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基于无线通信的变电站设备温度监测系统设计及关键技术

2017-07-20于保柱贾丹平赵立民

物联网技术 2017年7期
关键词:抗干扰无线通信

于保柱++贾丹平++赵立民

摘 要:为提高温度监测系统的工作效率,文中设计了基于无线通信技术的变电站设备温度监测系统。该变电站监测系统结合无线通信技术,采取高性能、低功耗的MSP430F149作为主微处理器芯片,并利用温度传感器MAX6675完成K型热电偶冷端自动补偿以及射频发射器nRF905芯片来完成无线通信,同时采取LabVIEW软件完成上位机设计,从而构建了一种由多个传感器节点、中心节点和上位机构成的变电站设备温度监测系统。通过传感器技术、微处理器技术和无线通信技术的融合,实现温度数据的采集、传输和处理,保障变电站设备的安全运行。

关键词:无线通信;变电站设备;温度监测;抗干扰

中图分类号:TP79 文献标识码:A 文章编号:2095-1302(2017)07-00-04

0 引 言

无线传感器网络技术属于无线通信技术的重要内容,同时也是无线通信技术不断发展的主要趋势。在实际运行过程中,无线传感器网络技术可以对数据信息进行获取、传输及处理,其完善的控制系统提升了自动化技术水平,真正实现了系统控制的一体化智能管理[1]。

变电站设备在使用过程中存在的触头老化,物理振动等原因,可能会造成接触处温度升高,引起接点处氧化,导致电阻增大,温度进一步上升,致使变电站设备故障,影響变电站设备的正常运行。因此,基于无线通信的变电站设备温度监测系统通过对变电站设备的温度进行实时监控,了解变电站设备的实际使用情况和使用寿命,并对变电站设备进行智能控制,进而防止变电站设备发生故障,为变电站设备的正常运行提供重要保障[2]。

1 基于无线通信的变电站设备温度监测系统总体设计

1.1 系统功能

1.1.1 温度监测上位机软件系统的目的

主要利用计算机技术对变电站中的高压母排进行实时监控,出现变电站设备故障时,其开关接头处会产生热量,系统会在温度变化异常前发生警报,并将发热信息通过温度监测系统传送给用户,以有效保证变电站设备的安全运行。

1.1.2 温度监测主要功能

在温度监测方面,计算机可以对被监测点进行实时监控,掌握被监控点的温度变化,并直接显示出被监测点的准确地址、信号接收状态、告警温度设置、温度报警显示、历史数据查询、报表生成,及在一段时间内的温度曲线显示。

1.1.3 实现方法

每一个变电站配电柜中都要设置几个监测点,通过无线通信技术传送到中转机,再由中转机传输到接收设备中,连接电脑,通过上位机软件进行传输数据的还原,实现后台计算机的实时监测。其中,下位机的主要作用是对变电站设备温度信息进行获取和传输,并根据预设事件进行温度数据的传输,进而实现变电站设备的温度实时监测[3]。

1.1.4 数据采集层功能

采集温度数据,定时发送。

1.2 系统设计框架

根据变电站设备温度监测系统的使用需求,本文将无线通信监测系统分为数据采集层、管理分析层及系统通信层,其整体框架如图1所示。

数据采集层是由分布在高压开关柜、母线接头、电缆接头等设备上的温度传感器节点构建,贯穿于整个变电站环境中,对变电站各设备的温度信息进行采集,实现对变电站设备温度的实时监控。系统通信层主要负责中心节点和上位机的实时通信。主控室监测计算机利用RS-485总线和多个中心节点进行通信,并采用主从应答的方式完成基本通信功能。管理分析层主要完成数据的分析处理工作。主控室监测计算机在管理分析层上对采集的数据进行分析处理,实现数据储存、图表显示、打印及智能控制,并具有超限报警功能[4]。

1.3 系统硬件设计

1.3.1 传感器节点硬件设计

传感器节点部署在变电站内各温度监测点上,环境比较恶劣,电磁干扰严重,因此,传感器节点要尽可能考虑低功耗设计和抗干扰设计。此节点应该在体积上足够小,以保证对监测对象本身特性造成的影响可忽略不计。传感器节点的硬件构成框架由微处理器单元、无线通信单元、数据采集单元和电源单元构成[5],如图2所示。温度传感器应根据对监测对象的监测需求选取,测温范围为0~500℃,测温精度±0.5℃能满足变电站各种设备对测温范围和精度的要求。

图2 传感器节点硬件结构图

(1)微处理器单元。微处理器单元的主芯片采用 MSP430F149芯片,其电路部分包括与温度数据采集单元的接口、与无线通信单元的接口和与拨码开关的接口等。该芯片具有功耗低、空间占有小、处理能力强、性能稳定及安全高效的开发环境等特点,并且其运行温度范围能够适应变电站的工作环境,适合于开发低功耗、小型化的远程智能监控终端设备[6]。

