一种组网式电缆分支箱在线监测系统的设计

康 健, 宗榜馗, 张大宁, 李怀亮, 张 旋

(1.哈尔滨理工大学自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.绥化学院电气工程学院，黑龙江 绥化 152000；3.华电国际电力股份有限公司邹县发电厂，山东 济宁 273522)

一种组网式电缆分支箱在线监测系统的设计

康 健1, 宗榜馗1, 张大宁1, 李怀亮2, 张 旋3

(1.哈尔滨理工大学自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.绥化学院电气工程学院，黑龙江 绥化 152000；3.华电国际电力股份有限公司邹县发电厂，山东 济宁 273522)

针对电缆分支箱内的分接头故障率较高这一现状，设计了一组网式电缆分支箱在线监测系统，以超低功耗单片机为主控制芯片的信息采集终端，对电缆分支箱内环境信息和电气参数进行采集、运算与处理。采用GSM无线传输方式，将数据发送给主控台的LabVIEW上位机进行实时显示与存储，实现了分支箱内环境温度、电缆分接头温度、线路故障信息及带电状态的实时远程监测。现场运行情况表明，该系统运行稳定，对其他电气设备的远程在线监测具有很好的借鉴意义。

温度传感器; 在线监测; 远程监控; 温度采集; GSM; LabVIEW

0 引言

电缆分支箱内的分接头是电力系统安全运行中的薄弱环节。由于受制作现场环境不利因素的影响及制作工艺的限制，导致了电缆分接头压接质量的不可靠。经过一段时间的大电流运行后，在压接点处产生过热、氧化，接触电阻逐渐增大，如处理不及时，接头温度进一步升高、绝缘老化，最终会导致事故发生[1-2]。据统计，电缆接头事故率占电缆事故的90%。

目前，国内电缆分支箱监测主要通过人工巡检方式。检修中存在检修过剩或检修不足等问题，耗费大量人力、物力。本文在电缆分接头测温的基础上，辅以环境温度、线路故障及带电状态等信息，提高了在线监测系统的多功能性，可对电缆分支箱进行故障判断、预测，使电网运行更加可靠、智能[3-7]。

1 在线监测系统的整体技术方案

在线监测系统是集温度采集、故障电流获取、高压带电的状态信息获取及故障定位于一体化的多功能系统。结合10 kV电缆中间接头的结构特点，该系统可以分为三层：MCU数据的采集、GSM数据包传输、LabVIEW上位机显示。

数据采集部分设置在电缆分支箱内，节点的温度信息、线路电流值、带电状态及故障电流类型判断等信息由超低功耗MCU待定采集。

当电缆线路发生故障时，系统会立即采集此信息，通过GSM传输至主控制台，进行报警。

当电缆线路无故障时，采集时间主要由温度采集模块控制，可设置相应间隔采集时间。当采集温度时间到达时，通过射频传给已经休眠的MSP430[8](此时功耗非常低)，产生中断，此时单片机唤醒进行各个数据采集；采集完成后，将数据打包通过GSM无线模块[9-11]传输给主显示台。这样，终端汇集了所有电缆分支箱数据。通过LabVIEW，处理温度的历史曲线、线路的故障次数以及某段线路的位置等信息。

在线监测系统结构图如图1所示。

图1 在线监测系统结构图

2 分支箱数据采集层的结构原理与实现

在线监测系统结构原理图如图2所示。

图2 在线监测系统结构原理图

2.1 高压带电显示原理

设置在电缆分接头处的电压传感器将电压分压，以得到较低的电压来触发光耦电路中的光电耦合器。隔离电压达3 750 V，保证了处理器与强电隔离。

首先，设线路的电压为U，C1、C2上的电压分别为U1、U2,根据两个电容串联分压的计算公式得到：

U1=C2U/(C1+C2)

(1)

U2=C1U/(C1+C2)

(2)

电压经C1、C2电容分压作用，分到C2上的电压经过BRIDGE2整流稳压作用，将小信号If发送给光耦电路6N139高倍率、高速达林顿光耦合器。

Ic=βIf

(3)

式中：Ic为基极的电流值；β为电流放大倍数。

由式(3)得到的电流Ic乘以R4，得到电阻R4上的电压U3，故LM139A芯片的输入电压Uin为：

(4)

电压比较器能有效避免因检测带来的误差，其传输特性曲线如图3所示。

图3 电压比较器传输特性曲线

(5)

(6)

式中：R1为反馈电阻；R2为输入电阻。

将式(5)与式(6)作差，得出回差电压：

(7)

2.2 短路故障预警系统实现

采用短路和接地传感器，当短路传感器检测到电流高于预设值时，则输出信号经光纤传送给三相故障电流处理电路。当接收到短路信号后，三极管工作在线性区，通过单阀值比较器LM139A将预警信号发送给主机。

由复合序网可求出故障处的各序电流和电压。

(8)

(9)

根据对称分量的合成公式，可得各相电流、电压为：

(10)

(11)

图4 单相接地短路电流相量图

接地故障传感器也就是零序电流互感器。当电缆出现单相接地时，由以上公式分析得三相电流矢量和不为0。传感器检测到的故障，通过光纤传送至单相短路零序电流处理。单相短路零序电流处理电路如图5所示。

