10kV电缆中间接头温度在线监测报警系统

阮浩洁 姚延军

（宁波电业局北仑供电局，浙江 宁波 315800）

随着社会经济的不断发展，社会生产以及生活用电量都在急剧攀升，在客观上加大了电力系统的输电负担。由于输电线路本身存在一定的电流抗阻，在电流通过的时候，不可避免的会由于电能转换为热能而导致输电线路产生一定的热量。如果热量过高，则很有可能刀子输电线路由于过热而损坏。同时，由于在输电线路之中存在大量的电缆接头，由于存在电缆头接触不良、压接头不紧、绝缘强度损坏等问题都可能导致温度的异常升高。因此，电缆接头相较于电缆的其他部位更容易损坏，不仅仅可能导致电缆损毁，同时还必然导致大面积的停电，甚至可能引发火灾事故。然而，在当前的技术条件之下，我们还无法避免电缆接头的发热问题，只能够针对这一现象研发电缆温度实时监控系统，从而及时的发现温度异常现象，并且有针对性的采取相应的措施，将危险消灭在萌芽状态。

1 电缆中间接头温度在线监测报警系统的方案设计

1.1 系统方案设计

针对电缆中间接头的温度过热现象的物理特征，文章拟采取以温度检测为主要检测手段，同时辅以烟雾检测作为温度检测失灵条件下的补救措施，并且整合电话报警系统。除此之外，为了防止传感器由于电缆接头爆燃或者炸裂过程中受损，导致无法向上位机传输信号，文章设计的是多主机系统，即每一个传感器对应的都是一个主机，主机之间可以相互通信，并且通过RS485现场总线向上位机系统设计方案如图1所示。

图1 基于单片机的多主机通信系统方案

如图1所示，基于RS485现场总线实现的单片机多主机通信系统的各个传感器终端都是主机，在通常状态之下都处于信息接收状态，只有在某个终端需要向上位机以及其他主机发送数据的时候，才转换成发送状态，向RS485现场总线发送数据。这种系统设计方案的优势在于改变了过去的主机轮流循环询问各个从机的操作流程，各个终端设备之间的通信变成了按需发布信息或者接受信息，从而减少了单个主机的负荷，提升了系统的实时性。在终端设备需要报警的时候，能够及时的报警，并产生其他的一系列的连锁动作。但是，在该方案之下，需要解决一个重要的问题就是通信协议的解决问题。

1.2 硬件选型

本方案的关键硬件为 PLC，文章选择西门子PLC SP300以及三菱PLC FX2N。上位机采用的是西门子PLC SP300，西门子PLC SP300用于对过程处理能力和响应时间要求很高的应用。通过其工作存储器，该PLC也适用于中等规模的应用。该PLC的微处理器每条二进制指令执行时间约100ns，每条浮点数运行指令约3μs，具有96KB高速 RAM（相当于大约32K的指令）用于执行相关的程序部分，为用户程序提供充分的空间；微存储卡（最大8MB）作为程序的装载存储器，也允许在 CPU中保存项目；拥有多达4排结构的32个模块；内置MPI接口可以最多同时建立12个与S7-300/400或与PG、PC、OP的连接。在这些连接中，始终分别为PG和OP各保留一个连接。通过“全局数据通信”，MPI可以用来建立最多16个CPU组成的简单网络。各个设备终端主机采取用的是三菱 PLC FX2N，其具有小型化、高速度以及高性能等特点，编程简单，除输入出 16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等。在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。可选用 16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。除此之外，还可根据电源及输出形式，自由选择程序容量。因此，该PLC组合能够完全满足系统功能的需求。

温度传感器选用的是 DS1820传感器，该传感器是美国达拉斯（DALLAS）公司生产的单线数字温度传感器，具有低功耗、高性能、抗干扰能力强以及适配性好等特点，在多点温度测控系统之中应用较为广泛，能够直接将温度转化成串行数字信号，从而供PLC处理，除此之外，在每一个传感器之上都有唯一的产品序列号，并且能够存储在其Rom之中，这就使得在构成大型温度监控系统的时候，在但线上挂接任意多的传感器都是可行的。除此之外，由于 DS1820传感器自身的设计较为科学合理，从其中读取或者写入信息都只需要一根口线，其读取温度或者变换频率都来源于数据总线，而且总线本身还兼有给芯片供电的功能，不需要额外的电源，因此能够有效的减少布线的难度和工作量，而且该芯片能够提供9位数的温度读数，不需要任何的其他外围硬件的检测就能够方便的构成温度监控系统。

2 通信方案的设计

本方案的通信是基于西门子PLC以及三菱PLC自身的通信模块，依据MODBUS协议，通过主站/主站的模式进行数据通信。该通信是通过现场总线RS485实现的。而各个设备终端主站之间的通信则是利用三菱 PLC FX2N的串口通信模块，并且在PLC之上增加一个CP340串口通信模块，运用主站广播模式，向各个设备终端发布查询命令通信程序包括了信息的发送、接受、验证以及校验计算等几个部分，其基本结构如表1所示。

表1 串口通信数据结构

文章设计的方案包括了两个PLC，因此进行通信模块的设置时也要在两个通信模块分别进行设置。首先，在西门子PLC S7-300中，设置工作模式为RS485，然后将串口设置为9600.8.1.None，将通信模式选择为双工通信，其余设置采用默认设置，完成组态编辑之后，保存设置，并将其下载到PLC站点之中。完成西门子PLC的通信模块设置之后，继续对三菱 PLC FX2N进行设置，由于三菱 PLC FX2N的通信接口型号为FX2N-485-BD，该通信模块实际上采用的是双芯屏蔽电缆，屏蔽层介入SG，电缆的双芯分别接入的是 SDA以及 SDB。可以依据三菱PLC FX2N随机自带的通信手册采用无协议通信方式，利用 MODBUS通信协议原理自行设计具体的通信规则。

3 结论

对电力电缆的中间接头温度进行实施检测，不仅仅能够及时的发现电缆接头部分局部过热问题，及早处理安全隐患，同时也能够为电力电缆的符合调控或者动态增容提供依据。基于单片机的 10KV电缆中间接头温度在线监测报警系统具有低成本、高便捷性的特点。文章提出的一种基于RS485现场总线以及串口通信的多主机通信网络系统，在上位机与各个温度、烟雾传感器之间通过RS485现场总线进行通信，提升了通信效率，而各个设备终端之间则通过串口通信实现相互之间的直接通信，进一步降低了上位机的工作负荷，同时也确保了通信的实时性，在功能性和效率性方面都得到了有效的保障，能够及时的侦测电缆中间接头温度异常现象，因此具有很好的发展前景。

[1]陈炎锋.光纤Bragg光栅在电缆中间接头测温中的应用研究[D].昆明理工大学, 2012: 45-46.

[2]刘刚,雷成华,刘毅刚.根据电缆表面温度推算导体温度的热路简化模型暂态误差分析[J].电网技术,2011(4): 123-124.

[3]王振浩,辛业春,杜长军,李国庆.城区电力电缆接头故障在线监测系统[J].电力系统保护与控制, 2009(2):56-57.

[4]徐元哲,王乐天,高洪学,谢学征.电力电缆接头温度场分布的理论研究[J].电力系统保护与控制, 2008(24)87-89.

[5]梁永春,李延沐,李彦明,柴进爱,王正刚,李忠魁.利用模拟热荷法计算地下电缆稳态温度场[J].中国电机工程学报, 2008(16) 123-124.

[6]王立,李华春,薛强,周作春.220kV电缆分布式光纤测温系统运行情况分析[J].电力设备, 2007(6) 54-56.