(2)数据采集单元。本设计主要采用了包含K 型热电偶的MAX6675温度传感器来读取温度数据。MAX6675的测温范围为0~1 024 ℃,工作温度范围为-20~85 ℃,自带冷端补偿电路,能将 K 型热电偶的输出热电势转换为12位温度值,分辨率为0.25 ℃。图 3 所示为MAX6675与MSP430F149的接口电路。

图 3 MAX6675与MSP430F149的接口电路

(3)无线通信单元。该单元采用单片射频收发器芯片nRF905,其电路部分主要包括MSP430F149接口电路、晶振电路天线部分电路[7]。

(4)电源单元。电源单元采用TPS60100芯片,通过锂电池供电,提供3.3 V电压。

1.3.2 中心节点硬件设计

中心节点硬件设计要通过无线通信单元汇聚传感器节点采集温度信号;将采集到的温度信号进行分析处理,并嵌入到RS 485总线上,等待主控计算机采集;将节点地址、节点参数以及温度采集节点上报的温度数据进行存储,以防丢失。

根据中心节点电路要实现的功能,将中心节点的硬件组成框架按图4设计,由微处理单元、无线通信单元、串行通信单元、存储单元等组成。

图4 中心节点硬件结构图

(1)串行通信单元。该单元设计了标准的 RS-485 总线接口,一方面将中心节点处理好的温度数据传输给主控计算机;另一方面根据主控计算机的控制命令对模块进行控制。

(2)存储单元。为防止中心节点掉电导致数据丢失,设计时加入了存储单元,主要存储温度数据、节点地址和节点的基本配置信息。而这些信息都是中心节点与监测计算机通信的凭证。

(3)电源单元。微处理单元和无线通信单元的供电电压为3.3 V,串行通信单元和存储单元的供电电压为5 V。因此,本模块使用了2个电源芯片LM2575和LM1117-3.3,分别提供5 V和3.3 V电压。

1.4 系统软件设计

射频发射端与射频接收端的软件设计采用编程开发工具IAR for MSP430。上位机软件采用LabVIEW软件编写,该软件所提供的各种模块化、图形化的函数能安全高效地实现所需功能。

上位机接收端流程和发射端流程分别如图5和图6所示。系统开始工作时,首先执行初始化程序,包括系统时钟初始化、中断初始化、芯片GPIO管脚初始化、串口初始化、SPI口初始化、射频模块初始化、定时器初始化。与PC机相连的射频接收端转化为发送模式,发出查询命令,循环访问4个测温终端,4个测温终端此时处于接收等待状态,只有当测温终端接收到通信地址与本测温终端的硬件地址一致,且 CRC校验正确时,测温终端才开始测温,并发送数据包,然后进入掉电模式。若无线收发模块开启了自动应答功能,发送方发送数据或命令后,收到接收方的确认信号(ACK信号)后才表示发送成功,否则将再次发送信号。与PC机相连的射频接收端成功发出命令后,转为接收模式,接收4个测温终端的数据包,最后将温度数据通过RS 232串口上传给PC机,判断温度是否超限,并实时显示在屏幕上并储存。

上位机软件设计运用LabVIEW的函数模块直接调用各函数模块搭建所需的功能程序,所用语言俗称“G 语言”,即图像语言。该软件设计包括串口初始化、串口写命令、串口中断、数据帧头判断子VI、温度变換和显示子VI、数据保存。图 7所示为上位机监控程序。

图5 上位机接收端程序流程图

图6 发送端程序流程图

2 基于无线通信的变电站设备温度监测系统设计的关键技术

2.1 电源管理

在变电站设备温度监测系统设计中,如果断电,系统会立即停止工作,导致系统无法正常使用。因此,对各温度数据采集节点进行安全高效的电源管理是变电站设备温度监测系统设计的关键技术之一。

(1)电池选择。电池是各数据采集节点的主要电能提供者,所以要尽量选择能量高、寿命相对较长的电池。

(2)硬件低功耗设计。除了选择高效的电池外,还要进行硬件的低功耗设计。选择具有低电压、低功耗的处理器芯片,如MSP430F149芯片。该芯片主要适用于无线微型产品,能够实现硬件设施对低功耗的要求。

(3)软件低功耗设计。软件低功耗设计主要通过MSP430F149的活动模式与低耗模式对系统资源进行有效的开发与利用,进而实现软件系统的低功耗。在进行软件低功耗设计的过程中,要严格控制节点模块的供电,即只在工作期间供电,其余时间关闭模块节点,需要时再重新启动[8]。

