基于微网的线路无源智能测温装置研究与应用

刘延权

摘 要：在用电过程中，当电力供应不足而进行适当的扩容时，就不可避免地会引起输电线路温度升高。当温度过高时，会引起短路或线路老化，甚至引发火灾。这就需要实时监测线路温度，以供供电部门合理调配。鉴于输电线路处于高空环境，需要将更加智能化的测温装置应用于设备及电网线路的监测中。为此，设计了基于微网的线路无源智能测温装置。该装置由输电线直接提供能量，无需外加电源，可以取代人工巡检监测电气结点的发热情况。这样将大大提高电网的安全运行水平，防止事故发生。该测温装置具有体积小、安装方便、无需人为维护、智能化、节能环保等优势，可以实现对输电线路组网式的温度监测。

关键词：微网；无源智能测温装置；温度采集系统；传感器

中图分类号：TP274 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.103

近年来，随着国民经济的持续增长，城乡用电量猛增，在用电高峰期，线路供电负荷在极限附近运行或超极限运行的现象时有发生。当前，输电线路高负荷运行越来越普遍，耐张塔上的引流板或者接续管处的接点温度过高成为线路安全运行的“死穴”。因此，为了确保电网安全，通常要在用电高峰季来临之前对高压输电线路的引流线夹进行全面的监测，防止因导线连接点发热而影响电网的安全运行。考虑到输电线路所处的环境及直接进行温度测量的难度，需要将智能化组网式的温度测量装置应用于整个电网线路的温度监测中。

该装置采用物联网技术，以在杆塔、输电线和重要的高压设备上部署的智能测温传感器组成测温传感器协同感知的无线传感器网络，通过传感器采集导线温度数据，利用无线通信方式将数据传输到巡检仪。当参数出现异常情况时，该装置就会自动报警，提醒值班人员和管理人员及时采取相关措施进行处理，以免发生事故。该装置的电源为高压电，即从高压电线上取能，并将其转换为适合该装置工作的电源，无需外部另加电源。

1 系统总体设计

1.1 系统实现的功能

基于微网的线路无源智能测温装置主要是为了弥补传统测温方式实时性和可靠性方面的不足。借助这一装置，工作人员只需在室内便可以实时监控输电线路接头处的温度。本系统主要由两部分组成，即温度采集、发送装置和温度接收、上传装置。温度采集、发送装置包括电源部分、无线温度传输部分、温度数据采集部分，温度接收、上传装置包括电源部分和无线温度接收部分。该系统的数据收发都是通过无线网络完成的，其中，温度采集系统之间通过射频网络通信。当一个温度采集器采集到温度信息后，会在规定的时间内发送到对应的一个中继接收器；中继接收器将接收到的多个采集器发来的温度值发送到巡检仪，以供用户查看。

该系统的一个显著优点就是供电部分均由输电线感应取电电源模块负责提供能量，无需外接输入电源。这样，就避免了对使用外加电源的维护，也排除了因电池受使用年限或老化等因素的影响而给装置的使用带来不便。一旦将这一装置安装于输电线上，在其使用的过程中基本不需要人工维护。

1.2 温度采集系统设计方案

该套装置中的温度采集、发送装置负责获取导线表面的温度，然后发送出去；温度接收、上传装置以“一对多”的方式获取采集装置发来的温度值，然后通过巡检仪查看数据。

温度采集、发送装置主要负责采集被测点的温度信息，并将其通过无线模块发送到接收端。该装置采用数字式温度芯片DS18B20。这样就可以将整个PCB板集中到磨具中，只需要在磨具背面开一小孔传递温度即可。该温度传感器支持多点组网功能，一个测温装置可以对多点进行测量，既增加了测量点，又保证了测量的合理性。在采集温度信息后，将其传输到终端的中继集中器，再由接收端查看数据。

2 硬件设计

基于微网的线路无源智能测温装置作为线路状态监测和各类相关数据集中展现的平台，一方面能在发现线路隐患时及时预警，及时指导检修处理工作的开展，避免线路发生事故；另一方面能对输变电线路设备的运行状态进行实时监测，为输变电线路故障的分析、技术措施的研究和检修处理方案的制订等提供了有力的信息化数据，从而有效提高了输变电线路的故障预防能力。

