电力系统中无线测温装置的设计与应用

安科瑞 汪国琴

一、引言

电力系统对安全要求高，电力系统设备在长期使用过程中会老化或过热，如果不能及时发现和解决，可能导致严重事故，必须严格监控电力系统设备的工作状态，监测高压开关柜接触温度是一项非常重要的任务。温度可间接反映电气设备的运行状态，许多故障会导致温度异常，因此需要对电气设备进行温度监测。在恶劣的生产条件下（如局部发电机放电）很难使用常用的温度监测方法，因此开发可靠实用的多点温度测量设备非常重要，无线技术可以用来克服现有有线温度监测系统的许多缺点。

现有成熟但研究不足的国外发电机状态监测系统大多采用电缆接线监测，国内大部分研究应用也采用有线监测。基于无线传感器网络IEEE 802.15.4技术标准和ZigBee网络协议设计的无线数据传输网络。本文主要分析了发电机无线温度监测系统的配置和设计，让更多的人了解设计中某些概念带来的便利。

二、系统整体设计

ZigBee无线温无线温控系统组成ZigBee协调器，上位机STM32F103ZE和ZigBee由三个大型模块组成的终端。通过ZigBee通信协议将温度值传输到不同位置PC，以便PC处理信息。在ZigBee在终端节点上，通过热电偶收集温度信息，然后通过无线收集LAN传输给ZigBee协调器，协调器接收温度信息，然后用模糊比例积分微分算法计算控制温度。处理单元收集温度传感器的温度，并通过通信单元发送温度数据。由于温度测量节点应具有体积小、功耗低、易于安装和在多种环境下使用的特性，因此其使用电池供电。

三、测温节点模块设计

温度测量节点模块的原理框图如图1所示。NEC单片机，因为NEC单片机功耗低，通信设备采用2.4 GHz频段NRF24L01。该芯片支持点对点数据通信。此模式下的数据通信中，一个接收器在同一频带中工作，并发送六个接收器，以及节点ID人工添加到通信协议中，以扩展更多的多点通信。

图1 测温节点模块原理框图

显示异常温度测量点：原两点接地通常改为单点接地，以处理发电机的异常温度测量点，并改变各通道测量电路的接地方法。建立了温度与负荷之间的相关性分析模型，根据负荷情况预测温度变化趋势，为负荷控制提供决策依据。

四、无线测温系统硬件设计

4.1系统总体框图

整个温度测量系统的电路分为两部分：下位机和上位机。下位机负责定期收集温度数据并将其发送给上位机。主机用于发送接收到的温度数据PC框图如图2所示。

图2 上下位机总体框图

4.2温采集端电路设计

一个无线收发器模块和多个温度传感器构成温度收集部分，以完成多点温度数据的收集和无线传输；另一个无线收发器模块通过RS232接口模块上载数据。STM32提供三种低功耗模式：待机、睡眠和关机，用户可以进行合理的系统优化。该模块使用四线SPI接口，CS引脚连接到微控制器RC0，INT连接到微控制器RB0，WAKE连接到微控制器RC1，RESET连接到微控制器RC2。温度采集器的发射频率为428 439 MHz，发射信号为单频信号，不同的频率代表不同的信号。接收到信号后，通过信号放大和滤波处理，然后转换为可识别的电信号以获得温度参数。

数据采集终端位于由温度传感器、微控制器和射频收发器组成的数据采集点。它通过射频与数据接收器进行无线通信。为了减少系统在设计中的尺寸，使用了片面RF该系统集成了一系列微控制器和芯片RF收发器。

4.3无线收发电路设计

无线收发器芯片有很多种。无线收发器芯片的选择在设计过程中非常重要。选择合适的无线收发器芯片可以降低开发难度，缩短开发周期，降低开发成本。根据国际标准使用无线传感器节点和基站.4 GHz通信和数据传输频率。使用系统协调器RS232接口连接到PC，而RXD和TXD分别连接到微控制器的微控制器RX和TX引脚。协调器通过接口将温度数据从每个节点传输到上位机，上位机可以通过VB读取上传的数据进行调试接口，以达到监控的目的。

在传输模式下，压控振荡器（VCO）输出的信号直接传输到功率放大器（PA）。RF输出由添加到DIO引脚[称为频移键控（FSK）]数据控制。内部的T/R切换电路使天线更容易连接和匹配。PTR8000工作电压低，属于低压设备，在设计过程中需要考虑，STC89LE连接设计采用52微处理器，无需增加电平转换电路，可提高系统稳定性。通过下行链路CAN总线或无线连接到温度收集器，从连接的传感器获取温度信息，根据设定的参数分析温度信息，确定是否有警告信息。上行与主站系统之间的通信采用RS根据具体协议实现数据传输的485接口。

五、无线测温系统软件设计

5.1系统整体软件框图

在编程过程中，系统采用模块化设计理念，将系统的主要功能模块编译成独立功能，并由主程序调用。由于热电偶安装在发电机侧并接地，从模块侧接地中删除热电偶信号可以提高测量值。该系统的软件设计采用模块化、结构化的设计方法，整个程序由温度测量模块、无线收发模块、PC由串行通信模块组成。软件系统的整体数据处理流程如图3所示。无线数据传输是整个系统软件设计的重要组成部分。

图3 软件系统的整体数据处理流程

ZigBee协调器程序的主要功能是设置局域网管理终端的节点来实现和实现STM32F03ZE的通信，而M32F03ZE主机程序主要实现和实现ZigBee协调器通信并提供熟悉的人机界面。

