基于LabView和无线通信技术开关柜的温度在线监测

张阔,赵清军,宋绍江

(天津市电力公司,天津 300450)

基于LabView和无线通信技术开关柜的温度在线监测

张阔,赵清军,宋绍江

(天津市电力公司,天津 300450)

为了能够实现实时监测开关柜的温度状况,提出一种基于LabView和无线通信技术的开关柜温度在线监测系统。针对开关柜特殊的构造特点设计了无线传感器测量触头温度,并本着缩小体积,延长使用寿命的原则利用电池和超级电容给系统供电。上位机监控系统操作简单,人机交互方便,针对串口通信设计了通信协议,提高了串口通信的可靠性。

开关柜;温度;LabView;在线监测;无线通信

1 前言

开关柜是电力系统的重要设备,起到通断、保护和控制等作用[1],以输送和倒换电力负荷,保证电力系统安全退出故障设备和线路[2]。然而高压开关柜在长期的运行中,因其高压接点部位受环境湿度、温度、电弧冲击、接触电阻大以及超负荷运行等原因造成部分绝缘老化发热现象,温度不断上升,会给设备的安全运行埋下隐患,如果不能及时处理,可能会导致开关柜、电缆接头等爆炸事故,造成大量的财产损失,所以针对上述问题对开关柜的温度监测尤为重要[3-4]。

由于开关柜的特殊环境,监控系统应满足以下要求：

1)能够长时间稳定工作,无需经常性更换电池;

2)可适应复杂的电磁噪声环境;

3)体积轻便,方便部署在开关柜各个位置;

4)尽量保留现有系统,避免对原有电力设备的改造;

5)监测具有较高的可靠性。

针对以上问题,国内外许多科研机构及高校都对开关柜温度监测方法进行了大量的研究。常用的监测方法主要有无线传感网络监测、光纤测温[5]、红外测温[6]等几种方式。

红外非接触式测温是高压运行设备测温最常用的方式,是利用物体相对辐射强度与温度之间存在特定的关系。这种传感器与测量设备不接触,对设备的运行没有影响,解决了高压隔离以及传感器环境的问题。但是这种方式只可以测量在传感器直视范围内测量点的温度,不适合开关柜这种结构复杂的设备,且无法实现在线监测。传感器离目标较远,易受外界因素影响,故测量精度较低。

光纤测温具有良好的绝缘性能和抗干扰,探头可埋设在电力设备内部的高压选定部位,直接测出该点的实际温度,因而得到了较为广泛的使用。但其本身易折断,不耐高温,且光纤测温仪在柜内的安装和改造比较麻烦,布线难度较大,存在灰尘爬电的可能,且不满足长期监测的要求。

近年来出现了采用无线传感器网络进行温度采集的监测系统,通过无线通讯方式进行高压隔离和信号传输。无线通信固有的绝缘和抗电磁场干扰性能从根本上解决了高压开关柜结构复杂、触点运行温度不易监测的难题,方便部署,对原有电力设备影响小,满足了非接触监测的要求[7]。

文中采用了无线传感器网络对开关柜进行温度监测,温敏电阻传感器不受复杂电磁环境的影响,电池与感应取电联合供电保证了温敏电阻传感器节点工作的稳定性,测温传感节点通过无线方式与上位机实时通信,上位机软件实时观察开关柜内的温湿度值,当开关柜触头或环境温度超过阈值时,上位机软件将及时进行报警处理。

2 系统总体结构

系统分为三个部分,测温单元、无线主节点和上位机监控系统。系统框图如图1所示。

图1 测温系统总框图

温敏电阻传感器电池电量有限,则大多数时间均处于睡眠状态,平均发送周期较长,发送间隔由主节点分配。

主节点长期处于接收状态,实时接收温敏电阻传感器节点信息。当接收到温敏电阻传感器节点的信息后,主节点将根据当前的温敏电阻传感器节点数目及上个节点到来的时间为传感器计算下次传送的时隙,并向子节点发送包含时隙信息的应答信息。当接收到温湿度传感器节点的信息后,主节点将回复应答信息防止多次发送。

主节点接收到两种节点上传的温度信息后立即通过RS232串口将数据发送至上位机,由上位机软件统一进行显示、存储、报警。上位机还可向主节点主动发送命令信息,以改变网络上传周期等参数。

3 温度测量单元设计

温度测量单元上电后对单片机与无线芯片进行初始化,在完成写参数后,使用A/D读取当前温度值,并交由CC1101无线芯片进行发送。节点在发送结束后立刻转换到接收状态,等待100 ms,若100 ms内接收到主机的应答数据包,则从数据包中读取出睡眠时间,进入睡眠模式;若 100 ms内未接收到主机的应答数据包,则从新发送数据。若三次发送内成功接收到主节点的应答信号,则认为通信成功,节点睡眠等待下一个周期的发送;若三次发送均未得到应答,则认为发生了频偏等其他问题,节点将进行自动重启。温度测量单元与主节点工作流程如图2所示。

图2 温度测量单元软件流程图

主节点上电初始化后,便一直处于接收状态。当接收到一个数据包后,首先读取命令字节,确定是哪种传感器节点发来的信息,再根据情况发送应答信号。发送完应答信号后,主节点会立即通过串口向上位机发送此节点的所有信息,保证服务器可以实时监控所有开关柜的温湿度状态。

供电模块电路如图3所示。本设计采用电池与超级电容感应取电配合的供电方式,保证了节点的长时间运行。采用电流互感器从母排耦合出电流,利用整流桥将交流变成直流,利用稳压管将整流桥电压限制恒定在3.6V,对电容充电。如果电容充满电高于电池电压,D4导通,对设备供电;如果电容充电电压低于电池电压,D4截至,D5导通,电池对设备供电。