该装置功能的实现主要由以下三部分完成：①电源部分。在该装置工作的过程中，无需提供外部电源，系统工作所需的电能通过转换直接从输电线上获取。②温度数据采集部分。装置采用DS18B20数字式温度传感器获取输电线表面温度。③无线传输部分。处理器将采集到的温度值处理后经CC1101无线模块发送到中继集中器。

2.1 电源部分

电源是任何电子产品能量的核心，采用良好的供电方式不仅能节约成本，还能提升整个产品的使用性能。线路无源智能测温装置的无源性源于无需外部电源供电，系统工作所需的能量直接从输电线上获取，从而避免对电池的维护和使用造成污染，符合节能环保的要求。

2.1.1 输电线取电原理

针对高压电网中测量装置的供电问题，相关人员研发了一种电场感应式电源，用于为测量装置供电。其基本原理是利用高压设备携带的高电压电场获取能量，在电网电压稳定时就能为装置稳定供电。这样，不仅节省了电能，还避免了因使用电源而造成的污染。由于高压输电线中的电流是以正弦波的方式变化的，因此其产生的磁场也是变化的。由法拉第“电磁感应定律”可知，当磁通量发生变化时，就会在穿有铁芯的线圈上产生感应电动势，其大小为：

在电磁耦合方式下，线圈感应输出端近似等效于恒流源，随着一次侧电流的增加，二次侧感应输出的电流也在增加。此时，如果二次侧保持负载不变，则二次侧回路上的电压会因电流对滤波电容器的充电而升高。当升高到一定范围时，就会因过压而损坏器件。本次设计将取能线圈获取的交流电再次降低，并在装置后作防浪涌和过压保护处理。通过保护电路对幅值降低的正弦电压进行整流、滤波和稳压处理，并将稳定后的电压信号用于为装置供电。

对整个取电过程进行理论分析，初步假设初级线圈和次级线圈为全耦合电磁感应，忽略初级和次级绕组线圈漏感，根据电磁学基本理论，则可以得出以下方程：

式（2）（3）（4）（5）中：u1为初级绕组感应电动势；u2为次级绕组感应电动势；N1为初级线圈匝数；N2为次级线圈匝数；Φ为磁通量；i1初级为线圈电流；i2次级为线圈电流；H为磁场强度；l为磁路长度；B为磁感应强度；A为铁心截面积；ur为铁芯的相对磁导率。

线路无源智能测温装置具有低功耗特点，其工作电压为3.3 V，设计时，根据一次侧高压线上电流的大小确定线圈的匝数。在实际应用过程中，可根据高压导线中流过的电流的大小和导线截面积的大小等来设计合适的线圈匝数，以得到符合要求的u2.

考虑到高压电线复杂的电磁环境及电流的大幅变化，确保供电的抗干扰能力及稳定性是需要解决的首要问题。如果设计得不好，不仅会影响装置的正常工作，还可能会给输电线造成意想不到的危害。因此，在从高压线上取能后，要在使用的前端加入保护电路，以保证装置供电的稳定性和可靠性。

2.1.2 防浪涌电路

任何用电设备都存在供电电压的允许范围，超出范围将可能会对设备造成灾难性的损坏，有时即便是很窄的过电压冲击，也会造成设备电源损坏，尤其是一些敏感的微电子设备，有时很小的浪涌冲击就可能会对其造成致命的损坏。在输入电路合闸瞬间，由于电容上的初始电压为零，会形成很大的瞬时冲击电流，特别是大功率开关电源，其输入采用较大容量的滤波电容器，冲击电流可达100 A以上。线路无源智能测温装置安装于户外高空高压线上，引入防浪涌电路能有效避免雷击危险，保护装置不会因瞬间的电流变化而受损，使装置有一个稳定的电源供电环境。

2.1.3 过压保护电路

将过压保护电路引入电路中，可以有效预防因拉闸、合闸引起的输电线电流变化、雷击等偶然因素而导致的电路过压，预防电压瞬间变化而造成设备不能正常工作，甚至损坏设备，有效保护供电的稳定性和安全性。

2.1.4 整流滤波稳压电路

该系统的工作电压为3.3 V，因此，要将从高压输电线上获取的交流正弦电压先转换成低幅值的正弦电压，然后对此电压信号进行整流、滤波、稳压处理，转换成可供测温装置使用的直流电压。

