低压合金电缆运行状态在线监测系统设计

林文键 蔡晓榆 郭谋发 杨耿杰 梁佳昌

(1.福建省石狮电力有限责任公司，福建 泉州 362700；2.福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108)

随着城乡用电负荷的增加，低压配电网使用的铜心电缆需求量增大，而近几年铜资源紧缺，其价格也持续上升，减少电缆成本、降低线路损耗、提高性价比已成为选择低压电缆的重要因素。铝合金电缆用于负荷传输和配送，提供了良好的强度和传导率，可在满足电气性能的前提下大大降低成本。加铝 Stabiloy 0.6/1kV铝合金电缆在低压配电网中逐步得到推广和应用，在相同载流量下其重量仅为铜电缆的一半，其截面积为铜电缆的 1.5倍时两者电气性能一样，同时可相应地降低安装成本、减少设备和电缆的磨损；其次Stabiloy导体制造的电气连接与铜导体制造的连接具有一样的稳定性；其导体的合金成份大大改进了连接性能，尤其具有高强度抗蠕变性能，即使在长时间过载和过热时也能保证连接稳定性[1-2]。

Stabiloy 0.6/1kV合金电缆刚进入市场不久，其在低压配电网中的适应性应进一步研究，为验证其导电能力、连接性能等情况，需对敷设于空气中合金电缆的运行电压、电流和接头处温度进行在线监测，并与传统铜电缆做综合比较，进而为低压配电网电缆选型提供技术参考。电缆接头的不良连接会造成接触电阻过大，长期运行会因发热过量而使绝缘逐步老化甚至烧穿，是最易发生的故障点[3]，因此，对合金电缆接头温度不间断地监测和统计分析可有效验证其连接性能，并结合电参数等数据可全面了解其运行状况。常用的温度监测方法有：红外测温、光纤测温、无线测温等。红外测温法为非接触式测量方法，存在精度低、响应慢等缺点，且电缆敷设环境对测量准确度有较大影响[4]。光纤测温为接触式测温，灵敏度好、响应快，但光纤系统的测量主机成本高、且需要布线，同样易积尘的环境会影响光纤的绝缘性能[5]。无线测温不受环境影响、灵活性强，适合于测量点多、集中性差的电缆接头温度测量。系统采用简单、低成本的无线通信手段将电缆测量点温度及相关运行参数上传至供电所的监测计算机，实现合金电缆运行状态的在线监测，可减少监测设备的维护，无需长期安排巡视检查人员。

1 系统结构

结合实际情况，Stabiloy合金电缆在所选试点的公用变低压侧到综合配电箱之间安装，系统由无线测温终端、电参数测量模块，环境温湿度监测模块、通信管理模块，以及监测计算机等构成，其结构图如图1所示。测温终端与通信管理模块之间采用基于 ZigBee协议栈的无线传感网络通信[6-7]，为2.4GHz Mesh网络，该网络容量大具有自组织、自愈能力强、网络失效自恢复等特点；通信管理模块与监测计算机间采用 GPRS网络通信[8]，其核心是带有通信接口的MCU和GRPS模块，其中电缆运行的电压、电流等电参数和环境温湿度数据由通信管理终端获取，电参数测量模块选择安装在综合配电箱处。综合考虑合金电缆在所选试点的敷设位置，温度传感器可选择安装在铜与合金间的电气接头处，也可监测合金导线之间的连接点，通信管理模块最多可接收9个测温终端的温度数据，分3个位置点监测3相电缆接头温度。

