基于DS18B20的电缆设备电气接点温度预警系统设计

王 涛,吴素浓

(1.中海石油(中国)有限公司蓬勃作业公司，天津 300450；2.华东交通大学 交通运输与物流学院，江西 南昌 330013)

0 引 言

随着经济社会的发展，经济生产以及人民生活的用电量都在急剧增加，在一定程度上加大了电网的输电负担[1]。由于输电线路自身具有抗阻，导致其在传输电流时，将一定量的电能转换为热能，致使线路发热。如果热量过高，则易损坏输电线路，严重时可能会引起大面积停电。在实际输电的过程中，如果电缆较长，则需在一定间隔内设置电气接点。电气接点是电缆设备的重要组成部分，若其存在接触不良、压接头不紧、绝缘强度损坏等问题，均可能会造成电缆温度升高[2-3]。由于目前的技术还难以避免电缆设备电气接点的发热问题，因此，对电缆设备电气接点的温度展开精准监测和预警，对于维护电缆设备的安全、平稳运行具有重要意义[4]。在发现电气节点温度过高后，可及时采取相应的整修措施，从而避免电力故障的发生。

目前，已有专家学者针对电气接点温度监测方案展开了研究。文献[5]以ZigBee协议栈为基础构建了ZigBee无线通信网络，通过通用分组无线业务实现了温度数据的远距离传输，实现对电缆接头温度的在线监测。该系统虽然能够监测电气接头的温度，但缺少预警步骤，而且电气接点信息连接效率较低，导致其应用性不强。文献[6]利用上位机发布温度监测指定并实时显示温度信号变化，利用单片机、信息收发模块和外围电路建立下位机，在温度超过额定阈值后通过触发外围电路实现防火预警。但该系统外围电路触发过程易受环境温度的影响，没有有效地降低干扰，清除无效数据等，导致其超温误警率偏高。文献[7]利用ZigBee技术对电气接头温度预警系统的网架结构、逻辑框架和数据流展开整体设计，并在利用温度传感器采集温度信息的基础上，在软件程序中设计了温度显示、温度报警和表格数据库。但该系统逻辑框架较为复杂，导致数据采集过程效率较低，无法有效开展监测和预警。

针对传统系统存在的温度数据采集用时长、超温误警率高、电气接点信息连接效率较低、数据干扰等问题，本文提出并设计了一种新的电缆设备电气接点在线温度监测预警系统，以期促进电缆设备的内部连接，增强不同区域接点在线温度的交流性能，降低误差，节省时间。首先应收集可靠的温度信息数据，并对其进行整理、调配，设计配置DS18B20型温度传感器，从而实现对温度数据的集中收集操作，从根本上增强温度预警的准确性。然后再根据实际情况信息判定温度的安全范围，进而提升在线温度监测预警的有效性。

1 系统设计

本文设计的温度监测预警系统针对电缆设备电气接点的调节问题进行整体审核，并设计不同的操作模块调整系统的层次信息，包括监控器模块、内部通信转换模块、预警模块以及监测预警实现流程。该系统使用了DS18B20型数字式温度传感器，单总线的接口方式实现双向通信，速度更快，抗干扰性强，可将采集到的不同形式的温度数据转换为数字形式，再经内部通信转换模块实现数据归一化处理，从而有效缩短了数据采集和传输过程的时间，提高了数据的采集效率和准确率。

1.1 监控器模块

传统系统在数据采集的过程中，各接点温度信息的连接效率较低，耗时长，本文针对此问题，设计监控器模块配置DS18B20型温度传感器，具备多点组网功能，可实现多点测温，同时，接口采用单总线方法，可完成实时快速采集电气接头的温度信息。与应用范围较广的感应式温度传感器不同，DS18B20输出的温度信息为数字形式，能够有效节省温度分析与处理资源，也有效解决了电路构造复杂的问题[8-10]，极大缩减了温度数据采集过程耗时和后续的预警反应耗时。

此外，温度信息监控模块搭载有750 MHz QCA9563 CPU以及QCA 9882无线设备，具备128 TiB RAM，能够扩大温度数据存储空间，在优化数据研究范围、强化系统可操作能力同时，提升电缆设备各电气接点信息连接效率和温度监测有效性。

综上所述，建立监控器模块结构如图1所示。

图 1 监控器模块结构

图1中，在监控模块终端增加DS18B20型温度传感器，利用DS18B20型温度传感器进行数据采集，同时扩展存储空间，使原有的监控器模块的功能更加完善，效率更高。

1.2 内部通信转换模块

在实现对监控器模块的配置后，构建内部通信转换机制。通过内部通信转换，在实现监控器数据管理和温度预警的同时，将电缆设备电气接点温度信息传递至软件部分的中央控制模块[11-12]。内部通信转换模块主要利用不同传导通道弱化数据间差异信息，促进数据格式归一化处理，并及时清除温度监测过程中产生的噪声数据和无效数据，保证温度监测数据传输的纯净，也可有效缩短传输时间。

本文通过在内部通信转换模块中应用具有串口数据采集功能的标记控制器，其中含有多个信息传导通道，可集信号辅助处理、继电器控制、通信于一体[13-15]，提高数据通信转换成功率，消除干扰。内部通信转换模块中，温度数据转换过程可表示为

(1)

式中：R为内部通信转换模块输出的温度数据；b为转换信道的损耗；T0为采集的电缆设备电气接点在线温度信息；T为转换后的温度信息，t为采样时间；∂为数据归一化系数；ω(t)为温度数据发送增量的权重系数。