图3 供电模块电路设计

4 服务器监控软件设计

上位机软件基于LabVIEW开发平台设计,上位机主要实现了与下位机主节点的通信,接收主节点上传的温度信息,并进行温度过高预警、数据存储、数据显示。用户可根据需要对历史数据进行查看,并可向测温单元下发重启指令。上位机界面操作简单,人机交互方便,登录系统及管理员设置保证了系统操作的安全性。

4.1 串口通信协议设计

主节点与上位机通过RS232串口连接,为了防止数据区和起始字符和结束字符发生冲突,设计了一套串口通信协议,提高了串口通信的可靠性。

系统基于RS232串口通信建立与下位机主节点通信系统,接收下位机的监测数据,可以实时下发控制信号、监测参数信息等。图4所示为RS232通信系统接收的流程图,图 5所示为RS232通信系统数据发送流程图。

图4 RS232接收数据流程图

图5 RS232发送数据流程图

通信系统波特率设置为9 600,8个数据位, 1个停止位,无奇偶校验,通过串口中断实现数据的读出和写入。系统发送和接收的数据格式为结构体,即每次通信下位机从上位机接收一组或者多组结构体数据,或下位机往上位机上传一组或多组结构体数据。通信格式帧如表1所示。

表1 通信系统通信格式

为了防止数据区和起始字符和结束字符发生冲突,对数据区进行数据处理。假设数据区有三个字节a、b、c,不够三个字节补空字节,各个字节信息如表2所示。

表2 数据区移位前数据格式

对a、b、c进行如下移位处理：

按照上面代码移位后存储位四个字节排列如表3所示：

表3 数据区移位后数据存储格式

这样三个字节用四个字节存储,每个字节高两位空,然后移位的存储字节值加上ANSII‘=’值,这样每个字节值避免了与起始位、结束位相同,数据区不会出现起始位和结束位。这样可以实现数据以帧的形式发送,利用串口中断方式,容易识别数据起始数据,结束数据,然后对数据区进行移位处理,还原数据等。为了保证数据可靠性,在数据区结束后加CRC效验,进一步保证数据的可靠性。接收数据按照上面的协议进行移位还原数据。

上位机接收到一帧数据后,根据通信协议对帧进行校验。若校验成功,通知数据处理、显示模块提取数据,最后将数据保存到指定的内存和文件。

4.2 监测系统上位机设计

为了保证不丢失上传数据包,利用数据生产者-消费者循环来完成串口数据的处理;为了提高系统的处理效率和界面响应速度,利用事件生产者-消费者循环来完成用户对界面的操作。

当发生温度过高的危险情况,则进行声音报警并弹出温度过高警报界面显示温度过高的箱柜号、节点编号、节点类型 (A表示温敏电阻传感器节点、B表示温湿度传感器节点)、温度值、湿度值 (若为温湿度传感器节点)及上传时间。

5 结束语

设计了一套开关柜触头温度的在线监测系统,针对开关柜特殊的构造特点设计了无线传感器测量触头温度,并本着缩小体积,延长使用寿命的原则利用电池和超级电容给系统供电。上位机监控软件设计,操作简单,人机交互方便,登录系统及管理员设置保证了系统操作的安全性。针对串口通信设计了通信协议,提高了串口通信的可靠性。

[1] 徐东晟,许一声.高压开关柜触头温度在线监测的研究[J].高压电器,2001,37(1)：54-55.

[2] 宋梁,温秀峰.高压开关柜温度在线监测研究 [J].电气开关,2012,3：32-34.

[3] 苑舜.高压开关设备状态监测与诊断技术 [M].北京：机械工业出版,2001.

[4] 胡春海,邹晓红,王玉田.光纤荧光温度传感器用于高压设备温度在线监测的研究 [J]..工业仪表与自动化装置,2004,(5)：53-54.

[5] L.Balgard,L.Lundin.Monitoring Primary Circuit Temperature and Breakers Condition in MV Substations[J].ABB Review 1993(3)：21-26.

[6] Huang Xiping,Wang Xin,Qiang Wen.Development of Online Monitoring Equipment of Medium Voltage Switchgear[J] .The Eighth International Conference on Electronic Measurement and Instruments,2007(3)：388-392.

[7] 刘建胜,绑达,张凡.一种用于变电站高压触点温度在线监测的新方法 [J].电力系统自动化,2004,28(4).

Temperature of Switchgear On-line Condition Monitoring System Based on Labview and Wireless Communication

ZHANG Kuo,ZHAO Qingjun,SONG Shaojiang
(State Grid Tianjin Electric Power Company,Tianjin 300450)

In order to monitor the switchgear temperature in real-time,a temperature monitoring system based on LabView and wireless communication is presented in this paper.Considering the switchgear special construction features,a wireless sensor is designed to measure the temperature of the contact.The batteries and super capacitors is utilized to supply power to the system with the principle of reducing volume,extending the use of life cycle.PC monitoring system is simple,and convenient for human-computer interaction.A serial communications protocol is designed to improve the reliability of serial communication.

switchgear;temperature;LabView;On-line detecting;wireless communication

TM561.5

B

1006-7345(2014)03-0093-04

2014-02-24

张阔 (1986),男,硕士,助理工程师,天津市电力公司,从事配电运行与维护方面研究工作 (e-mail)zhangkuo0505@sina.com。

赵清军 (1970),男,本科,工程师,天津市电力公司,从事配电运行与维护方面研究工作。

宋绍江 (1971),男,本科,中级技师,天津市电力公司,从事配电运行与维护方面研究工作。