王蒙蒙
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：針對傳統的有線測溫方法因無法*解決高壓絕緣問題而不能應用于高壓開關柜溫度檢測的問題，設計了一種高壓開關柜無線測溫系統，詳細介紹了該系統硬件及軟件設計，分析了系統測試過程中存在 的問題并給出了相應的化措施。測試結果表明，系統可穩定地運行于工作環境，滿足一次安裝、２ａ內無需維護的要求。
關鍵詞：高壓開關柜；溫度檢測；無線網絡；ZiBee；JN5148；DS18B20
0 引 言
高壓開關柜在運行過程中，柜內觸點與母線連接處、動靜觸頭電路發熱過大，易引發停電和火災事故。因此，高壓開關柜內溫度監測尤其是三相觸點溫度監測非常重要。
高壓設備存在裸露電壓，傳統的有線溫度檢測方法因無法*解決高壓絕緣問題而不能應用。無線測溫系統采用無線電波進行信息傳輸，不需要布線，與高壓設備等電勢，不需要采取絕緣措施。因而無線測溫系統可解決高壓設備測溫難題。本文采用ＡＲＭ 單片機及無線模塊ＪＮ5148構建星形結構的無線傳感網絡，結合溫度傳感器實現高壓開關柜關鍵部位的溫度監測。
1 ZiBee技術
ZiBee 網 絡 有 協 調 器 （Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ）、路 由（Ｒｏｕｔｅｒ）和終端（ＥｎｄＤｅｖｉｃｅ）３ 種功能器件［２］。前２種功能器件具有信息中繼功能，稱為全功能設備（ＦｕｌｌＦｕｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ，ＦＦＤ），而終端只能接收、發送與本身有關的信息，稱 為精簡功能設備 （Ｒｅｄｕｃｅｄ ＦｕｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ，ＲＦＤ）。ZiBee網絡中協調器有且只有１個。ZiBee網絡結構有星形、網 狀、樹 狀 ３種，如圖１所示。其中星形結構具有便于集中控制、易維護、安全等點，因此本文采用星形網絡結構。
2 系統總體設計
高壓開關柜無線測溫系統由測溫節點、中心節點、上位機３個部分組成，如圖２所示。三相觸點、母線連接處的溫度是監測重點，每個開關柜內三相觸點、３個母線連接處共６個位置各安裝１個測溫節點。三相觸點處測溫節點置于靜觸頭上，母線連接處測溫節點置于導電臂上，測溫節點均用高壓絕緣膠布綁扎固定。測溫節點傳感器與測溫部位間涂抹導熱硅脂以保證熱量的充分傳遞。測溫節點在ZiBee網絡中為終端節點。各開關柜內還放置１個中心節點，該節點一方面作為ZiBee協調器建立網絡、收集數據，另一方面作為 Ｍｏｄｂｕｓ從站響應來自上位機的請求幀，并在現場實時顯示監測數據。各開關柜內的６個測溫節點和１個中心節點組成一個ZiBee星形網絡，不同開關柜內的ZiBee網絡有不同的網絡標號，各自之間不存在信號串擾問題。
測溫節點在檢測溫度的同時，利用無線模塊內自帶的電壓檢測功能對節點供電電壓進行檢測，與溫度值一同發送。上位機將接收到的溫度、電壓數據進行處理及存儲，并提供查詢功能，同時在溫度值超過預警值或電壓值低于閾值時發出警報。
3 系統硬件設計
3.1測溫節點
測溫節點是高壓開關柜無線測溫系統的基本裝置，負責采集和發送溫度值、電壓值。它由 ＳＯＣ 芯片ＪＮ５１４８、單總線數字溫度傳感器 ＤＳ１８Ｂ２０ 和電源模塊組成，如圖３所示。
圖３ 測溫節點組成
