电力电缆温度智能在线监测系统

苏宁　李邦　孟庆铭

摘 要：电力电缆的温度实时监测是保障电力电缆性能的重要环节，文章提出的电力电缆温度智能在线监测系统，包括了电缆等电位测温模块、接地箱模块与远程监测中心服务器三大部分，可以实时准确地監测电力电缆的温度变化情况，为电力系统的正常运行提供技术保障。

关键词：电力电缆；等电位测温；ZIGBEE；服务器

中图分类号：TM76 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）25-0098-02

1 概述

电力电缆是电力系统基础设施中的最重要组成部分之一，在供电过程中发挥着重要作用。电缆绝缘性能的优劣是决定电力电缆正常运行的主要影响因素，而电缆的接头与导体温度又是影响电缆绝缘性能的关键指标，对电力电缆温度进行监测，是电力系统研发过程中的关键技术之一。

电力电缆温度监测方法可以分为离线监测与在线监测二种方式[1]。作为传统方法的离线监测包括示温腊片法、引线接头测温法、接触式电信测温法、红外测温法等，然而这种方式需要断电之后检测人员携带仪器进行现场检测，实时性差、消耗的人力物力大。而在线监测方法主要包括了感烟式在线监测法、数字温度传感器测温法、感温电缆温度监测法、分布式光纤测温法与光纤光栅测温法等，完全的在线监测法均不需要人工干预，实时性强，但也存在着结构复杂，工程施工量大等实际问题，不能用于大规模推广。因此，本文提出了一种基于短途无线与远程无线相结合的电力电缆温度智能在线监测与分析系统方案，可更有效地利用现有的电力设施，具有很好的性价比。

2 总体系统设计

电力电缆温度智能在线监测与分析系统是采用了等电位结点无线传感技术，在被测电气结头上用物理连接方式固定等电位温度传感器，以ZIGBEE无线通信方式将数据传至数据接地箱，发送距离为100-200米。数据接地箱负责上传在其接收范围内的探头数据，并通过3G/4G远程无线网络把监测到的温度数据传送到远程监测中心服务器中。远程监测中心服务器承担全天24小时的数据监听任务，并可实现测温点分区域分级显示、数据智能分析处理、局域网报表发布等功能。系统主要包括分布在各个测试现场点的电缆等电位测温模块、接地箱模块与远程监测中心服务器三大部分，总体结构图如图1所示。

3 系统模块设计

3.1 电缆等电位测温模块设计

电缆等电位测温模块专门设计用于电缆接头部分与导体的运行温度监测，实现接触式温度测量。本设计中等电位测温技术，其中探头与电气结点采用等电位技术，很好的保护了内部电路。探头使用数字式测温芯片，测温精度高，比传统的采用热敏电阻所带来的温度误差要小的多。

在本设计中，采用了STM32芯片STM32F103VET6作为微处理器芯片，该芯片工作频率最高可达72MHz，内置512K字节Flash闪存和64K字节SRAM，具有丰富的增强I/O端口和标准通信接口。该芯片内部包含3个12位ADC，可以方便地采集电阻式测温传感器的信号，还可以通过内置的UART串口扩展出ZIGBEE模块，从而实现基于ZIGBEE的短途无线通讯。

ZIGBEE作为一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低复杂度的无线网络技术，加上其出色的通讯距离、安全性和可达100～1000天的电池寿命，在本测温系统中应用具有很好的技术优势。测温模块通过ZIGBEE无线网络连接到接地箱模块中。在本设计中，ZIGBEE模块采用上海顺舟电子科技有限公司生产的SZ05-ZigBee嵌入式无线数传模块。

本测模块对采集的温度数据发射周期采用动态调整模式。当传感器所测温度在0℃以下时，每5分钟发射一次温度信息；当所测温度在0℃-50℃，每3分钟发射一次温度信息；当所测温度在50℃以上时，每1.5分钟发射一次温度信息；当出现告警温度时就马上向接地箱模块发射温度信息。

