基于无线传感网络的电力电缆接头在线监测系统*

李　俊,钱承山,孙　鹏,王志伟

(南京信息工程大学信息与控制学院,南京 210044)



基于无线传感网络的电力电缆接头在线监测系统*

李俊,钱承山*,孙鹏,王志伟

(南京信息工程大学信息与控制学院,南京 210044)

摘要:针对现有的电力电缆接头温度在线监测系统存在的问题和缺陷,研制出一套新型的监测系统。该监测装置以ATmega16单片机和UTC1212无线透传模块为核心,对电缆接头温度数据采集和监测,利用GPRS网络来实现远程数据的传输。终端采用感应取能供电,利用超级电容的大容量储能和快速充放电特性,经储能超级电容和放电超级电容输出给监测系统供电。

关键词:电力电缆接头;防碰撞;无线传输;GPRS;温度监测;超级电容

在城市和大中型企业的供电系统中,越来越多的使用电力电缆供电。现全国运行的电力电缆故障80%以上是由于电力电缆附件故障引起的,其中电缆接头引起的事故占一半以上[1]。在采用电力电缆输电专用电网中,6 kV～10 kV电缆平均每300 m～500 m就有一处电缆接头。由于接触电阻的存在、绝缘材料的性能不佳或制作工艺不完善等,是导致电缆接头频发故障的主要原因[2]。

实际运行经验和理论分析均表明,电缆接头处发生的各类故障并不是一个突发的过程,通常是因为接头处温度不断升高,使绝缘逐步老化、泄漏电流逐渐增加,到达一定程度后再发生击穿,是一个由量变到质变的过程。因而,连续地监视电缆头温度的变化,就可以全面准确的了解其工作状态,根据情况适时进行停电检修[3]。

目前通常采用的集散式温度监测系统[4-5],只适宜企业内部一个相对小的范围内应用,对于城市供配电网,特别是那些采用地下直埋电缆敷设方式的供配电网,由于现场无法提供电源、现场装置难以与中控室监控设备建立通信通道,传统方式显得无能为力。它具有以下新特点:①安装方便,无须现场维护;②当温度超过设定值时,能够主动发送报警信号给运行人员;③可根据历史数据,对电缆运行状况进行评估。

基于光纤传感方式的电缆接头温度监测系统得到了一定应用,但光纤传感方式需要敷设光缆,工程量较大,而且光纤传感器本身成本较高,难以获得大规模应用[6]。对比光纤传感技术,无线传感网络技术具有以下优点:通信与传感集成为一体,体积小、安装方便;成本低廉,适合大规模组网;无线网络技术是实现站内高压电缆接头温度监测的理想方案。

1　系统设计

整个网络由若干个无线传感节点、多个中心节点和监测终端组成。其中,无线传感节点分布于所要监测的区域,负责对温度的采集和预处理,并通过无线信号发射出去;中心节点负责接收数据,将数据进行统一的打包并通过GPRS网络传输给监测终端;监测终端负责对数据进行解包、分析和储存,然后在PC软件的支持下对各个监测点数据进行查看、调阅等,对超过警戒值的节点及时报警。系统设计总结构图如图1所示。

图1　系统设计总结构图

2　硬件设计

2.1无线传感终端节点设计

无线传感终端节点一般有温度采集模块、数据处理模块、无线通信模块、能量供应模块4部分组成。

2.1.1温度传感器的选取

电缆接头温度的变化是一个缓慢变化过程,只要在警戒值以下,具体的温度数值对巡视人员来说,没必要关心,而真正需要关注的是温度是否越限,即是否达到临界值。本文选用新一代智能单线数字温度传感器DS18B20,该传感器测温范围为-55 ℃～+125 ℃,在-10 ℃～+85 ℃范围内,精度为±0.5 ℃。DS18B20具备的突出优点有:仅3根引脚,体积小、结构简单、抗干扰能力强;采用了独特的“单总线”技术,仅需一根接口线即可完成信息的读写,节约了接口资源,同时编程方便;内含寄生电源可由单线总线供电,无需外部电源,降低了功耗;无需额外的A/D转换。基于以上优点,本文设计采用DS18B20作为温度采集节点的温度传感器。

