高压开关柜温度远程在线监测系统设计*

许松枝，汪 沨，谭阳红，李 楠，谢望君

(1.湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙410012;2.国网湖南省电力公司 株洲供电分公司，湖南 株洲412000)

0 引 言

高压开关柜在电力系统中起到断开和关合电力线路、保护系统安全的双重功能［1］。目前，安装高压开关柜的变电站通常是无人值班管理模式［2］，为预防由于温度过热而导致的电力事故，发展高压开关柜温度的远程在线监测技术十分重要［3，4］。现有测量温度方法主要有光纤测温法和红外测温法，但光纤测温法［5，6］减少了开关柜内的绝缘空间，给开关柜带来了安全隐患;红外测温法［7，8］受到红外线只能沿直线传播的限制，无法监测封闭在开关柜内的触点温度。

SAW 传感器［9，10］是一种无源无线传感器。无线方式不影响高压绝缘，避免有线方式“爬电”的隐患，且安装不受设备结构和空间影响，完全无源，便于维护，可靠性高。

本文阐述了SAW 温度传感器的工作原理，设计了一种基于SAW 温度传感器和GSM 模块［11，12］的高压开关柜温度远程在线监测系统，并通过实验测试和现场测试证明了该系统的实用性。

1 系统结构与工作原理

高压开关柜温度远程在线监测系统结构总体框图如图1所示，系统由6 只SAW 传感器和1个无线询问器组成。SAW 温度传感器采用谐振型传感器，在不同温度下有不同的固定谐振频率，当激励信号频率等于传感器的谐振频率时，传感器将发生谐振，此时反射的回波信号也最强，并且传感器的谐振频率与温度有线性关系。将SAW 温度传感器固定在高压开关柜内需要温度监测的节点上，询问器向传感器发送高频正弦激励信号并接收传感器反射的回波信号，然后通过回波信号的强弱判断传感器是否发生谐振，最后根据温度与谐振频率的关系确定节点的温度;为实现远程监控，系统加入GSM 模块，当温度过高或者供电电压过低时，系统可向管理人员发送短信报警，同时，工作人员也可以向系统发送短信来查询即时温度或者改变系统参数，如报警温度阈值、电压报警阈值以及接收短信的目标手机号码。

图1 系统总体结构框图Fig 1 Overall structure block diagram of system

6 只传感器的中心谐振频率各不相同，分别为497.500，498.500，499.500，500.500，501.500，502.500 MHz，询问器产生的高频信号频率在497，503 MHz 范围内，当监测的温度在25～75 ℃内，对应每只传感器的谐振频率变化在1 MHz以内，所以，传感器之间不会互相干扰，使得系统能够一对多地进行温度采集。基于上述原理，本系统还能增加传感器的数量继续拓展，但要注意询问器和传感器之间的距离不能超过3 m，否则，激励信号会由于距离过远而衰减，导致传感器失效。

2 系统硬件设计

2.1 SAW 温度传感器

SAW 温度传感器的工作原理为:接收询问器发射的电磁波信号并由其内部的叉指换能器转换成声表面波;SAW再经叉指换能器转换成电磁波信号经由天线返回到询问器;声表面波的传播特性与温度有线性特征关系，从而使传感器返回的回波信号具有温度特征，其工作原理示意图如图2(a)所示。本设计采用江苏声立传感技术有限公司生产的SAW 温度传感器，实物图如图2(b)所示。

2.2 无线询问器

无线询问器是本系统的核心，也是本设计的重点。基于传统雷达技术，以扫频的方式向传感器发送间歇正弦信号并接收回波信号，通过采样回波信号来判断SAW 温度传感器是否发生谐振。高频询问器主要由低功耗单片机MSP430F167、DDS 模块、倍频模块、RF 功放模块、A/D 转换模块、包络检波模块、滤波器、收发开关以及GSM 模块组成，其结构图如图3 所示。

图2 SAW 温度传感器Fig 2 SAW temperature sensor

图3 询问器结构图Fig 3 Structure diagram of interrogator

询问器工作分为发射周期和接收周期，首先收发开关连接发射端，DDS 模块产生一个高频信号，经过倍频、滤波和放大后通过天线辐射出去;随即将收发开关转换至接收端开始接收SAW 温度传感器的回波信号，经滤波、放大和检波后变成了低频包络信号，最后通过AD 采样判别回波信号的强度。然后改变DDS 模块产生信号的频率重复如上步骤，频率在497～503 MHz 变化，每次变化步长1 kHz。

2.3 MCU 唤醒电路和供电电路设计

高压开关柜的房间没有220 V 接口供电，所以，无线询问器采用10 A 的锂电池供电。将询问器处于低功耗状态，每隔4 h 由MCU 唤醒电路唤醒一次，执行IO 中断函数，然后再进入休眠。

MCU 唤醒电路由计数器CD74HC4040 组成，电路如图4(a)所示，计数器时钟端接单片机的PWM 输出口(MSP430F167 在LMP3 模式下仍能产生PWM)，将计数器的第12 位输出端接单片机的IO 中断口，输出的PWM 上升沿将触发MCU 产生IO 中断。另外，供电模块也做了特殊设计，MCU 和MCU 唤醒电路采用TLV1117—3.3 稳压供电，而其余模块则由TPS7A4501 稳压供电，其中TPS7A4501 的使能端接MCU 的IO 口，可以通过程序控制关闭和启动，电路如图4(b)所示。