ＪＮ５１４８是由Ｊｅｎｎｉｃ公司生產的三代超低功耗、高 性 能 無 線 模 塊。ＪＮ５１４８ 可 支 持 新 的ZiBee協議———ZiBeePRO，休眠電流為２．６μＡ，通信距離（可視）可達１ｋｍ，發送電流為１５ ｍＡ，接收電流為 １７．５ ｍＡ，工 作電壓為 ２．３～３．６ Ｖ。３２位ＲＩＳＣ ＭＣＵ 保證了ＪＮ５１４８強大的處理能力。該系統中應用的ＪＮ５１４８模塊自帶陶瓷天線，免去了復雜的射頻設計環節和高成本的開發測試過程。
ＤＳ１８Ｂ２０為 Ｄａｌｌａｓ公司生產的單總線數字溫度傳感器，采用外接電源的方法供電，溫度測量范圍為－５５～＋１２５ ℃，測量精度為0.5℃，可滿足系統測溫要求。
電源模塊采用鋰電池直接供電方式。單節鋰電池額定電壓為3.6Ｖ，容量達２４００ ｍＡ·ｈ。
3.２中心節點
中心節點結構如圖４所示。
中心節點負責接收測溫節點傳來的信息并上傳信息給上位機，同時將信息顯示在放置于開關柜柜門上的液晶屏上，以供現場察看。為調整監測、通信參數，中心節點還接有鍵盤作為輸入設備。中心節點工作量大、占用管腳數多，用ＪＮ５１４８ 作為核心控制器存在程序不易設計、管腳數量少的缺點，故選用ＡＲＭ 系列 ＬＰＣ２１３２作為中心節點ＭＣＵ，ＪＮ５１４８僅作為無線傳輸單元，與ＬＰＣ２１３２之間通過串口通信。由于中心節點需要長期不間斷工作，因此，電源采用電網交流供電。
4 系統軟件設計
ＪＮ５１４８應用ZiBeePRO協議棧，運行在實時操作系統ＪｅｎＯＳ 上。ＪｅｎＯＳ 是由Ｊｅｎｎｉｃ公司開發的專門應用于無線傳感器網絡的操作系統。ＪｅｎＯＳ在調度不同先級的實時任務時具備及時性和靈活性。ＪＮ５１４８的集成開發環 境為ＣｏｄｅＢｌｏｃｋｓ，該軟件是Ｊｅｎｎｉｃ公司提供的代碼編輯和編譯環境，可在Ｊｅｎｎｉｃ*上免費下載，從而降低了開發成本。
4.1測溫節點軟件
測溫節點上電后先對硬件進行初始化，然后搜索ZiBee網絡，如存在則加入網絡，加入網絡后即開始進行數據采集、發送等任務。當沒有數據采集、發送等任務時，測溫節點則進入睡眠模式。ＪＮ５１４８有工作、睡眠、深度睡眠３ 種功耗模式，因深度睡眠模式只能通過端口中斷觸發喚醒，本設計采用睡眠功耗模式，即由實時時鐘喚醒。為更及時地發現溫度異常情況，測溫節點采用動態睡眠機制，即在溫度 正常時睡眠時間為設定的基準值，當溫度升高時睡眠 時間將在基準值的基礎上減小，溫度越高睡眠時間越 短，溫度回到正常范圍后睡眠周期變為設定基準值。睡眠基準值范圍為３～６００ｓ。相對于溫度變化，電池電壓的變化較緩慢，故本設計中電壓檢測周期比溫度檢測周期大。圖５為測溫節點軟件程序流程。
4.2中心節點的ＪＮ５１４８模塊軟件
中心節點的ＪＮ５１４８模塊在ZiBee網絡中作為協調器，上電后先對硬件初始化，然后搜索信道，在 未使用的信道上建立網絡，建網成功后即等待終端 加入網絡并發送數據，接收到數據后通過串口將數據傳給 ＬＰＣ２１３２。上位機與ＬＰＣ２１３２ 之間通過ＲＳ４８５現場總線連接，采用Ｍｏｄｂｕｓ協議傳輸信息。上位機作為 Ｍｏｄｂｕｓ主機，各開關柜內的 ＬＰＣ２１３２作為 Ｍｏｄｂｕｓ從機。圖６為中心節點的ＪＮ５１４８模塊軟件程序流程。
4.3上位機軟件
上位機管理軟件采用面向對象的 ＶＢ６．０開發。上位機將接收到的溫度、電壓值及對應節點的ＩＤ按時間線存儲，經過處理后，用戶可通過該管理軟件查看任意節點在任意時刻的溫度值、電壓值及其變化趨勢圖。另外，該軟件可在溫度值超過預警值或電壓值低于閾值時發出報警信號，用戶根據節點的ＩＤ即可找到有異常情況的開關柜。
5 系統測試與化
為驗證高壓開關柜測溫系統的可行性，筆者對該系統進行了測試。測試過程中發現如下問題：(1)高壓開關柜內電磁環境復雜，易對節點尤其是測溫節點正常工作產生影響。(2)高壓開關柜內存在高壓且允許隨意中斷工作，致使測溫節點后期維護不便。