2.1.2微控制器的选取

数据处理模块是无线传感终端的核心控制器件,选用ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 bit CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,ATmega16的数据吞吐率高达1 (MIPS)/MHz,从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。所有的寄存器都直接与运算逻辑单元相连接,使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问2个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率,并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率[7]。因此文中采用ATmega16单片机可以保证很好进行数据传送以及对温度的采集。

2.1.3无线模块的选取

无线通信模块选用UTC1212模块,UTC1212模块是高度集成超低功耗半双工微功率无线数据传输模块,片上集成嵌入高性能低功耗STM8L101处理器,采用最新一代高性能射频芯片SX1212。该模块显著特点:(1)支持在线唤醒功能,处于无线唤醒模式时平均功耗低于20 μA;(2)支持在线修改发射目标地址,载波频率等参数,方便实现多点通信;(3)FEC即前向纠错机制,利用传输冗长信息的方法,当传输中出现错误,将允许接收器再建数据。大大提高无线通信的抗干扰能力;(4)大容量数据缓冲区,最多一次可支持512 byte长度数据包;(5)支持载波监听功能,即在物理层上支持无线碰撞协议[8]。图2是终端节点硬件电路图。

图2　终端节点硬件电路图

2.1.4能量供应模块的选取

目前在线状态监测设备常用的供能方式有:太阳能供能[9-10]、蓄电池供能[11]、激光供能[12-14]、电容分压器供能[15]、超声波供能[16]、互感供能[17-20]等。太阳能的供电方式带负载能力有限,易受天气影响,且需长期维护;单一蓄电池供能结构简单易于实现,但其寿命有限,需要定期更换电池,不能满足长期运行的要求;激光供能输出电压纹波较小,噪声低,不易受到外界其他因素的干扰,但这种方法也会受到激光输出功率的限制,特别是光电池转换效率的影响,加大了电路设计的难度和使用成本[21-22];电容分压器供能设计简单,易于获取,但容易受温度、杂散电容、干扰、电磁兼容等因素的影响;超声波供能虽然是一种比较新的供能方式,但也存在设备造价高,转换器的转换效率低等问题。成熟且最为实用的是利用电磁感应原理,通过感应线圈从处于高电位的电力电缆上获取电能的方式,线圈与监测设备都处于高电位,避免监测系统高压绝缘的问题,且消除了高压母线与监测系之间直接的电气联系[23]。

本设计结构如图3所示[24],包括取能线圈、冲击保护、整流滤波、稳压、超级电容、锂电池及控制部分。其中冲击保护采用1个瞬态抑制二极管(TVS),其稳压值略大于后端稳压芯片最大允许输入值;整流采用常用的桥式整流;滤波也为常用π型LC滤波;超级电容1储存能量用来为超级电容2充电,作为储能电容使用;超级电容2给负载供电,作为放电电容使用。当滤波后的电压大于设置的电压范围值时,过压保护电路将多余的电压送入到锂电池中进行充电。当互感器输出功率不足时,负载将由锂电池进行供电。由于篇幅有限,就不进行详细的说明。如图3所示取能电源结原理图。

图3　取能电源结构原理图

图4　无线传感节点体系结构

无线传感节点体系结构如图4所示。

2.2中心节点设计

中心节点负责接收各个测量节点的温度数据,并对各个终端节点数据进行分析和处理,然后统一打包通过GPRS网络发送给远端的监测终端。因此中心节点的设计要点是高性能,高存储空间,接口丰富。MCU采用具有双串口单片机STC12C5A60S2,该单片机是高速、低功耗、超强干扰的新一代8051单片机。GPRS模块选用TC35系列的TC35i模块,具有设计紧凑、高性价比等特点,并且已经有国内的无线电设备入网证。GPRS模块与UTC1212之间采用UART连接。其中短距离的通信模块同样使用无线传输模块UTC1212。如图5所示的中心节点结构图。