5.传感器节点程序设计

选择该系统的无线传感器节点TI的CC2430，芯片本身有个A/D，处理器和无线通信模块。传感器节点由四个部分组成：传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能源供应模块。数据接收模块

与模块的数据通信在从获取模块接收数据或通信加班后结束，并开始向下一个数据获取模块发送数据请求命令。当所有数据采集模块都与数据接收模块匹配时，它将在一轮通信后重新启动数据采集模块，以此类推。

5.下位机和上位机软件设计

该系统的软件设计包括上位机和下位机的软件设计。下位机软件设计主要通过无线传输模块发送到温度采集模块，选择通道，然后发送无线接收信号，温度参数传输到主机进行处理。

5.3.下位机软件设计

下位机的主程序实现系统的初始设置，定义PTR引脚，配置PTR并设置波特率。它从父亲的计算机接收命令中确定父亲的计算机选择的通道，并根据通道发送相应的无线电。相应的温度采集模块的通道地址采集温度，然后通过无线传输模块将温度数据传输到接收板，并通过串口传输到上位机。

5.3.2上位机软件设计

上位机软件部分主要包括数据编码程序、数据解码程序、初始化程序、数据发送/接收中断处理程序RS-由485通信程序和上位机主程序组成。无线数据收发器中断处理程序与下位机相同，所有程序均为IARC语言完成。当通信控制器的轮询信号点到达机器时，数据直接从存储器中获取并传输到通信控制器，然后上传到PC。下位机定期上载每个测量点的温度数据，并定期更新内存中的数据。其中，外部或仪器质量问题引起的周跳对准确观察有严重影响，因为在处理数据时通常不到10周。因此，可以使用相关软件来解决小的循环跳跃问题，扩大循环滑移值。在测量过程中，由于接地电位差，热电偶负极的电阻远大于接地电阻，电流直接连接到热电偶测量环，并在热电偶负极的热电偶上叠加额外的压降。当出现异常时，会产生较大的误差值，因此DCS显示值低于实际温度。

六、实验与分析

该系统主要用于监测正常或测试期间相关工作条件参数的变化。实时读取串口采集模块的全局变量，并在界面上实时显示，以便操作人员或监控人员在相应处理后及时分析。为了监测发电机线圈和轴承的温度，铂电阻传感器由TPE橡胶包裹制成，高温处理后，三根导线也以同样的方式处理。在发电机定子的三相绕组内，每相内置两个三线温度传感器Pt100，监测绕组温度。

在本实验中，对发电机厂生产的发电机进行了测试，表1列出了一些监测温度参值。在表1中，当发电机组正常运行时，绕组的A相测量温度为65℃～75℃之间，低于报警值(发电机绕组绝缘F级)；绕组B相的温度为55℃～76℃绕组C相温度低于报警值68℃～77℃同时，也低于报警值，满足测试条件的参数设置模块，实现各种监测状态量的报警参数设置，并连接数据库模块，将相应的设置值存储在参数表中，供以后参考。事件历史模块主要调用不同时期数据库的历史数据和趋势分析，以查询和显示每个状态信号报警事件。

七、安科瑞测温产品介绍

a.电池供电无线温度传感器

传感器安装在加热部位，收集温度并通过无线传输。

目前有三种无线温度传感器：

b.CT感应无线温度传感器

安装在断路器触头上母排、电缆搭接点等大电流处，采集温度量并通过无线方式传输的传感器。

　　目前无线温度传感器有两款：

　　

　　安科瑞无线测温就地显示配置：

　　ASD300/320智能操控装置可连接12路无线温度传感器，ARTM-Pn无线测温装置可连接18路无线温度传感器，无源（CT取电）方式为ATE300（捆绑式安装），有源（电池供电）方式为ATE100（螺栓式安装，主要用于电缆/铜排等螺丝固定的搭接点）和ATE200（表带式，主要用于断路器触头等接点捆绑安装，因安装较ATE100更方便，电缆/铜排等搭接点也常选用）。

　　

无线测温带操显功能（就地显示）

　　

　　Acrel-2000T/B无线测温壁挂式监控设备，内存4G,硬盘128G,以太网口，显示器12寸，分辨率800*600，可选Web平台/App服务器，柜体尺寸480*420*200（单位mm），配置IPAD,安装ACREL-2000/T软件。就地实时显示温度分布以及报警等详细参数。

无线测温采集设备配置方案

　　

八、结束语

　　为了在发电机组中应用发电机温度监控，本文考虑了现场环境、技术要求、电磁兼容性、电路功耗等因素，以及设计计划、设备选择、硬件电路设计和生产、微控制器程序设计和调试。对无线温度监测系统的配置和设计的研究就是这样的例子，并且常规温度监测系统原本不可能发生的许多问题正在被更方便地解决。数据处理和分析是通过上位机实现的，上位机软件采用了可视化界面，使操作员操作起来更加直观。在编程软件的控制下，在PC的主软件界面触发命令按钮，以将命令发送到接收器，接收到部分处理指令后，该指令将发送到下位机以选择通道。温度收集模块在接收到命令后收集温度并以无线方式收集温度，将温度数据发送到接收器。通过该系统能够大大地提高工人的工作效率并基于ZigBee的收集模块可以在工作条件下实时收集和显示必要的更改。