浅谈无线测温系统在高压开关柜中的设计与应用选型

时间：2020-11-20

朱鹍

安科瑞电气股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：针对传统的有线测温方法因无法彻底解决高压绝缘问题而不能应用于高压开关柜温度检测的问题，设计了一种高压开关柜无线测温系统，详细介绍了该系统硬件及软件设计，分析了系统测试过程中存在的问题并给出了相应的优化措施。测试结果表明，系统可稳定地运行于工作环境，满足一次安装、２ａ内维护的要求。

关键词：高压开关柜；温度检测；无线网络；ZiBee；JN5148；DS18B20

0 引言

高压开关柜在运行过程中，柜内触点与母线连接处、动静触头电路发热过大，易引发停电和火灾事故。因此，高压开关柜内温度监测尤其是三相触点温度监测非常重要。

高压设备存在裸露电压，传统的有线温度检测方法因无法彻底解决高压绝缘问题而不能应用。无线测温系统采用无线电波进行信息传输，不需要布线，与高压设备等电势，不需要采取绝缘措施。因而无线测温系统可解决高压设备测温难题。本文采用ＡＲＭ单片机及无线模块ＪＮ5148构建星形结构的无线传感网络，结合温度传感器实现高压开关柜关键部位的温度监测。

1 ZiBee技术

ZiBee 网络有协调器（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ）、路由（Ｒｏｕｔｅｒ）和终端（ＥｎｄＤｅｖｉｃｅ）３种功能器件［２］。前２种功能器件具有信息中继功能，称为全功能设备（ＦｕｌｌＦｕｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ，ＦＦＤ），而终端只能接收、发送与本身有关的信息，称为精简功能设备（ＲｅｄｕｃｅｄＦｕｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ，ＲＦＤ）。ZiBee网络中协调器有且只有１个。ZiBee网络结构有星形、网状、树状３种，如图１所示。其中星形结构具有便于集中控制、易维护、安全等优点，因此本文采用星形网络结构。

2 系统总体设计

高压开关柜无线测温系统由测温节点、中心节点、上位机３个部分组成，如图２所示。三相触点、母线连接处的温度是监测，每个开关柜内三相触点、３个母线连接处共６个位置各安装１个测温节点。三相触点处测温节点置于静触头上，母线连接处测温节点置于导电臂上，测温节点均用高压绝缘胶布绑扎固定。测温节点传感器与测温部位间涂抹导热硅脂以热量的充分传递。测温节点在ZiBee网络中为终端节点。各开关柜内还放置１个中心节点，该节点一方面作为ZiBee协调器建立网络、收集数据，另一方面作为Ｍｏｄｂｕｓ从站响应来自上位机的请求帧，并在现场实时显示监测数据。各开关柜内的６个测温节点和１个中心节点组成一个ZiBee星形网络，不同开关柜内的ZiBee网络有不同的网络标号，各自之间不存在信号串扰问题。

测温节点在检测温度的同时，利用无线模块内自带的电压检测功能对节点供电电压进行检测，与温度值一同发送。上位机将接收到的温度、电压数据进行处理及存储，并提供查询功能，同时在温度值过预警值或电压值阈值时发出警报。

3 系统硬件设计

3.1测温节点

测温节点是高压开关柜无线测温系统的基本装置，负责采集和发送温度值、电压值。它由ＳＯＣ芯片ＪＮ５１４８、单总线数字温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０和电源模块组成，如图３所示。

图３测温节点组成

ＪＮ５１４８是由Ｊｅｎｎｉｃ公司生产的三代低功耗、高性能无线模块。ＪＮ５１４８可支持新的ZiBee协议———ZiBeePRO，休眠电流为２．６μＡ，通信距离（可视）可达１ｋｍ，发送电流为１５ｍＡ，接收电流为１７．５ｍＡ，工作电压为２．３～３．６Ｖ。３２位ＲＩＳＣＭＣＵ了ＪＮ５１４８强大的处理能力。该系统中应用的ＪＮ５１４８模块自带陶瓷天线，免去了复杂的射频设计环节和高成本的开发测试过程。