3 系统软件设计

3.1 DDS 软件编程

DDS 芯片采用AD9854，控制信息由单片机采用串行方式传送，控制信息的刷新信号(UDCLOCK)也由单片机提供。在单片机完成传送控制信息后要等待几微秒再传送刷新信号，以避免AD9854 在控制信息数据没有完全传送时发生刷新。具体过程为:芯片加电;复位;传送相应的控制信息数据;控制信息的刷新信号。

图4 电路原理图Fig 4 Principle of circuit

3.2 SMS 短信编程

利用GSM 模块发送SMS 短信以实现人机之间的远程实时对话。

当温度过高时，系统会发出短信:“The temperature of 1#node is higher than 50.0”，其中，1#代表1 号节点，当其他节点温度过高时会发出对应节点的温度报警信息，50.0 是当前设定的温度报警阈值50 ℃;当供电电压过低时，系统会发出短信:“The voltage of power is lower than 5.5”，其中，5.5 为当前设定的电压报警阈值5.5 V。

同时，系统在每次被唤醒后都会检查有没有新短信，并根据新短信的内容做出相应的回应，为防止骚扰短信，对短信格式做了特别的规定，如，短信“SMS0”为查询当前温度和电池电压信息，系统将会回答短信“25.5，25.6，25.7，25.8，25.9，26.0，6.5”，分别表示6 个节点的温度和电池电压信息;短信“SMS1—55.5”为把温度报警阈值设为55.5 ℃;“SMS2—6.0”为把电压报警阈值设为6 V;“SMS1—15700742222”表示把GSM 发送短信的目标手机更改为15700742222。

3.3 系统程序主流程图

系统程序主流程图如图5 所示。

图5 软件流程图Fig 5 Software flow chart

主程序首先进行系统初始化:设置系统的工作频率、初始化PWM 模块给唤醒电路提供时钟信号、初始化ADC 模块来转换电池电量、初始化UART 来实现单片机和GSM 的通信、配置IO 中断以配合单片机进入低功耗模式，随后关闭TPS7A4501 稳压芯片的使能端进入LPM3 模式。在LPM3 模式下MCU 的耗电量不到1 μA，CPU，DCO，MCLK，SMCLK 都被禁止，但ACLK 活动，能够持续产生PWM。MCU 在唤醒电路的触发下每隔4 h 进入一次IO 中断函数，次IO 中断函数主要完成:GSM 新短信处理、电池电量检测、温度采集以及发送可能的报警短信。

4 系统性能评价

4.1 传感器温度—谐振频率特性

将SAW 温度传感器置于恒温箱内，恒温箱的温度从25～75 ℃变化，每次改变5 ℃。经测试，6 只传感器的温度—谐振频率特性如图6(a)所示，不难看出，各传感器在温度为25～75 ℃内，谐振频率不会重叠，相互之间不会干扰。

以1#传感器为例，1#传感器温度—谐振频率特性如图6(b)所示，传感器的谐振频率与温度几乎呈线性关系，拟合公式如式(1)

图6 温度—谐振频率特性Fig 6 Temperature-resonant frequency characteristic

因此，在温度未知的情况下，测得传感器的谐振频率点后便可根据此公式算出相应的温度。经过大量实验测试，本系统的温度测量误差在0.5 ℃以内。

4.2 系统测量准确度测试

本系统在湖南省电力公司株洲供电分公司的一个变电站进行了测试，现场变电站的开关柜正常运行时，开关柜是必须闭合的。首先用红外测温仪测量开关柜内温度为36.6 ℃，然后向系统发送短信“SMS0”和短信“SMS1—39.0”，得到测试结果如表1 所示。

表1 现场测试结果Tab 1 Results of field test

由于红外测温仪只能从外面测到开关柜内的温度，而本系统将传感器直接安装在开关柜内的触头上，测量的数据可信度更高，并且比红外测量的温度高2.5 ℃左右;同时，现场测试不能改变开关柜的温度，利用短信“SMS1—39.0”将报警温度的阈值设为39 ℃，从实验结果可以看出，本系统没有误报警。

4.3 系统的功耗分析

用U1253B 测量询问器正常工作时的平均电流为850 mA(810～880 mA 范围内变化)，低功耗模式下电流不到2 mA，而系统大部分时间处于低功耗模式，每4 h 被唤醒一次，一次工作时长不到3 min。经计算，采用10 Ah 的锂电池供电，能持续工作33 天左右，通过测试，系统实际能持续工作超过35 天。

5 结 论

该高压开关柜温度远程在线监测系统结构设计合理，系统工作稳定，抗干扰能力强，测量精度达到0.5 ℃，更换一次电池能持续工作超过35 天。采用具有无源无线特性的SAW 温度传感器，体积小，方便安装和维护，比光纤测温法安全，比红外测温法精确;单片机和DDS 芯片产生高频信号，并利用检波器将回波信号降频，降低了系统的研发难度和成本;通过GSM 模块进行人机交流，实现了远程在线监控。系统扩展性好，有很大的应用价值。

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