图1 系统构成图

2 硬件设计

2.1 无线测温终端设计

合金电缆安装于低压用户侧，其运行的环境均未提供低压工作电源，考虑测温终端应对电缆接头温度长期监测以及安装的方便性，宜选用电池供电方式。测温终端硬件结构如图2所示，由CPU、测温元件、供电电源、无线通信模块等组成。以低功耗单片机PIC16F690为CPU，该CPU带1个UART接口和具有掉电保持功能的256字节EEPROM存储器，该存储器用于保存测温终端的惟一地址编号。测温元件的选取要求应能将温度检测、转换和处理集成于一体，TI公司带 SMBus接口的低耗电数字测温元件TMP102采用I2C总线方式与CPU连接，可测温度范围-40～125℃，全量程测温误差为±1℃，在-25～+85℃范围内测温误差为±0.5℃，分辨率为0.0625℃。其正常工作模式下的最大静态电流为10μA，关机模式下则为1μA，工作电压范围宽，可选1.4～3.6V。终端的工作电源由两节1000mAh锂电池供应，受电池容量限制，应在设计过程中充分考虑低功耗设计，尽可能确保电池的使用寿命[9-10]。ZigBee无线通信模块选用Digi公司的XBee ZB模块，该模块具有基于Mesh网的固件XB24-B、功能强大、性能稳定等优点，其工作电压范围为 2.1～3.6V，并可支持引脚休眠、定时休眠，其休眠电流小于1μA。XBee ZB模块发送数据时功耗为1.25mW（+1dBm），传输距离可达100m。该模块通过UART接口与CPU通信，数据通过无线通信模块的输入、输出引脚以异步串行信号传输。

图2 测温终端结构图

无线测温终端的组装采用黄绿红3色高压绝缘热缩套管恢复绝缘，测温元件TMP102用环氧树脂整体封装于紫铜管中构成测温探头，通过耐高温导线与终端主电路板相连[11]。测温探头紧贴电缆接头，可降低由空气或外界对流引起的散热，同时应对测温终端进行固定，防止由于电缆热膨胀引起测温终端与电缆脱离。

2.2 通信管理模块设计

通信管理模块负责接收所选试点的电缆接头温度数据、获取电缆运行电参数、监测环境温湿度及数据集中后上传至监测计算机，要求应具有多个通信接口，可采用的方案有 MCU扩展串口模块或使用多串口 MCU模块。综合考虑了开发周期、成本及稳定性等因素，选用Rabbit公司的高性能微处理器—RCM 6760，该模块的主要硬件资源有：6个（可配置）高速CMOS兼容的串口，1个以太网口、1MB程序 FLASH、4MB串行数据 FLASH，1MB快速SRAM，32个 GPIO，看门狗等，与外围电路的接口采用 M iniPCI。通信管理模块硬件结构如图 3所示，RCM 6760的3个UART通过芯片MAX1487及光耦PC817提供3路带隔离的RS485通信接口，1路同电参数测量模块通信，1路同环境温湿度监测模块通信，1路作预留。

图3 通信管理模块硬件结构图

图3中与UART3连接的XBee Pro ZB为通信管理模块的无线通信接口，考虑到电缆的敷设距离选用了增强型无线通信模块XBee Pro ZB，该通信模块功耗为60MW(+18 dBm)，传输距离可达500m，通过UART接口接收所选试点的多个测温终端温度数据，其参数设置同XBee ZB模块。与UART4连接的 ME3000 GPRS为 GPRS模块，该模块与RCM 6760通信采用双线模式，由 CPU的数字 I/O口线通过三级管放大驱动 GPRS模块复位、启动/关闭，其通信波特率可达115200bit/s,外围电路主要包括 GPRS模块供电与 SIM 卡。需要注意的是，GPRS模块在工作时需要较大电流，为保证供电电流的稳定应使用专用供电芯片，如 M IC29302等，另外电路板的设计应考虑抗干扰等问题。

图3中未画出的1个UART口通过SP3232芯片实现RS232电平转换，作为程序下载及调试接口，以太网接口可作预留，同时还扩展了2路带隔离的开关量输出，用于电缆接头温度越限告警。

2.3 电参数及温湿度模块设计

电参数测量模块采用宁波三星电表，具体参数为：3×220/380V，三相四线，3×1.5(6)A，DTS(X)188(B)，精度：有功1级、无功2级，带RS485通信接口，其通信协议采用DL/T 645-1997。