1.3 预警模块

在系统探知电缆设备电气接点在线温度后，需启动预警模块实现安全预警。预警模块中设置有多个检测探头，能进行多点集中感知，可以实现对电气接点温度的实时接收和分析，从而精确分析温度数据状态，有效保障电缆设备的运行安全。

本文设计的电缆设备电气接点在线温度预警系统，可以通过指示灯变色提醒和语音告警实现温度预警功能。通过指示灯变色提醒模式使预警方式更加直观、简单[16]，电缆设备管理人员无需时刻在工作站前检查电缆设备电气接点的运行状态，可以有效节约人力资源[17-18]。当电缆设备电气接点在线温度处于安全状态时，预警模块的指示灯显示为绿色；当电气接点在线温度超过额定阈值时，预警模块的指示灯显示为红色，并通过语音提醒管理员检查电气设备。预警模块如图2所示。

图 2 温度预警模块

1.4 预警实现流程

综合上述分析，构建电缆设备电气接点在线温度预警实现流程如图3所示。

图 3 温度预警实现流程

图3所示的流程中，集中强化数据过程在内部通信转换模块中完成，对监控器模块采集到的温度数据进行统一处理，并对电气接点温度异常发生的地址码进行监控，查找不同节点间温度数据的联系，从而确保温度预警的准确性。

在此基础上，对数据采集云平台进行标号处理[19-20]。在获取相应的标号数据后，将记录的温度数据存储至系统中心管理器中。

在数据通信转换模块中，对控制云台下达控制命令，同步控制数据，对温度数据进行解码，实现综合性数据操控，即可通过云台监控装置实现对温度数据的及时掌控。

2 实验与结果分析

2.1 实验环境设计

为检验上述电缆设备电气化接点在线温度预警系统中的实际应用效果，设计实验加以验证。实验平台为Matlab，操作系统为Windows 10。采用DS18B20数字式温度传感器如图4所示。

图 4 DS18B20型温度传感器装置

利用数字式温度传感器DS18B20采集温度数据，数据采样比特序列大小为2 000，各端电压幅值均为220 kV，调压平台为Virtual Machine。

对比环境：为避免实验结果的单一性，将传统的电缆接头温度及防火预警系统(文献[6]系统)和基于ZigBee的电气接头温度预警系统(文献[7]系统)作为对比，与本文系统共同完成系统性能的验证。

2.2 对比指标设计

实验选用温度数据采集用时和超温误警率2项性能指标对3种系统加以检验.

温度数据采集用时：该指标可反映不同系统对温度数据的采集效率，耗用的时间由Matlab平台高精度统计。

超温误警率:该指标可反映不同系统对温度预警的精准性，结合温度数据采集耗时和系统响应耗时可判断不同系统的工作效率。误警率W可表示为

(2)

式中：f为错误的预警次数；N为总预警次数。

2.3 实验结果与分析

首先统计不同系统的温度数据采集用时，结果如图5所示。

图 5 不同系统的温度数据采集用时对比

从图5可以看出，在多次迭代中，文献[7]系统和本文系统的温度数据采集用时整体呈现上升趋势，而文献[6]系统的温度数据采集用时无明显变化规律。文献[6]系统在第30和第50次迭代时的温度数据采集用时低于文献[7]系统，但其最高用时可达到10 s。相比之下，本文系统的温度数据采集用时更少，其温度数据采集用时始终少于6 s，且上升速度较缓，电气接点在线温度数据的采集效率最高。

本文系统和文献[6-7]系统在30 min内，对20个监控点同时进行温度监控，分析对比是否有效预警，结果如表1所示。

表 1 相同时间不同系统的预警点对比

从表1可以看出，在30 min内，本文系统采集到10个预警，实际发生10个预警，而且每个时间段的预警个数和实际发生的预警个数均一致。文献[6]和文献[7]的系统均没有第一时间发现所有预警，并且在第30 min的时候，没有发现所有监控点的预警个数。因此，本文系统能够有效地在最短时间内进行预警。

在此基础上，以误警率为检验指标，进一步对不同系统的应用性能加以验证，得到结果如表2所示。

表 2 不同系统的误警率对比结果

从表2可以看出，在多次迭代中，文献[6]系统的超温误警率先增加后下降，最高值和最低值分别为11.18%和9.73%；文献[7]系统的超温误警率更高一些，且呈现不断上升的态势，其最高误警率可达到16.62%;相比之下，本文系统的超温误警率更低一些，最小误警率仅为4.27%，误警率最大值也处于7%以下，远远低于对比的现有方法。

上述实验结果可表明本文系统对电气接点在线温度变化情况的预警精准性较高。产生这一结果的原因在于该系统在预警模块中设置了多个监测探头，能够实现对温度信息的多点集中、实时感知，从而精确分析温度数据状态，并利用预警指示灯颜色的变化发出预警信息，有效降低了错误预警率。

3 结 语

本研究提出并设计了一种新的电缆设备电气接点在线温度预警系统，分别设计了监控器模块、内部通信转换模块和预警模块。通过具体的温度预警实现流程，在精准预警电缆设备电气接点温度的基础上，对超温数据进行告警，实现了有效预警，有效维护了电缆设备的安全。

研究中发现，对不同传导信道的数据展开归一化处理有利于查找不同节点间温度数据的联系，基于此可对电气接点温度异常发生的地址码进行监控，从而缩短数据传输用时。

在接下来的研究中，将考虑从减少预警耗能的角度进一步优化该系统，促进电力系统的绿色、协调发展。