保证工作人员及时处理故障，预防事故的发生。

2.3 接口温度监控系统软件设计

本文的软件架构是基于μC/OS-II系统进行软件分层设计的，这种系统的代码简单功耗低，对使用电源供电的传感器节点与无线网络支撑芯片可以实现更好的低功耗运行。这种系统架构可以实现各种应用性的模块化设计，独自开发的应用程序可以重复使用在一般的软件服务中。本系统的软件设计中将整个软件的设计按照分层的思想分为用户应用层、中间继承层、硬件驱动层几个部分。在应用程序的设计中，本文使用的C++面向对象的设计语言来进行对象与函数的封装，这样在整个系统的升级兼容切换中只需要改变相应的封装模块代码就可以通过接口来实现升级。用户在使用系统的过程中只需要对自身的应用关心而不需要关系函数与对象内部的调用规则与流程。本文设计了一个对象类来专门实现函数的调用与数据的抽取。软件封装对象的设计思想能够将整个系统清晰地进行分层，便于后期的模块化升级与更新维护。

软件的用户应用层的功能主要包括数据的存储、数据的报警展示、系统的运行日志维护；中间继承层管理层与层之间的通信其中包括3个消息队列、FatFS文件系统、日历，在驱动层中主要包括系统的各种硬件与接口的驱动。

软件的设计框架如图5所示。

图5 软件整体框架设计

用户在远程的控制中心使用端口只需要关注异常的设备接口温度数据，不必关注软件控制系统中函数的调用与对象的封装形式。中间继承层的多个消息队列保证了队列的服务通信机制，FatFS文件系统保证了历史数据的存储文件化，提供了FAT文件系统的功能，提供了标准的程序接口。驱动层的程序将硬件设备的驱动程序进行封装，保证了数据的采集传输与存储的可靠性。

如图6所示，安装在接头的温度传感器周期性地感知温度数据，数据采集的周期可以再单片机的程序中进行设定，数据采集后通过无线网络协议的支撑传输到汇聚节点，汇聚节点的数据被传输到远程的控制中心中，远程的控制中心存储了监控到的温度数据，并且对一些异常数据进行报警。

图6 系统工作软件流程

3 系统测试

为了验证本报警系统的性能，本文在某地的不同海拔的变电站在不同时间进行了温度数据的测量，将平台的温度传感器安装在变电站的设备上，使用NS2网络性能监测软件对网络进行性能的测试，远程的控制中心系统基于Windows XP系统软件，系统中的数据被存储在SQL server中。

3.1 无线网络的性能测试

无线网络的性能测试主要集中在不同的系统启动时间后，网络的性能表现，主要有包括网络延时与丢失包数的测定，本系统中设计的网络数据使用数据分包的方式发送，每个数据包携带的数据设定为10 K，远程控制中心使用网络测试工具对数据的转发性能得到的数据表见表1。

表1 网络性能数据测试表

测试后的无线网络性能在网络延迟与丢失包数的性能指标上都符合变电站设备接头温度控制系统的要求。

3.2 不同的温度下系统的性能测试

因为变电站的设备接头处在不同的温度下进行工作，不同温度下的系统性能是描述一个系统的重要性能指标，表2是在不同的温度下系统展示出的性能。

由表2可见在一些极端的温度下网络的延时与丢包数都发生了一些变大的情况，但是整个网络的性能都符合系统的要求。

3.3 不同海拔下的网络性能测试

因为野外的储油罐经常会面对一些复杂的环境，温度是衡量环境的重要性能，本文在系统测试阶段将设备存放在不同的温度中在不同的时间段内进行性能测试，测试的部分数据如表3所示：

表3 不同海拔下的网络数据表

由表3可知经过不同温度下的设备运行测试都可以满足温度数据的采集要求。

4 结束语

本文分析了目前大多数的变电站仍然采用人工选择性的红外测温仪进行温度测量，造成数据噪声大、准确率低、不能及时发现高温异常数据，事故处理被动的缺点。提出使用无线测温的方式进行实时的温度监控，在设备的接头安装温度传感器，使用SimpliciT1对温度传感器感知的数据进行网络中继传输，在监控中心设计了温度监控系统进行接头的实时数据展示与分析。实际测验证明，该系统可以工作的不同的外部环境下，有较高的数据监控准确率，使用NS2测试后网络性能稳定，具有很强的实用价值。

[1]赵振兵，高强，李然.红外测温在变电站远程图像监控系统中的实现[J].电力系统通信，2005(02).

[2]叶福军.电力变电站温度智能监测网络研究与实现[J].计算机测量与控制，2009(01):111-113.

[3]魏立明,杨松,孙雪景.基于红外热像技术的电力设备故障诊断系统设计[J].自动化技术与应用，2008(27).

[4]余海涛.高压变电站无线自动测温控制系统研究[D].天津大学，2007.