环境温湿度的监测可采取将温湿度传感器直接与通信管理模块的CPU连接，由RCM 6760一并完成传感器温湿度数据的采集。考虑到通信管理模块已在设计上预留了多个通信接口，环境温湿度监测模块应独立设计。选择使用Microchip公司的16位单片机PIC24FJ64GA002作为CPU，该CPU带有两个UART接口，1个作为通信接口，1个作预留。传感器选择瑞士Sensirion公司生产的集温湿度传感器、放大电路、A/D转换电路及存储器于一体的数字传感器芯片SHT11[12]，该芯片为二线数字接口，完全数字量输出、无需微调，与CPU直接连接，外围电路简单，具有体积小、运行稳定性好等特点，其温度可测范围为-40～120℃，温度测量精度为±0.4℃，湿度可测范围为 0～100%，湿度测量精度为±0.3%。CPU的 1个 UART通过芯片 MAX1487及光耦PC817提供带隔离RS485接口，能方便与通信管理模块连接，485通信线加电源线可将温湿度监测模块外引，便于选择适当的监测点。

3 软件设计

3.1 无线通信模块的软件配置

ZigBee无线网络由协调器、路由器和终端3种通信节点组成，通信管理模块与各测温终端的数据传输根据电缆的敷设距离可决定是否启用路由器，该网络应用于多试点多测量点的电缆头温度监测可相应地降低硬件成本，同时该协议使用方便，其复杂度低。通过Digi公司的配置软件将通信管理模块的XBee Pro ZB设置为协调器，测温终端的XBee ZB模块设置为终端节点，起路由功能的节点使用XBee ZB模块并设置为路由器（可选择不加入网络）。无线通信网络由协调器创建，当选择一个PAN ID和信道后该网络启动并允许其他通信节点加入，已加入的通信节点为子节点，允许子节点加入的通信节点为父节点。利用配置软件对 XBee模块的通信模式及其他参数进行合理配置，主要的参数内容包括：网络、地址、射频RF接口、串行接口、休眠方式、I/O设置等。以下为系统用到的主要参数设置，其中通信模块的数据传输方式均配置为API模式。

1）扫描信道。在创建网络时，协调器首先进行通道的能量扫描，找出不同通道的 RF活动水平，避免协调器在高能量通道区组网，共有16个通道可设置，XBee Pro ZB模块支持其中的14个。同样，路由器和测温终端加入网络时，也要进行同样的通道扫描。信道的扫描时间越久，功耗越大，通过禁掉一些不用的通道可缩短信道扫描时间，降低测温终端的功耗。

2）目标地址。XBee模块在出厂时已固化了一个64位的物理地址，在测温终端成功加入网络后，网络会自动为其分配一个16位的网络地址。

3）串口通信参数。包括：波特率、校验方式、数据流控制等，数据通信波特率设置为9600bit/s，帧格式为8位数据位、无奇偶校验位、1位停止位。

4）休眠模式。测温终端采用电池供电应考虑其通信模块的休眠控制，有4种模式供选择，即不休眠、引脚休眠、定时休眠、定时+引脚休眠。本设计选择引脚休眠，并由CPU控制。

5）I/O口设置。关闭测温终端的XBee ZB模块不用的引脚和复用功能。并通过软件设置使CPU的I/O口状态与XBee ZB模块休眠时I/O口的实际状态相一致，避免不必要的电流流动。

3.2 测温终端软件及温湿度采集

考虑到 Stabiloy合金电缆的工作温度不超过90℃，测温终端软件应结合电缆运行的情况设计合理温度检测及数据发送流程，并进一步考虑低功耗的设计。CPU采取每隔30s采集一次电缆接头温度，正常情况下设置5m in上传一次数据，在满足3种情况的任一条件下数据为即时传输，即当当前值比上次的温度值高 2℃时上传一次数据；或温度超过80℃时立即上传一次当前采样值，后面仍为 5m in上传一次；若温度超过90℃时进入预警状态，并设置为每完成一次温度采集则立即上传。为降低终端的运行功耗，CPU采用指令休眠，看门狗定时 30s唤醒，在满足数据发送条件后通过 I/O引脚唤醒XBee ZB模块，数据发送完成后自动转入休眠模式。低功耗设计还考虑了关闭CPU端口未使用的功能，并将CPU未使用的引脚全部接地并置为输入。测温终端采用发送/无响应方式向通信管理模块主动传送数据，通信帧设计的内容主要包括4个字节的测温终端地址，2个字节的温度数据，以及用于判断通信是否丢帧的1个字节帧计数器。