图5 单相短路零序电流处理电路图

2.3 温度采集子系统的实现

WD01L39无线测温传感器的主要特点为：定时传送温度数据，待机电流为2 mA，最大瞬间功耗为+20 dBm，其直线距离为1 800 m左右，室内可以隔墙传输10～15层，从根本上解决了大部分应用对无线通信能力的要求。其内部集成DS18B20测温传感器，并采用标准UART协议，与MCU进行RS-485进行数据的传输。其内部通用数据包如表1所示。

表1 通用数据包

2.4 汇聚节点的设计

通过RS-485通信将WD01L39无线接收模块各个节点温度数据定时通过P3.3口传送到相应存储寄存器内，此时MSP430由睡眠状态唤醒，对线路的带电状态、电流值等信息进行采集。采集后的数据打包存储到数组中，通过GSM以短信的方式发送给主机，显示在上位机LabVIEW上。如果某电缆分支箱出现故障电流，掉电状态，系统立即会给单片机发送一个中断信号，单片机也会被唤醒，通过GSM发出预警信号。

3 主控制台的设计与实现

上位机软件采用LabVIEW作为开发环境。LabVIEW是基于NI设计平台的核心，使用的是图形化编辑语言G编写程序[12]，属于图形化语言。上位机软件结构如图6所示。

图6 上位机软件结构图

上位机软件结构实现对分布式温湿度监控系统采集数据的数据预处理、判断温度值和温升值是否符合相关的电力系统安全规定[13]、确定设备缺陷等级，并给出预警信号。通过GSM短信收发模块发送报警短信，将各项数据结果通过软件实时显示。

3.1 上位机监控软件设计

电缆分支箱内的各个参数通过MCU+GSM的采集与发送功能，发送至站内的主控制台显示。上位机的前面板为主页面，主页面的电缆终端在线监测系统为某城区部分地理位置线路的铺设结构，有15个节点(电缆分支箱)，包括节点的信息、历史故障记录、温度曲线等信息，并辅以通信模块的信号强度。

3.2 现场运行及结果

站内系统运行后，对电缆分支箱内的参数进行实时监控。

现场采集的数据传至上位机，节点数据界面为节点00号分支箱内A、B、C三相电缆接头的温度曲线、环境温度曲线、三相带电状态及是否存在短路电流故障等状态信息；过电流过电压报警用状态量“1”表示，没有故障用状态量“0”表示；实时曲线可观测箱内电缆接头的温度状况，通过一段时间内电缆接头的温度曲线，进而更加了解接头处温度的变化情况，防止电缆接头温度过高而导致一系列故障。软件中设置了温度上线阀值，温度超过此值，系统会立马报警。

对于10 kV线路，当电流值超过单项短路电流值或者线路掉电，就会产生状态量信息，系统自动报警；当系统超过6 h没有收到实时信息，系统自动报警。通过对历史信息的记录，分析系统线路信息，从而对系统进行故障预测，防止故障的发生。

3.3 试验测试结果分析

通过实际运行测试，本在线监测系统可以对电缆分支箱内的电压、电流、温度等运行参数进行实时采集，并通过GSM远距离传入站内PC机进行实时显示与存储。当电缆分支箱内线路及分接头运行发生异常时，系统可以及时报警。温度数据采用WD01L39温度传感器的射频传输方式，通过GSM远距离传输数据，满足监控的实时性和可靠性需求。

4 结束语

电缆分支箱在线监测系统中分接头的温度用表带式温度传感器将温度数据通过无线可靠传输、短路电流信息用短路电流传感器通过光纤传输。各个测量部分均与超低功耗单片机MSP430进行可靠的电气隔离，克服了箱内高电压、大电流的强电场、强电磁辐射、高频噪声和谐波的干扰问题。系统辅以GSM远距离传输的优势，克服了距离大、布线难的问题，大大提高了电缆分支箱运行的可靠性和经济效益。多个电缆分支箱覆盖整个区域，构成组网式电缆分支箱在线监测系统。整个系统具有保护、测量、控制、通信等功能，功能集成度高，满足分支箱通信实时性和高速性的需求，保证数据传输的稳定性、可靠性和实时性，具有技术优势和广阔前景。

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Design of the Online Monitoring System for a Networking Cable Branch Box

KANG Jian1, ZONG Bangkui1, ZHANG Daning1, LI Huailiang2, ZHANG Xuan3

(1.College of Automation，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China；2.School of Electrical Engineering，Suihua University，Suihua 152000，China；3.Zou Power Plants，Huadian Power International Corporation Limited ，Jining 273522，China)

In view of the higher failure rate of the taps inside cable branch box,an online monitoring system for the networking cable branch box is designed,to realize real-time monitoring of cable branch box.With the ultra-low power consumption single chip computer as the main control chip,the information acquisition terminal is design for collecting,operating and processing the environmental information and electrical parameters inside the cable branch box.By adopting GSM wireless transmission mode,the data are sent to the PC of master station for displaying and storing via LABVIEW,thus the temperature inside the taps,the temperature inside cable branch box,fault information of power lines and the charged status are monitored remotely in real time.The field operation indicates that the system is running stably; it provides valuable reference for remote online monitoring of other electrical equipment.

Temperature sensor; Online monitoring; Remote monitoring; Temperature acquisition; GSM; LabVIEW

康健(1991—)，男，在读硕士研究生，主要从事复杂网络同步及其保密通信应用领域方向的研究。E-mail:814549632@qq.com。 宗榜馗(通信作者)，男，在读硕士研究生，主要从事智能在线监测设备的研制与开发。E-mail:1650435060@qq.com。

TH7；TP277

A

10686/j.cnki.issn 1000-0380.201701023

修改稿收到日期:2016-05-05