3.2 接地箱模块设计

接地箱模块主要起到了信息中转的作用，一方面通过ZIGBEE短途无线网络接收来自于等电位测温模块，将温度数据通过3G/4G无线网络传至远程服务器中。一个接地箱可以最多接收256个测温模块发来的数据信息，可对温度数据进行粗步分析和保存，去除过期数据保存较新数据，并提供硬接点报警功能。

在本设计中，还是采用了STM32芯片STM32F103VET6作为微处理器芯片，主要利用了它内置的2路UART单元进行了接口扩展，一路用于扩展ZIGBEE模块，另一路用于扩展3G/4G模块。本设计中的ZIGBEE模块同样采用上海顺舟电子科技有限公司生产的SZ05-ZigBee嵌入式无线数传模块，而3G模块则采用中兴MC2716模块，该模块采用CDMA 1X/EVDO制式，支持数据、语音和短信业务。考虑到系统的实时性，本模块采用了uCosII实时操作系统，并采用层次化设计方法，实现了系统程序移植、驱动程序设计及应用程序设计。

3.3 远程监测中心服务器软件

电力电缆温度智能在线监测系统远程监测中心服务器主要用于控制和接收多个接地箱获得的电缆温度的运行状态和故障信息，将这些数据处理后存储并且在网页上显示。

本设计的服务器主要安置在电力部分的远程监测中心，监测中心的服务器主要有两类，一是主服务器；一是数据库服务器。其架构如图2所示。

主服务器上运行着所有的web应用、web应用服务器以及java server，承受较高的网络数据吞吐量，因此需要一个性能稳定、处理能力较强、安全系数较高的服务器作为服务端程序和网页应用的硬件载体。本设计采用的是一款戴尔T620企业级的服务器，它的性能和处理能力可以满足现阶段的需求，并搭载CentOs6.4操作系统，在服务器安全性上更加有保障。同时，主服务器采用双网卡，一张与外接网络进行通信，一张与局域网内的数据库服务器交换数据，分摊数据吞吐压力。数据库服务器也搭载CentOs6.4操作系统，并安装MySql数据库，与主服务器通过局域网进行数据通信。将数据库服务器置于局域网内能有效保证数据的安全性，同时也能提高数据的吞吐速率。

服务端程序设计主要考虑两个方面，一方面是网络通信，另一方面是数据库的存取。在网络通信方面，本设计采用了Apache mina网络通信框架。Apache mina是基于TCP/IP、UDP/IP协议栈的通信框架，具有高性能、高扩展性等优势。同时，mina提供了事件驱动、异步IO操作的编程模型，这使得对于并发量较少的需求，可以不考虑并发对网络通信的影响，大大提高了开发的效率。在数据库操作方面，本设计采用了Hibernate作为持久层的解决方案。Hibernate是一个面向java环境的开源的ORM框架，它将对象模型表示的对象映射到关系模型数据结构中去，甚至可以不考虑纯粹的SQL，就能以面向对象的方式操作关系数据库。

4 结束语

本文提出的基于等电位的电力电缆在线测温系统可以实时准确地监测电力电缆的温度变化情况，为电力系统的正常运行提供技术保障。但在具体实施过程中，单一的测温方法有时未必能够满足所有复杂的工况变化，在后续的工作中，也将进一步探讨多种测温传感器融合的信号采集方法，并在服务器部分加入机器学习的分析方法，从而可以更有效地实现对电力电缆运行寿命的预测。

参考文献：

[1]高云鹏，谭甜源，刘开培.电子电缆温度监测方法的探讨[J].绝缘材料，2014，47（6）：13-17.

[2]杨文英.电力电缆温度在线监测系统的研究[D].长春：东北电力大学，2008.

[3]周凯.一种电力电缆绝缘在线监测的新方法[D].武汉：华中科技大学，2011.

[4]虞洋.基于车联网的汽车远程信息系统服务器软件设计[D].杭州：浙江大学，2016.endprint