針對以上問題，筆者采取以下措施：(1)軟件、硬件抗干擾措施。軟件方面，應用數字編碼、解碼技 術剔除干擾信號，并 加入軟件濾波技術，同 時對ＤＳ１８Ｂ２０轉換溫度取３ 次平均值以消除隨機干擾；硬件方面，ＪＮ５１４８ 本身具有金屬屏蔽罩，同時加強各級濾波能力以消除高頻干擾。(2)軟件設計時增加自動重新加入網絡功能，保證在中心節點因某種原因重啟后，測溫節點能自動重新加入網絡，無需人工干預。
為計算測溫節點鋰電池的供電時間，筆者在模擬開關柜環境下，用 ＴｅｋＤＰＯ４０５４數字示波器電流探頭對測溫節點的工作電流進行采樣，電流曲線如圖７所示。
計算測溫節點鋰電池供電時間的難點在于溫度轉換時間、溫度轉換時工作電流及發射時間的獲取。如圖７所示，在 Ｔ０ 時刻測溫節點從睡眠狀態被喚醒，Ｔ１ 時刻３次溫度值轉換結束并發送數據，Ｔ２ 時刻數據發送完畢，測 溫節點重新進入睡眠狀態。ＪＮ５１４８ 模 塊 睡 眠 電 流 為 ２．６ μＡ，發 射 電 流 為 １５ ｍＡ，溫度轉換時間 Ｔ１ －Ｔ０、發射時間 Ｔ２ －Ｔ１分別為１５００ ｍｓ、１０ ｍｓ，溫度轉換時的工作電流Ｉ為１１ ｍＡ。以常規的測溫周期為５ ｍｉｎ 為例，得到鋰電池供電時間為
可得鋰電池的理論供電時間約為４．７ａ。然而實際環境中鋰電池存在自放電問題，且電量不可能全部放盡，壽命無法達到４．７ａ，因此本設計中將運行年限設定為２ａ。
系統經測試與化后，可穩定地運行于工作環境，而對測溫節點鋰電池供電時間的驗證，表明系統滿足一次安裝、無需維護的要求。
6 安科瑞無線測溫系統介紹與選型
安科瑞無線測溫監控系統是根據當前無線測溫系統的要求，在廣泛征求用戶和專家意見的基礎上,充分吸收當前內外廠家的成功案例，并結合安科瑞多年來的豐富經驗，采用面向對象的分層分布式設計思想，結合自動化技術、計算機技術、網絡技術、通信技術而設計的一款專業的無線測溫軟件。
6.1 Acrel-2000T無線測溫系統結構
Acrel-2000T無線測溫監控系統通過RS485總線或以太網與間隔層的設備直接進行通信（如圖8），系統設計遵循標準Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規約，安全性、可靠性和開放性都得到了很大地提高。
Acrel-2000T無線測溫監控系統具有遙信、遙測、遙控、遙調、遙設、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能。可以監控無線測溫系統的設備運行狀況，實現快速報警響應，預防嚴重故障發生。
Acrel-2000T無線測溫監控系統主要特點是開放式系統結構，硬件兼容性強，軟件移植性好，應用功能豐富。該系統具有強大的處理能力，快速的事件響應，友好的人機界面，方便的擴充手段。其軟件系統的設計依據軟件工程的設計規范,模塊劃分合理，接口簡捷明了，主要包括主控模塊、人機界面、圖形組態、數據庫管理系統、通信管理等幾大模塊。
6.2 Acrel-2000T無線測溫系統功能
■實時監測
Acrel-2000T無線測溫監控軟件人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節點的溫度數據及有關故障、告警等信息。
■溫度查詢
溫度歷史曲線（1分鐘、5分鐘、60分鐘可選）
■運行報表
查詢各回路設備運行溫度報表
■實時報警
壁掛式無線測溫監控設備具有實時報警功能，設備能夠對溫度越限等事件發出告警。
■設備提供以下凡種告式：
a.彈岀事件報驚窗口.
b.實時語音報警功能，能夠對所有事件發出語音告警.
C.短信吿警，可以向發送吿警信息短信（需選配）.