图7 上位机监控程序

2.2 抗干扰技术

传感器节点与中心节点进行数据采集的过程中经常会受到干扰,根据性质分为内部干扰与外部干扰。内部干扰主要是系统内部包含的电子电路形成的互相干扰;外部干扰则为外界干扰元素进入系统内部而形成的干扰,其中影响最为频繁的就是电磁干扰。因此,为保证温度信息数据的准确性和可靠性,要及时排除系统内外部干扰,提高变电站设备温度监测系统的运行效率和质量。在设计数据节点的过程中,为减小和抑制干扰,把干扰问题纳入系统设计规划中,从系统硬件设计和软件设计入手,提高变电站设备温度监测系统的抗干扰能力。

2.3 通信协议

变电站设备温度监测系统的通信协议主要包括CSMA与TDMA。CSMA通信属于争用型介质访问控制协议,主要依托于ALOHA网络协议,更倾向于介质利用率的开发。在实际应用中,发送数据之前会对大气中同频率载波进行检测,若存在这种载波,CSMA不会发送数据,只有不存在同频率载波的情况下才会进行数据传输。其发送原理相对比较简单,技术上有较大优势,适合在变电站设备温度监测系统中应用[9]。对于TDMA来说,主要是一种时间分割信道协议,在传送数据的过程中,在每个时帧内的节点上设置时隙,每个时隙在特定时域中不会发生重叠现象,各节点在各自的时隙中不会使信号混乱。因此,TDMA通信协议更加重视通信质量,系统容量也相对较大,在实际运行中可有效降低电池能耗。

3 基于无线通信的变电站设备温度监测系统的抗干扰措施

3.1 硬件抗干扰措施

可采取如下硬件抗干扰措施:

(1)提高印刷板工艺。在采用印刷工艺进行硬件抗干扰过程中,通过合理布线,加粗电源线,使电源线和地线方向与数据传输方向保持统一,及接地方式等抑制内外界信号干扰。印刷电路板上的各器件满足干扰小、散热快等要求,同时印刷电路板的各个线路互相远离,可防止互相干扰的现象发生。

(2)利用金属屏蔽。空心密封金属屏蔽体纵使在电场环境中,屏蔽体内的电场也可以不受外部电场的影响,始终保持电场强度为0。因此,可利用这一抗干扰原理,在变电站设备温度监测系统各数据节点的外部放置金属屏蔽体,金属屏蔽体表面接地,达到抗干扰的目的。

3.2 软件抗干扰措施

内部干扰的频谱一般较宽,除要采用硬件抗干扰措施外,还要在软件方面建立抗干扰系统,保证变电站设备的正常运行。在程序中,為减少中断源,一般是在对应的中断服务地址入口处设置软件陷阱,使其跳转到程序入口,同时使用看门狗软件抑制系统内部干扰。将重要的数据存放在系统内部存储模块中,避免内部干扰导致信息数据丢失。同时在通信过程中设置了CRC检验,以保证通信信息的准确性和可靠性[10]。

4 实验结果分析

本文进行了两方面的实验测试工作。一是系统传感器测温精度测试;二是系统功能测试。

4.1 传感器测温精度测试

将MAX6675热电偶温度传感器置于可控的恒温箱内,其中标准温度采用水银温度计,在上位机上读取传感器的测量温度。实验结果数据见表1所列。由实验数据可知,误差在± 0.5℃以内则符合设计目标。标准值和测量值的分布图如图8所示。

系统产生迟滞的原因主要是由感温探头的导热能力和物理硬件现场安装时不可避免产生的误差引起的。如果探头的导热性能良好,其响应温度变化的速度就会加快,迟滞程度就会减小,同时信号调理电路性能的好坏也会影响测量精度。

4.2 系统功能测试

4.2.1 传感器设置测试

在传感器安装前,按系统配置表在监测主机中设置传感器ID。然后分别使用电吹风对传感器逐个吹热风测试,检查监测主机显示的温度变化。实验结果见表2所列。

4.2.2 报警输出功能测试

设定温度报警值为65℃,达到设定值时,装置即发出报警信号,温度下降后,报警复归[11]。检查测温主机、监控电脑声光信号及报文是否正常。实验结果见表3所列。

5 结 语

本文针对变电站设备温度监测中的实际问题,提出一种基于无线通信的变电设备温度监测系统,通过实验验证了该设计可以对变电设备发热部位的温度进行实时有效的监测。从监测结果来看,该系统可靠性高,抗干扰性强,功耗小,移动性强,成本低,可广泛应用在工业中的多点无线温度监测系统中。

参考文献

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[11]覃浩.无线式温度在线监测预警系统在电力系统中的应用[D].广州:华南理工大学,2012.

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