ＤＳ１８Ｂ２０为Ｄａｌｌａｓ公司生产的单总线数字温度传感器，采用外接电源的方法供电，温度测量范围为－５５～＋１２５ ℃，测量精度为0.5℃，可满足系统测温要求。

电源模块采用锂电池直接供电方式。单节锂电池额定电压为3.6Ｖ，容量达２４００ｍＡ·ｈ。

3.２中心节点

中心节点结构如图４所示。

中心节点负责接收测温节点传来的信息并上传信息给上位机，同时将信息显示在放置于开关柜柜门上的液晶屏上，以供现场察看。为调整监测、通信参数，中心节点还接有键盘作为输入设备。中心节点工作量大、占用管脚数多，用ＪＮ５１４８作为核心控制器存在程序不易设计、管脚数量少的缺点，故选用ＡＲＭ系列ＬＰＣ２１３２作为中心节点ＭＣＵ，ＪＮ５１４８仅作为无线传输单元，与ＬＰＣ２１３２之间通过串口通信。由于中心节点需要长期不间断工作，因此，电源采用电网交流供电。

4 系统软件设计

ＪＮ５１４８应用ZiBeePRO协议栈，运行在实时操作系统ＪｅｎＯＳ上。ＪｅｎＯＳ是由Ｊｅｎｎｉｃ公司开发的专门应用于无线传感器网络的操作系统。ＪｅｎＯＳ在调度不同**级的实时任务时具备及时性和灵活性。ＪＮ５１４８的集成开发环境为ＣｏｄｅＢｌｏｃｋｓ，该软件是Ｊｅｎｎｉｃ公司提供的代码编辑和编译环境，可在Ｊｅｎｎｉｃ官方网站上免费下载，从而降低了开发成本。

4.1测温节点软件

测温节点上电后先对硬件进行初始化，然后搜索ZiBee网络，如存在则加入网络，加入网络后即开始进行数据采集、发送等任务。当没有数据采集、发送等任务时，测温节点则进入睡眠模式。ＪＮ５１４８有工作、睡眠、深度睡眠３种功耗模式，因深度睡眠模式只能通过端口中断触发唤醒，本设计采用睡眠功耗模式，即由实时时钟唤醒。为及时地发现温度异常情况，测温节点采用动态睡眠机制，即在温度正常时睡眠时间为设定的基准值，当温度升高时睡眠时间将在基准值的基础上减小，温度越高睡眠时间越短，温度回到正常范围后睡眠周期变为设定基准值。睡眠基准值范围为３～６００ｓ。相对于温度变化，电池电压的变化较缓慢，故本设计中电压检测周期比温度检测周期大。图５为测温节点软件程序流程。

4.2中心节点的ＪＮ５１４８模块软件

中心节点的ＪＮ５１４８模块在ZiBee网络中作为协调器，上电后先对硬件初始化，然后搜索信道，在未使用的信道上建立网络，建网成功后即等待终端加入网络并发送数据，接收到数据后通过串口将数据传给ＬＰＣ２１３２。上位机与ＬＰＣ２１３２之间通过ＲＳ４８５现场总线连接，采用Ｍｏｄｂｕｓ协议传输信息。上位机作为Ｍｏｄｂｕｓ主机，各开关柜内的ＬＰＣ２１３２作为Ｍｏｄｂｕｓ从机。图６为中心节点的ＪＮ５１４８模块软件程序流程。

4.3上位机软件

上位机管理软件采用面向对象的ＶＢ６．０开发。上位机将接收到的温度、电压值及对应节点的ＩＤ按时间线存储，经过处理后，用户可通过该管理软件查看任意节点在任意时刻的温度值、电压值及其变化趋势图。另外，该软件可在温度值过预警值或电压值阈值时发出报警信号，用户根据节点的ＩＤ即可找到有异常情况的开关柜。

【参考文献】

[1] 王福凯，兰西柱，董瑞琦，李海洪，赵殷瑶．高压开关柜无线测温系统设计［Ｊ］.工矿自动化，2012(7)：108-112．

[2] 孙科，肖宾杰．ZigBee技术在测温系统中的应用［Ｊ］．测控技术，2008（１）：36-38.

[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版.

作者简介：朱鹍，女，就职于安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能电网供配电

15000353138

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