高压开关柜无线温度监测系统的研究

刘芷馨，徐建，郝沛健，刘先梁

（湖北民族大学 智能科学与工程学院，湖北 恩施 445000）

0 引 言

高压开关柜的主要作用是接收电能和分配电能，主要由开关设备、测量仪器、保护电路、连接母线以及相关辅助设备等构成，在电力系统中有着至关重要的作用。在实际运行中，其对输电、配电等过程都起到了有效的控制与保护的作用。但是与此同时，高压开关柜也存在着许多常见的安全问题，这些问题将影响电力系统的可靠运行，甚至在一些严重的情况下还会产生一定的安全隐患。因此需要对高压开关柜的运行状态进行合理的监测，以确保整个电力系统能可靠运行。

高压开关柜过热是最常见的问题，然而导致这一问题的原因有很多，比如高压开关柜的安装工艺存在问题、设备的试验和检修人员未能认真履行工作职，许多设备超期服役、元件老化变形问题突出、运行操作人员没有掌握高压开关柜的操作要领、电力负荷的突然变化、环境条件产生的不利影响等都会导致高压开关柜过热的现象。高压开关柜最容易出现发热故障的部位是其手车触头，尤其是气温较高的夏季，用电负荷大幅度增加，开关柜内高压触头及母线接头部位常常发生过热、有时甚至存在爆炸的风险。设备过热故障一旦发生，不仅需要花费比较长的时间对设备进行检修，而且有可能直接造成设备的损毁，从而造成巨大的经济损失。因此，对高压开关柜的温度进行监控可以有效减少故障的发生和经济的损失。然而，常见的光纤测温、远红外测温已经不能满足大规模的对高压开关柜进行温度监测的工作。杨希提出的光纤测温虽然可以连续准确地监测高压开关柜内部接触点的运行温度，但是安装费用和后期的维护费用十分高昂；光纤感温面很容易发生老化出现脱落的情况，进而影响温度采样的准确性；光纤温度监测是散点测温，难以获得设备的整体温度分布状况。刘东明等提出的远红外测温对于封闭的高压开关设备而言，由于红外线无法直接穿透金属的外壳，测温的精度不高。本文针对以上缺陷，设计了一种基于红外无线测温的高压开关柜超远距离温度监测系统，将实现不受距离限制实时地进行温度数据采集，然后将采集到的数据上传至信息共享平台进行数据处理和分析，最终根据分析结果给出处理建议。本系统基于DS18B20 温度传感器和LoRa 无线传输机制实现变电设备温度的无线远程传输，能够实现检测多点温度，打破了温度监测的单一性；同时也能实现无线测温，并且在对温度数据进行分析之后实施远程控制动作。

1 总体设计方案

高压开关柜的温度监控系统主要包括温度采集模块、无线传输模块、数据处理模块三部分。系统首先通过DS18B20 搭建的温度采集模块采集温度信息，而后LoRa无线传输模块采用轮询机制对辖区内的各个节点进行访问，收集温度信息，并将温度信息传输至信号处理模块进行数据的处理、存储和预判等工作。系统整体结构图如图1所示。

图1 系统整体结构图

2 系统硬件设计

系统硬件总框图如图2所示

图2 系统硬件总框图

2.1 温度采集模块

温度采集模块是用于采集高压开关柜关键位置的运行温度数据，主要由DS18B20 数字型温度传感器搭建构成。DS18B20 数字型温度传感器能够测量的温度范围很大且是单总线形式，这就意味着不用再另外接入电源线。但是与此同时，单总线形式的特点也使得此传感器对控制器读取时间的要求比较严格。每个DS18B20 都有独立唯一的64 位ID，此特性决定了它可以将任意多的DS18B20 挂载到一根总线上，通过ROM 搜索读取相应DS18B20 的温度值。此刻的温度数据会以16 位二进制数的形式通过DS18B20 返回。这16 位二进制数的高五位数据表示的是正负，若其全部为1，则代表返回的温度值为负值，若其全部为0，则代表返回的温度值为正值。后面的11 位数据代表温度的绝对值，将其转换为十进制数值之后，再乘以0.062 5 即可获得此时的温度值。DS18B20 温度传感器具备直接把温度值转化成数字值的功能。

2.2 无线传输模块

系统采用了LoRa 无线传输技术，LoRa 作为低功耗广域网的一种，顾名思义具有功耗低的特点，与此同时LoRa还能实现网络信息的超远距离传输。系统将采用以LoRa 技术为基础的SX1278 无线传输模块实现终端节点的无线通信功能。SX1278 仅实现对传感数据的传输，并不具备存储数据的功能，因此，可实现低功耗传输。LoRa 通信技术可以进行星形组网，能够实现多终端的节点接入，避免节点故障引起的网络瘫痪； 携带6 组不同的扩频因子，随着扩频因子的变化，传输数据在对应频带范围内进行传输，避免传输带数据干扰。STM32 与LoRa 通信模块的连接图如图3所示。

图3 STM32 微控制器与LoRa 通信模块连接图

2.3 数据处理模块

系统采用STM32F103ZET6 单片机作为主控制器。STM32 系列单片机由于片内程序是模块化的所以对于数字信号的处理速度迅速，同时还具备低功耗、低电压运行的特点，可以通过较为简单的操作实现一些复杂的功能。