2.2 温度数据采集及无线传输部分

2.2.1 控制器选取

线路无源智能测温装置采用的处理器芯片为意法半导体公司的超低功耗STM8L051单片机，其配置完全能够满足本次系统设计的要求，超低功耗的设计更加符合本产品设计的理念。考虑到复杂的电磁环境，在控制系统中加入了看门狗复位电路，在装置因意外死机后可自动重启。

2.2.2 温度数据采集部分

随着用电负荷的变化，受载流量热稳定限额等技术的限制，原有输电线路的输送容量大大降低，已经难以完成送电任务，不能满足电力用户的需要，尤其是在用电高峰期、检修状态下或发生故障等情况下，线路互通容量不足将会形成压限负荷，导致电网运行的经济性和可靠性下降。因此，有必要对输电线输送能力的提高进行研究。

研究表明，线路的输电能力与导线的运行温度有直接的关系，因此，实时关注输电线的温度变化，能够为供电部门监控输电线以及对电力进行分配、调度提供依据。测温装置贴近输电线表面，利用传感器获取输电线表面的温度信息，并在处理器内计算处理后通过无线模块发送出去。

线路无源智能测温装置的温度传感器采用的是DS18B20数字温度传感器，测量温度范围为-55～125 ℃，固有测温误差为1 ℃。该传感器支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上（最多只能并联8个），实现多点测温。如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输不稳定。该传感器体积较小，可在一个测温装置内对导线进行多点测量，并对测量数据进行综合分析和评估，从而使测量结果更为合理。另外，该传感器是单总线接口，可以将采集到的温度信号直接输入到单片机中，无需加入AD转换，对信号的处理来说比较方便。

2.2.3 温度的无线传输部分

线路无源智能测温装置运行中的一个关键环节就是将采集到的输电线上的温度值通过无线模块发送到中继集中器上。采用无线传输的优势在于可以使信号的传输更加简便，组网更加容易，同时，有多个温度采集点将采集到的温度值发送到同一个接收器中（中继集中器）。每个采集装置都有自己的地址，便于故障定位。由此可见，采用无线组网方式既可以节约成本，又方便集中管理。

该装置使用的无线收发模块为极低功耗单片无线收发器芯片CC1101无线模块。该模块可通过SPI接口与STM8L051单片机通信，其主要被应用于工业、科研和医疗（ISM）以及短距离无线通信设备（SRD）中。CC1101可提供对数据包处理、数据缓冲、突发传输、接收信号强度指示（RSSI）、空闲信道评估（CCA）、链路质量指示和无线唤醒（WOR）等的硬件支持，且在代码、封装和外引脚方面均与其他模块兼容，可被用于全球最为常用的开放式、频率低于1 GHz的RF设计中。与WiFi、BlueTooth和Zigbee相比，采用CC1101无线模块操作更简单，给成本更低。

2.2.4 接收部分

该套装置采用短距离无线技术的系统通信组网方案，各采集装置定时将采集到的温度发送到接收装置上，实现测温接收端与温度测量发送端的组网通信。

3 系统软件设计

线路无源智能测温装置发送温度信息的方式为：每隔10 min读取一次温度值，到1 h时，对获取的6个温度值取平均值，然后由无线模块将其发送到对应的接收端。由于每个装置都有自己的地址，因此，中继集中器接收的温度值也都有一个对应的地址。这样，一旦出现温度异常，就可以根据地址定位到异常点，方便工作人员及时监控并找出故障原因。

本系统温度采集、发送部分软件的工作流程主要为：采集、处理温度值，并使用无线模块发送出去，实现温度信息的采集。

4 总结

综上所述，线路无源智能测温装置是一种较为实用的新型线夹温度在线监测装置，其无线温度传感器采用低功耗设计，运行于低功耗模式下，在密封情况下由动态取电进供电（无电或者停电时，启用备用锂电池供电），使用寿命长达10年，且具有体积小、质量轻、便于安装、测量准确（误差小于1%）和无线数据传输灵活等特点，可作为“红外测温仪”的替代品。该装置的推广和应用不仅有利于及时发现线路线夹早期烧毁故障，还可以大幅降低检修人员巡视查看的劳动强度，节省人力、物力，可靠性高，对线路的安全供电起着重要的作用。

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〔编辑：刘晓芳〕