■歷史告警査詢
Acrel-2000T無線測溫監控系統能夠對所有吿警事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統和告警等事件進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。
■用戶權限管理
Acrel-2000T無線測溫監控系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶權限管理功能。
通過用戶權限管理能夠防止未經的操作（如數據庫修改等）。可以定義不同級別用戶的 登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
■定值設置
用于修改高溫定值、超溫定值。
■WEB（可選）
展示頁面顯示變電站數量、變壓器數量、監測點位數量等概況信息， 設備溫度、通信狀態，用電分析和事件記錄。頁顯示場站的變壓器數量、回路個數、有功功率、無功功率、用電量、事件記錄等概況信息，可通過實時監控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。
實時數據曲線可監測各個回路的測點溫度、電壓、電流、功率曲線信息。
接線圖頁面通過一次圖實時反映電氣參數變化，包括測量量、信號量等信息（信號量 需要斷路器提供輔助觸點支持）。
能耗統計頁面顯示各回路的功率峰值和用電量峰值，功率、電能趨勢曲線，電能環比，用電。
運維管理\通信狀態顯示監測接入系統設備的通信狀態。
■APP（可選）
設備數據員面顯示各設備的電參量數據、溫 度數據以及曲線。
6.3 安科瑞ARTM系列無線測溫終端產品選型
安科瑞電氣接點無線測溫方案由無線溫度傳感器、收發器、顯示單元組成。溫度傳感器直接安裝于斷路器動觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發熱接點，將測溫數據通過無線射頻技術傳至接收裝置，再由接收器485通訊至測溫終端或無線測溫系統（如圖9）。
6.3.1 安科瑞無線溫度傳感器
無線溫度傳感器共有5種，分別對應螺栓固定、表帶固定、扎帶捆綁、合金片固定等安裝方式。針對不同的變電站要求，可根據傳感器供電方式以及安裝位置的不同，考慮安裝方便的因素，選擇相匹配的傳感器。
物料名稱 | 型號 | 參數說明 |
電池型無線測溫傳感器 |
ATE100 | 電池供電，壽命≥5年；-40℃~+125℃； 2.4GHz，空曠距離10米； 102.37*47.93*23mm，φ13.5mm(長*寬*高，孔徑)。 |
ATE200 | 電池供電，壽命≥5年；-40℃~+125℃； 2.4GHz，空曠距離10米； 44.17*30*18.5mm，L=325.40mm(長*寬*高，三色表帶)。 | |
ATE300B | 電池供電，壽命≥5年；-10℃~+125℃； 470MHz，空曠距離150米； 49.95*35.95*22mm(長*寬*高)。 | |
CT取電型無線測溫傳感器 |
ATE300 | CT感應取電，啟動電流≥5A；-10℃~+125℃； 470MHz，空曠距離150米； 扎帶固定，合金片取電；73*33.5*16mm(長*寬*高)。 |
ATE400 | CT感應取電，啟動電流≥5A；-50℃~125℃； 433MHz，空曠距離150米； 合金片固定、取電；三色外殼；25.82*20.42*12.8mm(長*寬*高)。 |
6.3.2 安科瑞無線收發器
無線測溫收發器共有3種，通過無線射頻方式接收溫度數據。收發器根據不同的傳感器型號進行匹配，同時傳感器的傳輸距離決定接收裝置能否多柜接收。
物料名稱 | 型號 | 參數說明 |
無線收發器 | ATC200 | 可接收12個ATE100/200 |
ATC400 | 可接收240個ATE300/ATE300B | |
ATC450-C | 可接收240個ATE400 |
6.3.3 安科瑞顯示終端
顯示裝置通過RS485連接收發器，可嵌入式安裝于柜體上，若柜體開孔不便，也可選擇壁掛式安裝于配電室內。方便操作人員現場及時查看電氣節點實時溫度的同時，也可以通過RS485或以太網通訊的方式在后臺系統查看現場情況。
物料名稱 | 型號 | 參數說明 |
顯示終端 | ARTM-Pn | 面框96*96*17mm，深度65mm；開孔92*92mm； AC85-265V或DC100-300V供電； 一路上行RS485接口，Modbus協議； 接收多達60個ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。 |
顯示終端 | ASD320 ASD300 | 面框237.5*177.5*15.3mm，深度67mm；開孔220*165mm； AC85-265V或DC100-300V供電； 一路上行RS485接口，Modbus協議； 接收多達12個ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。 |
顯示終端 | ATP007 ATP010 | 面框226.5*163*6mm，深度70mm；開孔215*152mm； DC24V供電；一路上行RS485接口；一路下行RS485接口； 接收20個ATC200/1個ATC400/1個ATC450-C。 |
無線測溫集中集中采集設備 | Acrel-2000T/A | 壁掛式安裝 標配一路485接口、一路以太網口 自帶蜂鳴器告警 柜體尺寸480*420*200 （單位mm） |
無線測溫監控設備 | Acrel-2000T/B | 硬件：內存4G，硬盤128G，以太網口 顯示器：12寸，分辨率800*600 操作系統：Windows7 數據庫系統：Microsoft SQL Server 2008 R2 可選Web平臺/APP服務器 柜體尺寸為480*420*200（單位mm) |
7 結語
高壓開關柜無線測溫系統采用片上系統高性能、低功耗無線微控制器ＪＮ５１４８ 與數字溫度傳感器 ＤＳ１８Ｂ２０為基本元件組建ZiBee無線系統，避免了復雜的現場布線過程，解決了高壓開關柜不易絕緣的問題。該系統通過現場總線與上位機通信，實現了高壓開關柜的遠程實時溫度監測。
【參考文獻】
[1] 王福凱，蘭西柱，董瑞琦，李海洪，趙殷瑤．高壓開關柜無線測溫系統設計［Ｊ］.工礦自動化，2012(7)：108-112．
[2] 孫科，肖賓杰．ZigBee技術在測溫系統中的應用［Ｊ］．測控技術，2008（１）：36-38.
[3] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2019.11版.
作者簡介：王蒙蒙，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事無線測溫系統的研發與應用。
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