贾丹平，翟盼盼

（沈阳工业大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110870）

0 引 言

电力系统运行时，保障电网安全的一个重要环节是电力设备运行的安全可靠性。其中高压开关柜是电力系统最重要的组成部分之一。开关柜触头是高压开关柜的关键部位，在长期运行过程中，触头的损坏常常引起接触端温度升高进而氧化，接触电阻增加，温度进一步上升，导致局部熔焊，产生火花或放电，损坏电气设备[1]。因此对开关柜的触头温度实时监测，避免上述事故发生对电力系统的正常运行具有非常重要的现实意义。

目前采用基于电信号的传感器系统是国内大部分供电系统和变电站开关柜测温的主要方式。其中红外测温不接触测温点，电磁干扰和环境粉尘易对测温系统产生干扰，且需人工操作，难以实时测量；热电阻热电偶的测温方式易受引线和环境的影响；电子式测温易受开关柜内强烈电磁干扰的影响，可靠性较差；机械式测温存在较大误差，且在计算机组网方面难以实现[2,3]。

近些年具有抗电磁干扰特性的光纤测温法越来越受到人们的关注。光纤测温法的传感探头尺寸较小，具有良好的耐高压、电绝缘性，抗电流击穿以及电磁场扰动的性能。根据以上优点，将光纤探头埋设在高压开关柜内的触头上，操作便捷，开关柜运行安全可靠。

随着无线传感器网络技术的发展，针对上述问题，监测领域出现了一些新的解决办法。例如，针对高压开关柜的测温问题，ZigBee网络无线传输技术在2.4 GHz频段工作，属于高频无线信号，具有强大的抗干扰性能，可较好地解决信号在无线传输过程中的高压隔离问题，使数据在通信方面的安全性得到良好保证[1]。此外，ZigBee无线传输技术具有低成本、低功耗、高稳定性等一系列优点，是高压开关柜触头温度无线监测的较好选择之一。

根据对荧光信号处理方式的不同，可将荧光光纤测温方式划分为荧光强度型、荧光强度比型和荧光寿命型三类[4-6]。荧光寿命是荧光材料自身的固有特性，荧光寿命型测温方式的测温效果不受光强扰动的影响，发展前景更为广阔。因此结合无线传输的优点，本文采用荧光寿命型光纤温度测量无线传输设计方法对开关柜触头进行监测。

1 荧光光纤无线测温系统

1.1 系统原理图

根据荧光寿命测温法的原理，本文提出了一种无线测温系统方案，并对该系统反复调试和试验。系统的整体方案如图1所示。

图1 荧光测温系统整体框图

系统主要分为三部分，即传感电路部分、信号处理部分、数据采集及传输部分。

其工作过程为：在控制脉冲的作用下，激励光源产生一系列脉冲激励光，经分光器后，激励光发生全反射，由耦合器进入光纤，通过光纤，激励光被传输到探头端照射到荧光物质上，此时荧光材料被激发产生荧光；当激励光撤去后，产生的荧光余辉信号通过同一根光纤，再经过耦合器，透过分光器进入光电转换部分。在光电转换部分，荧光余辉信号由光信号转换为电信号，并输入到信号处理部分；在信号处理部分，放大电路对微弱的荧光余辉电信号进行放大处理，经滤波后送入数据采集及传输部分；数据采集系统将该信号转换为离散的数字信号，经数据处理后，根据所使用的荧光材料的荧光寿命与温度的关系，得出被测对象的温度；开关柜触头的温度信息经无线发送单元发送至监控室，最后由无线接收单元显示。

1.2 硬件设计部分

1.2.1 激励光源驱动电路设计

直流驱动和脉冲驱动是激励LD光源发光的两种常用方法，但是，直流驱动饱和时易发热，且与脉冲驱动相比，当两者电流等效值相同时，脉冲驱动的亮度比直流驱动的亮度大，所以选择脉冲驱动作为激励光的驱动方式。对STM32F407的I/O口编程，产生的时序脉冲通过控制场效应管K1482的导通或关断来确定是否驱动LD发光。LD驱动电路如图2所示。

1.2.2 光电转换电路设计

采用PIN光电二极管作为荧光测温系统部分的光电探测器，光电转换电路主要由光电二极管和LF357运算放大器构成，该电路完成了荧光余辉光信号到电信号的转换。光电转换电路如图3所示。

图2 激励光驱动电路

图3 光电转换电路

1.2.3 微弱信号放大电路设计

荧光信号一般比较微弱，光电转换电路输出的电信号约为10 nA，易被噪声淹没。LF357运算放大器具有输入阻抗高、噪声低、增益带宽积高等优点，故采用该器件构成荧光测温系统的放大电路。放大电路第一二级将荧光余辉信号进行放大，最后一级是一个起阻抗匹配作用的电压跟随器。微弱信号放大电路如图4所示。

