刘东明，李 军，王军波，王俊清，王潇霏

（1.国网山东省电力公司烟台供电公司，山东 烟台 265000；2.国网山东省电力公司莱阳市供电公司，山东 莱阳 265200）

0 引言

高压开关柜作为电力系统中极其重要的电力设备。在电力传输过程中，承载着控制电力线路、保护用电设备等重要功能。由于开关柜是封闭且紧凑的，无法有效散热；加上开关柜处于高电压、大电流、高磁场的环境中，必然存在发热问题［1］。如果不能及时发现开关柜中过高的温度，会出现断电和火灾等问题，严重影响电力系统的稳定性。由此可见，对高压开关柜进行实时温度监控是十分重要的。通过监控温度，提前对发热设备进行故障诊断，避免电力事故的发生。

目前，在高压开关柜中温度监测方面，国内外学者和有关企业开展了大量研究和工程实践，温度监测方法有温度传感器电子式接触测温、光纤光栅测温、声表面测温、红外辐射测温、红外成像测温等方法，主要对柜中高压触头、出线口等重要载流连接部位进行温度监测。文献［2］采用了温度传感器电子式接触测温方法，容易受开关柜中强磁场影响，测量误差较大。文献［3］提出了光纤光栅测温方法，其光纤光栅波长容易受温度和应力交叉影响，并且安装成本大。文献［4］提出的声表面测温虽然无线无源比较前沿，但设备成本较大，在现场应用方面也具有一定的未知性。文献［5］提出的红外辐射测温存在布线复杂、光路影响测量误差等问题。

针对以上问题，设计了一套高压开关柜无线红外测温系统。以高性能、低成本、低功耗的STM32F103RCT6 作为整个测温系统的核心，同时采用MLX90640 新型温度传感器，其优势在于高集成度、低功耗、高精度、大视角等，通过RS485 转无线数据传递方式，实现对多套高压开关柜中温度的实时采集，将数据无线上传到监控中心进行汇总预判。红外测温方法图像直观、不接触高压触头、不受强电磁干扰，无线通信技术解决了布线困难的难题，整套系统低功耗、高性能、高集成度、安装方便，具有极高的性价比，在工程应用中前景广泛。

1 系统组成

整个系统由主控芯片、温度传感器、数据通信模块和电源模块4 部分组成。总体结构如图1 所示，主控芯片通过I2C 总线读取温度传感器采集到的温度信息，再通过数据通信模块利用RS485 总线转无线将数据传递给监控中心，电源模块给整个系统提供稳定可靠的工作电压。

图1 系统总体结构

设计的无线红外在线测温装置作为下位机子系统分布在高压开关柜等重要的电力设备装置内，通过QZ01-485 无线转RS485 数据通信模块，利用IEEE802.15.4 标准和ZigBee 协议，采取一点对多点之间的设备间数据的透明传输方式，将电气设备的实时温度上传至上位机管理系统，实现电气设备温度的分布式监测与管理。

2 硬件电路设计

2.1 主控芯片

图2 单片机外围电路

温度检测模块的主控芯片采用STM32F103RCT6，该芯片以32 位Cortex-M3 CPU 为内核，时钟主频为72 MHz，闪存为256 KB，SRAM 为64 KB，其板载资源有连接到2 个APB 总线的各种增强型I／O 和包括ADC、定时器、I2C 以及DART 等外设，并且具有标准和高级通信接口，是一种具有低工作电压、低功耗、温度范围广、灵敏度高、时钟主频高、抗干扰性能强等优点的高性能嵌入式单片机。STM32F103RCT6工作温度为-40～105°C，满足高压开关柜的环境要求。外围电路如图2 所示，单片机最小系统包括时钟模块、复位模块、SWD 调试电路、电源模块，选择58和59 引脚连接温度传感器的SCL、SDA 引脚，选择15、16 和17 引脚连接通信模块的485-EN，485-TX与485-RX 引脚。

2.2 温度传感器模块

本系统采用的MLX90640 是一种新型红外传感器，具有32×24 像素红外阵列，工作温度为-40～85 ℃，可测量的温度为-40～300 ℃，采用业界标准的4 引脚TO39 封装，带有I2C兼容数字接口。因其小尺寸、低成本、高集成度、高精度、低功耗、视野广等诸多优点而被选用，温度传感器模块设计电路如图3所示，MLX90640 由3.3 V 电压供电，MLX90640 的SCL、SDA 引脚各经限流电阻和上拉电阻通过I2C 接口连接到主控芯片上。