环境的温度湿度信号由传感器SHT11转换成脉冲信号，通过I2C总线直接输出数字量，并由CPU处理后按照一定的格式打包，CPU采取每3s采集一次温湿度数据，并更新最近采集的10次数据做平均值计算，当收到通信管理模块读数据命令后取更新后的平均值作为应答。传感器的工作时序及采集流程实现较简单，在此不做详述。

3.3 通信管理模块软件

通信管理模块需完成多个通信口数据的组织处理，包括电缆接头温度、电参数等数据的采集、存储和传输，若程序采取按固定的顺序运行，则缺乏灵活性，任一通信数据异常都可能影响程序的执行效率，特别为通信管理模块以等待接收的方式获取电缆接头温度。采用μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统可方便实现多任务编程，各任务相互独立并支持互相通信，可提高软件开发效率[13]。通信管理模块采用Dynam ic C设计，该编译软件已移植好μC/OS-Ⅱ，开发时可减少设计的工作量。基于μC/OS-Ⅱ操作系统的应用设计需进行任务划分和优先级分配，优先级范围为 1～64，数字越小，表示优先级越高，各任务均使用独立的堆栈空间，其堆栈的大小则根据各任务的数据处理量分配。多任务的设计按通信管理模块实现的功能划分，其软件框图如图4所示，各任务之间通过全局变量、信号量等机制通信。

1）与测温终端通信任务。该任务通过 ZigBee无线网络接收9个测量点上传的数据帧，解析后保存测温终端的地址及对应的的温度信息，并更新上一次温度数据，若某一测量点未安装测温终端，则将其地址设置为0xFFFFFFFF。

图4 通信管理模块的软件框图

2）电参数采集任务。获取三星电表的基本数据，包括3相电压、电流、有功功率、无功功率及功率因素，该任务设置每3m in执行一次数据采集。

3）温湿度采集任务。主要实现电缆运行环境的温湿度数据采集，由通信管理模块按照一定的协议帧格式下发读数据命令，同样为每3m in完成一次。

4）GPRS通信任务。负责与监测计算机通信，接受监测计算机的命令帧，如温度召测、地址召测、地址设置、温度越限设置、对时设置等。正常情况下，该任务采取15m in上传一次所有电缆接头温度数据、电参数数据及环境温湿度数据。

5）数据解析任务。主要完成与监测计算机通信的数据帧解析，其操作对象为各通信口的接收缓冲区，4个通信口分别设置4个接收缓冲区，当通信口有数据到达时设置对应的全局标志位，数据解析任务则轮询各标志位状态，一旦发现某个缓冲区有数据待处理则立即将数据按照一定的通信帧格式构造数据帧，然后清此标志位。已构造数据帧供GPRS通信任务调用。

6）动作开出任务。该任务根据判断测量点的温度分合闸开关量信号，作为温度的越限报警。

7）定时任务。为其他通信任务执行数据采集或传输提供准确的时间间隔。

8）运行状态信号灯指示任务。

GRRS模块提供了 AT指令接口，可方便与RCM 6760进行通信，该通信模块上电后以接收短信的方式获取监测计算机的IP地址。当通信链路建立后，GPRS传输采用打包定时传输和越限即时传输模式，考虑到15m in上传一次数据的时间间隔较长，采取以每隔3m in的心跳包维护通信链路。通信管理模块与监测计算机间的通信帧格式见表 1，其中数据均以4个字节的单精度浮点数格式传输，数据单元标识则用于区分通信帧类型。