图5　中心节点系统结构图

3　系统软件设计

3.1数据采集流程图

终端节点对通过温度传感器进行温度的采集,将采集的数据通过串口传输给无线模块。数据采集流程如图6所示。

图6　数据采集流程图

3.2无线通信流程图

无线通信分为接收端的无线通信和发送端的无线通信。为了降低功耗,在软件设计中采用了唤醒工作机制。UTC1212可以通过SET_A和SET_B设置芯片的4种工作模式:正常模式、唤醒模式、省电模式、休眠模式(配置模式)。图7和图8分别是低功耗发送端和接收端的工作流程图。

图7　低功耗发送端工作流程图

图8　低功耗接收端工作流程图

3.3监测界面的软件设计

该数据监测中心软件是基于WPF(Windows Presentation Foundation)使用C#开发的桌面应用程序,WPF是微软新一代的桌面平台技术。原有的Windows开发都是使用GDI或GDI+子系统绘制图形,WPF几乎改变了原有的Windows技术,其中最主要的是绘制图形交给了新的图形平台DirectX,更好的设计用户界面,提升用户界面的美观性、友好性,改变了传统工业软件界面的状况。

监测界面软件主要实现了一下功能:

(1)登陆界面:给每个用户分配账号、角色或权限,用户输入正确用户名和密码即可成功登陆,如果登陆失败,则提示“登陆失败,用户名或密码错误”;如图9所示。

(2)温度报警:当接受到终端发送报警信号时,可以通过短信的方式提醒运行人员,以便采取及时处理,避免事故的发生;

(3)实时温度曲线显示:包括温度曲线的动态显示以及历史数据查询的曲线显示;如图10所示。

(4)数据报表打印;

(5)数据终端管理模块,包括数据终端的添加、修改、删除;

图9　登陆界面

图10　实时温度曲线

4　结束语

本文采用两级传输网络,第1级采用自由频段的短距离无线通信方式,既可以实现高压隔离和绝缘,又可以实现对各个终端节点温度信号的采集和短距离的传输,采用了最新一代的无线透传模块,编程简单,通过控制串口就可以实现数据的传输,真正做到所见即所得。如图11所示无线传感终端安装图。

图11　无线传感终端现场安装图

第2级采用了不受地区限制的GPRS网络,温度信号通过一台GPRS模块传送到监测终端,实现了所管制区域的所有接头温度的统一监测。对于供电问题采用了基于超级电容的取能电源设计,为各个节点提供了稳定的电源。通过监控终端后台软件的设计,可以实现区域内所有电缆接头温度信息的调阅、查询和监测报警以及故障预报。

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李俊(1988-),男,汉族,江苏宿迁,南京信息工程大学,硕士研究生,主要研究方向为电气自动化、物联网应用,lijun_nuist@163.com;

钱承山(1971-),男,汉族,山东泰安,南京信息工程大学,教授,主要研究方向为自动检测技术、智能终端与物联网应用,qianchengshan@163.com。

PowerCableConnectorMonitoringSystemBasedonWirelessSensorNetworkMonitoringSystem*

LIJun,QIANChengshan*,SUNPeng,WANGZhiwei

(School of Information Science and Control,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)

Abstract:For existing the problems and defects of power cable connector’s temperature increase,a new type of monitoring system was developed .The monitoring system fits ATmega16 microcontroller and UTC1212 wireless transparent transmission module as its core part for collecting and monitoring the temperature data of the cable connector,and uses the GPRS network to remote data transmission.Terminal can be powered by using induction change of super capacitor energy storage.For its fast charge and discharge characteristics,the super capacitor can be as a power supply to output its energy storage by discharge to the monitoring system.

Key words:power cable connector;anti-collision;wireless transmission;GPRS;temperature monitoring;super capacitor

doi:EEACC:7210;6050P10.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.040

中图分类号:TP273

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)04-0767-05

收稿日期:2013-07-17修改日期:2013-08-08

项目来源:企事业委托项目(2013h066);南京信息工程大学科研启动基金项目(20100307)