图3 温度传感器模块设计电路

基于MLX90640 红外测温模块的无线红外在线测温装置，可以实现高压开关柜中高压触头等关键部位的红外温度成像。由于温度成像为32×24 像素红外阵列，通过主控芯片对温度数据的处理，可以更加直观高效地显示实时成像温度，并可以将温度保存并绘制成曲线进行数据分析，当某节点温度超过给定范围，系统会实时检测并发出高温预警。

2.3 数据通信模块

高速数据通信模块是高压开关柜温度监测系统中各监测点与监控中心进行数据连接的关键部分，数据通信必须满足实时性、可靠性、安全性的要求。本系统使用的是MAX485ESA 型数据通信收发器，是一个标准的RS485 收发器，内含1 个输出驱动器和1 个信号接收器，为半双工通信。MAX485 具有三态输出特性，在使用MAX485 时，总线最多可以同时连接32 个MAX485 芯片，通信波特率可以达到2.5 Mbps，具有低功耗、高精度、限制摆率等特点。其电路设计如图4 所示。

图4 数据通信模块设计电路

MAX485ESA 芯片的RO 引脚经限流电阻连接主控芯片的485-RX 引脚，RE 与DE 引脚连接主控芯片的485-EN 引脚，DI 引脚经限流电阻连接主控芯片的485-TX 引脚，A 引脚经大电阻接电源，B 脚经大电阻接地，A、B 引脚之间接小电阻，且A、B 引脚分别经双向稳压二极管接地，防止过电压进而保护RS485 芯片。

2.4 电源模块

电源的稳定性和电压精度是电源模块的2 个重要指标。本系统中供电电源为24 V，主控芯片、温度传感器、数据通信模块的供电电源为3.3 V，故本系统采用的DC／DC 转换芯片为WRB2403S-1WR2，具有宽输入、I／O 隔离、短路保护、工作温度范围广等特点，其电路连接如图5 所示。

将24 V 电压接入到WRB2403S-1WR2 芯片的VIN 引脚，在其VO 引脚处可得到3.3 V 电压。此外在电源和大地之间加的电容起到了滤波的作用，得到的电压满足系统电压精度和稳定性要求。

图5 电源模块设计电路

3 系统软件设计

测温系统程序依托图形化底层库生成软件STM32CubeMX，在此基础上采用C 语言进行系统软件程序编写。系统软件流程如图6 所示。

图6 软件流程图

系统通电后主控芯片开始运行，首先初始化设置单片机、硬件I2C 接口等，初始化完成后，系统进入温度数据采集处理、温度信号数据传送、是否上传和休眠检验。数据上传检验程序保证测温系统上传数据的可靠性和稳定性。加入定时休眠程序，保证了数据测量的实时性，同时降低了测温系统的功耗，延长了测温设备工作寿命。在各个高压开关柜测温节点通过无线周期性上传温度数据，监控中心对每个高压开关柜测温节点进行温度汇总和记录。

4 系统性能测试

根据高压开关柜无线红外在线测温系统的软硬件设计，对开发的装置进行测试。将在线监测装置分别布置在多个高压开关柜中，将装置的红外无线传感器平行放置在三相高压触头中部位置，由于MLX90640 模块采用110°×75°广角视野，可根据需要监测的高压触头面积，计算出装置与高压触头的合适的垂直距离并进行放置。

测温性能测试中，主要考察测温系统的测温误差和测温时延2 个指标。通过系统和红外测温仪分别测得12 组数据，如表1 所示。通过对比，测温误差平均为0.3 ℃，并且记录平均测温时延为5 s 左右，满足高压开关柜中对测温误差和测温时延的要求。

表1 测温模块与红外测温仪测得温度数据表 ℃

数据通信测试中，初步测试通过RS485 转有线（RS485 转TTL 或RS485 转RS232）和RS485 转无线（RS485 转换无线通信模块转4G 通信模块）进行串口通信测试，由上位机向某一开关柜测点系统发送1 帧的查询命令，回报9 帧的温度数据，经测验数据回传可靠。进一步测试，通过监控中心的上位机对测温设备上传的数据进行连续一周记录监测。测温系统连续工作168 h，系统工作稳定。最后进行通信联网测试，每台设备有一个固定的地址，经测试通过上位机对每台设备进行查询命令，均能获得每台设备数据的可靠回传。通过实验室测试，满足测温系统对数据通信可靠性和稳定性的要求。

5 结语

采用MLX90640 新型红外成像传感器测量高压开关柜温度，以STM32F103RCT6 做主控芯片，通过RS485 通信转无线将数据传递给监控中心，设计一套高压开关柜无线红外在线测温系统。该系统体积小、集成度高、精度高、功耗小、成像直观、耐高温、防强磁干扰、工作稳定，适用于高压开关柜中的温度测量。