单片机片内时钟信号由晶体振荡器辅助产生。

向STM32 复位引脚持续输入5 个以上的振荡周期，便可以达到单片机复位的效果。

2.4 温度显示模块

显示模块采用的是LCD1602 液晶显示屏，在主机上设置4 个按键（确认、返回、+、-）来进行操作。主页面显示“设置报警温度”和“查看从机温度”度两个选项，可以用“+”“-”来选择当前操作按确认键进入，按返回键退出。当选择“设置报警温度”时，屏幕显示“高温报警温度”和“低温报警温度”两个选项，用“+”“-”选择相应的待设置温度，再用“+”“-”进行温度调节，设置好确认保存并退出；当选择“查看从机温度”时，屏幕显示从机编号且显示当前从记得当前温度，用“+”“-”选择从机编号进行查看。

2.5 声光报警模块

声光报警功能由蜂鸣器和发光二极管组合完成。当蜂鸣器和发光二极管收到指令后，蜂鸣器发出警报，同时发光二极管发光。采用PNP 型的三极管进行报警电路的驱动，当P26 端为低电平时，三极管的基级电压低于发射机电压，此时处于导通状态，也就是说蜂鸣器支路电流导通，与此同时，发光二极管也导通发光，完成报警动作，在此之后，手动复位回到初始状态，下一次报警动作时再次运行。

3 系统软件设计

程序设计从初始化开始，初始化的目的是初始化各种功能函数，使其进入低功耗模式，接着扫描键盘的状态，对是否有按键按下进行判断。如果判断结果为有按键按下，则执行相应的按键功能，然后进行无线传输数据的读取；如果判断没有按键按下，则直接对无线传输的数据进行读取。检测主机的LoRa 网关以轮询的方式依次向辖区内的节点采集温度信号然后实时上报给监控服务终端，此动作在收到停止命令后终止。如果在信号采集的过程中有一个传感器采集到的温度异常，那么对应节点向终端服务器报警的同时其他节点仍然保持采集数据的动作。采集到无线传输的数据之后，判断是否超出设定的温度阈值，如果采集的温度超出设定温度阈值，则蜂鸣报警器和发光二极管同时执行动作进行报警，然后将异常温度与LoRa 从机编号显示在液晶显示屏上，如果没有超出所设定的温度阈值则直接将温度显示在显示屏上。程序流程如图4所示。

图4 系统软件总流程图

3.1 数据采集模块

在确定系统中存在DS18B20 温度传感器之后，即为初始化成功，开始下一步的读写操作。DS18B20 温度传感器的温度转换过程需要一定的时间，即在接收到温度转换命令到读取出温度转换值中间有一定的时间间隔，时间间隔大概750 毫秒，所以系统中采用了延时1 秒的子函数，这样就可以顺利完成温度转换过程。接着就可以通过DQ 端将数据传送给单片机进行处理。单片机从DS18B20 中读数时，DS18B20 是以字节为单位向单总线发送数据，先发送低位，后发送高位。经过相关的处理和运算后再把温度值送到LoRaSX1278。数据采集模块的工作流程图如图5所示。

图5 数据采集模块工作流程图

3.2 LCD 液晶显示模块

启动显示屏显示显示“设置报警温度”和“查看从机温度”度两个选项。在设置阈值菜单下显示最高报警温度和最低报警温度两个选项，用“+”“-”来选择当前操作按确认键进入，按返回键退出。在“查看从机温度”菜单下显示从机编号和当前温度，利用“+”“-”按键完成所选择从机的操作。在“设置报警温度”菜单时，屏幕显示“高温报警温度”和“低温报警温度”两个选项，用“+”“-”选择相应的待设置温度，再用“+”“-”进行温度调节，设置好确认保存并退出。在出现温度警报时，屏幕显示温度异常的从机编号。

3.3 声光报警控制模块

在设置了高温报警温度和低温报警温度之后，系统根据采集到的温度与设定的温度阈值进行比较的结果，判断出是高温报警还是低温报警，然后执行相应的报警动作。报警动作在人为关闭后复位，进入下一次报警逻辑循环判断，从而控制蜂鸣器和发光二极管的状态，发挥声光报警的作用。

4 结 论

本文提出了一种基于LoRa 无线传输的大规模高压开关柜的无线温度监测系统的设计。本设计将无限物联网LoRa技术应用至高压开关柜温度的智能采集系统上，极大地缩短了采集响应时间，提升了采集成功率，为电力系统的安全运行提供了有效的支撑。本文用STM32 单片机作为核心控制器，将DS18B20 温度传感器采集到的数据通过LoRa 无线通信技术统一传输到服务器中，进行数据存储与显示，同时对温度数据进行判断，超出设定温度阈值即启动报警动作。本文从系统整体结构、硬件的设计和软件的设计三方面阐述了高压开关柜无线温度监测系统的研究，此系统将使工作人员即使在很远的地方能清楚地掌握辖区内高压开关柜的所有动态温度状况，如果所监测的高压开关柜温度有任何异常，工作人员可以及时地接收到报警信号并进行处理解决，大大提升了工作效率，有效地保障高压开关柜的安全运行状态。