表1 通信帧格式

4 监测计算机软件

根据集中监测的原则和设计思路，将数据采集、保存、分析、越限报警和数据显示查询等功能集中于监测计算机软件。软件可分为4个部分：通信服务、数据分析处理、数据库及实时曲线显示。通信服务模块以TCP连接多个测试点的通信管理模块，监测计算机作为通信链路的服务端，采用window s Sockets非阻塞编程模式实现各试点的通信管理模块数据的集中，并经协议解析、标度变换后将合金电缆头温度及相关运行信息写入数据库。数据分析处理模块主要实现系统的数据查询及温度越限报警等。数据库还用于保存系统的参数配置，主要含有5个表：所选试点信息表、通信管理模块信息表、测温终端信息表、合金电缆信息表以及实时信息表。实时信息表包括各个测量位置同一时间点的温度值、电参数等数据。

合金电缆运行状态在线监测主要为温度负荷曲线实时显示，并提供灵活的历史数据查询及报表生成等功能，具体包括：各测量点的电缆接头温度曲线、实际负荷电流曲线、线路电压曲线以及实际环境温度下的载流量曲线等。合金电缆的运行环境温度是制约其载流量的一个因素，其选型根据标准环境温度选择，载流量曲线根据电缆运行的实际环境温度对长期允许载流量进行修正，并由导体发热理论推导出的式(1)计算。

式中，θc为电缆导体长期运行工作温度，Stabiloy 0.6/1kV铝合金电缆的工作温度最高的θc值为90℃；θstd和Istd表示为环境温度在θstd时的允许载流量Istd；θr和Ir表示为实测环境温度在θr时的允许载流量Ir。

5 结论

所设计系统可实时监测低压合金电缆的运行情况，采用了具有自组织、自愈能力的ZigBee无线网络及GPRS通信网络，免于接线同时保证了通信的稳定性；测温终端的软硬件设计采取多种措施降低电池供电的整体功耗；通信管理模块采用基于μC/OS-Ⅱ的操作系统设计，便于程序功能的扩展。所述方案已在福建某沿海地区选定的几个临海村镇试点运行，对在公用变低压出线端至综合配电箱进线端的合金电缆运行状态实时监测，该系统提供了直观的温度负荷曲线实时显示等功能，具有低成本、使用方便、测温精度高、温度越限上报准确等优点。

[1]葛福余,刘欣欣.0.6～1kV Stabiloy～(TM)合金电缆与铜电缆的比较[J].电气应用,2009,28(8):26-29.

[2]袁松林.加铝 STABILOY建筑电缆的应用[J].浙江建筑, 2010,27(12):60-62.

[3]王新超,潘贞存.电力电缆接头故障的预警监测系统[J]. 电力自动化设备,2001,21(5):25-28.

[4]王运生.红外技术诊断电缆头过热缺陷[J].高电压技术, 2004,30(6):105-106.

[5]李强,王艳松,刘学民.光纤温度传感器在电力系统中的应用现状综述[J].电力系统保护与控制,2010,38(1):135-140.

[6]韩蓓,盛戈暤,江秀臣,等.基于ZigBee无线传感网络的导线接头在线测温系统[J].电力系统自动化,2008,32(16):72-77.

[7]杨耿杰,高伟,郭谋发.基于嵌入式ZigBee模块的高压设备温度监测系统[J].福州大学学报(自然科学版),2009, 37(6):859-865.

[8]杨增汪,王宜怀,戴新宇.基于ZigBee和GPRS的高压开关柜无线监测系统设计[J].电力系统保护与控制,2010, 38(23): 203-206,211.

[9]严美善,袁涛.低功耗无线室温监测系统的设计与实现[J]. 电子技术应用,2007(12):86-88.

[10]杨明欣,王建波,于志强.基于TI单片机低功耗无线测温装置的设计[J].仪表技术与传感器,2008(8):87-91.

[11]郭谋发.采用 WSN技术的配电开关柜无线测温系统[J].福州大学学报(自然科学版),2011,39(3):415-421.

[12]冯显英,葛荣雨.基于数字温度传感器 SHT11的温湿度测控系统[J].自动化仪表,2006,27(1):59-61.

[13]许红蕊,姜波,朱启晨.基于实时操作系统 μC／OS-Ⅱ的通信管理机的研发[J].计算机工程与应用, 2007,43(11): 208-210.