1.2.4 数据处理及传输部分设计

图4 放大电路原理图

荧光光纤无线系统的温度终端采集框图如图5所示，主要包括MCU处理器部分、电源转换部分、数据存储部分、通信接口部分、RTC部分、报警部分等。在本设计中，主处理器选择ST公司生产的STM32F407，该处理器是基于较为先进的ARM Cortex™-M4F内核的32位闪存微控制器，以168 MHz高速运行时可达到210 DMIPS的处理能力，片上具有总容量达到196 kB的SRAM和多达1 MB的FLASH，外部存储接口FSMC非常灵活，ADC可配置12位、10位、8位或6位分辨率，有16条复用通道，可独立设置各通道采样时间，且Tconv可达0.5 μs，功耗低，满足系统需求。无线传输的发送和接收部分采用TI公司生产的CC2530F256，结合了该公司领先的Z-Stack，是应用于IEEE 802.15.4的一款ZigBee芯片。由CC2530F256组成的系统具有强大的无线近距离组网功能，不仅能支持多种不同形式的网络拓扑结构，还能对网络内部信息进行无线传输。在抗干扰方面，ZigBee无线网络采用动态信道选择、空闲信道评估、频率快变FA、直序扩频（DSSS）以及应答重传和帧缓存等一系列技术，CC2530F256工作时，能够与其他2.4 GHz同频段的无线网络同时存在，保证了该芯片在同频时的抗干扰性能[7]。

图5 温度终端采集系统框图

数据存储部分利用SD卡存储转换过后的荧光电压数据，以供数据处理时调用。RTC时钟部分为系统提供稳定的时钟信号，使得系统的实时性更加准确。此外即使主机电源断开，RTC也可从超级电容或备用电池处供电，确保系统正常运行。考虑到多种情况下的不同要求，电源转换部分为该系统提供了两种电源输入模式，分别为直流输入与AC 220 V输入，两种方式使用方便，可满足不同的需求。

1.3 软件设计部分

1.3.1 荧光寿命数据处理模型

在测温系统工作过程中，荧光余辉信号经光电转换及放大处理后，最终由处理器接收的荧光信号为：

式中：Id和In均属于背景干扰。Id主要由杂散光的通道直流成分以及各种直流漂移产生；In主要来源于随机噪声。通过适当增加累加次数求平均值，可以减小随机噪声对测温系统的影响。经上述处理后，被测信号中的随机干扰可忽略不计，被测信号表达式如下：

该信号具有单指数衰减的特点，对该信号利用FFT算法进行傅里叶变换，变换后，根据非零次项来计算荧光寿命τ的值[8]。A/D转换芯片对荧光信号进行数字采样时，可得以下形式：

n=0，1，2，…，N－1

其中，第0项为：

由式（5）可知，第0项大小与起始光强I0和直流分量Id均有关。非零项为：

非零项与直流分量Id无关。

第一项为：

其幅角的正切值为：

式（8）中，幅角的正切值只与荧光寿命有关，是其单值函数，与直流分量和起始光强无关，荧光寿命为：

1.3.2 软件设计

根据FFT算法理论，将采集到的荧光数据运用该算法处理后可得到荧光寿命τ，对其编写C语言程序，使得它在STM32F407上实现，程序流程如图6所示。

图6 温度采集软件流程图

为了更加直观地观察处理后得到的荧光寿命τ以及荧光曲线，使用VC++6.0软件编写基于MFC对话框的显示界面，利用Matlab仿真软件产生一条标准指数函数曲线，将该曲线的荧光寿命值设定为0.5 ms并将其作为标准值，得到仿真数据，利用FFT数据处理算法从仿真数据中反求τ值。显示结果如图7所示。

图7 荧光寿命τ值显示

2 实验结果分析

搭建好整个实验平台，并对其进行调试。由于现有实验条件的局限，无法将装置直接放到开关柜中进行测量，因此本实验在实验室条件下模拟开关柜触点温度变化进行。首先，把选定的荧光材料放入金属块的小孔中，其次，把该金属块置于加热装置上，将实验装置的光纤探头插入荧光材料中进行测量。调节加热装置的温度，采集与处理不同温度下的实验数据，每间隔5℃进行一次测量，每个温度下测量5次，记录相应的数据，得出荧光余辉时间常数τ的平均值。

将不同温度下的荧光余晖时间常数τ整理在一个表格中，见表1所列。

表1 不同温度时所对应的τ值

为了便于观察荧光余辉时间常数τ随温度变化的规律，将表（1）中的数据绘制成曲线图，如图8所示。荧光余辉时间常数τ随温度的升高而降低。

图8 荧光余辉时间常数τ值随温度的变化的曲线

3 上位机监控显示设计

本系统采用LabVIEW可视化程序设计语言开发后台监控软件，通过监测界面即可实时掌握设备运行状况。上位机功能模块包括监测界面、设备配置及报警系统等。检测系统人机交互界面如9图所示。

荧光系统利用ZigBee无线通信技术将采集到的数据信息传输到接收单元上，将串口电路和上位机VISA接口连接后，通过监测界面实现人机互动。VISA接口使用时需对串口配置，当设备温度数据异常时，方便快速找到事故点进行处理。

报警系统主要由灯光、声音和状态显示三大报警方式组成。当监测到的温度数据异常时，系统报警，报警灯由绿变红，警报器响铃，工作人员可立即采取安全措施。

图9 检测系统人机交互界面主界面

4 结 语

本文探讨了荧光寿命式光纤系统的无线测温原理，设计了适合在高压开光柜内使用的触头温度测量方案。该系统能够实时对柜内触头温度在线监测并将数据无线传输。此举不仅可及时对事故隐患进行及时提醒及报警，还可为开关柜的预防性检修提供依据，对延长高压开关柜使用寿命，提高运行可靠性有重要意义。

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[2]邱云兰，徐志保，蔡雪香.荧光式光纤测温系统在高压开关柜的应用[J].福建电脑，2016，32（1）：18-20.

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[9]于保柱，贾丹平，赵立民.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[J].物联网技术，2017，7（7）：71-74，76.