高压开关柜触头温度在线监测系统.pdf

高压开关柜触头温度在线监测系统，包括依次相连接的中继器、转换器和本地工作站，中继器还分别与多个监测分机相连接，中继器采用RS-485，转换器采用RS-485。本发明监测系统能在高电压、高温度及强磁场环境中，对高压开关柜触头的温升值进行实时监测，通过检测高压开关柜触头温度，实时了解隔离触头温度与高压开关柜体温度相比的温升值，即时报警，避免出现隔离触头温升过高，甚至烧毁，造成停电的现象，同时完成各汇聚节点数据的收集、存储、查询和报表输出。

1.  高压开关柜触头温度在线监测系统，其特征在于，该监测系统包括依次相连接的中继器(2)、转换器(3)和本地工作站(4)，中继器(2)还分别与多个监测分机(1)相连接，中继器(2)采用RS-485，转换器(3)采用RS-485。

2.  按照权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述的监测分机(1)的结构包括：微控制器(5)分别与液晶显示器(6)、按键模块(7)、温湿度传感器(8)、串行通信接口(9)、无线接收模块(10)、蜂鸣器(13)、指示灯(14)和继电器(15)相连接，无线接收模块(10)分别与9个无线温度传感器节点(11)相连接，9个无线温度传感器节点(11)分别与感应电源(12)相连接。

3.  按照权利要求2所述的监测系统，其特征在于，所述的微控制器(5)采用C8051F020单片机。

4.  按照权利要求2所述的监测系统，其特征在于，所述的无线接收模块(10)包括依次相连接的微处理器(16)、ZigBee物理层芯片(17)和天线(19)，微处理器(16)和ZigBee物理层芯片(17)分别与电源模块(18)相连接。

5.  按照权利要求4所述的监测系统，其特征在于，所述的微处理器(16)采用MC9S08QG8。

6.  按照权利要求4所述的监测系统，其特征在于，所述的ZigBee物理层芯片(17)采用MC13192。

高压开关柜触头温度在线监测系统
技术领域
本发明属于输变电设备状态监测技术领域，涉及一种高压开关柜触头温度在线监测系统，该系统通过检测高压开关柜触头温度，实时了解隔离触头温度与高压开关柜体温度相比的温升值，即时报警，避免出现隔离触头温升过高，甚至烧毁，造成停电的现象。
背景技术
目前，输变电系统中普遍使用小车式开关柜，并通过插头联接开关柜与断路器。若触头接触不良，将导致触头的接触电阻增大，触头温度上升，甚至会烧毁触头，造成输变电系统停电。这种现象在大电流开关柜如进线柜上尤为突出，影响极大。为避免触头温升造成的输变电系统停电事故，需对触头的温升进行监测，及时采取相应的措施，降低触头温度。现有触头的测温采用被动式测温和主动式测温。被动式测温是通过接收触头被测量点幅射出的远红外波，并判断该远红外波的波长，确定被测量点的温度。其优点在于通过温升监测系统中的凸透镜直接接收被测量点发出的远红外波，接收器(传感器)可远离测量点，解决了高压隔离以及传感器环境温度高的问题，测量系统结构简单；缺点是只可测量在传感器直视范围内的被测量点的温度，限制了该监测系统的应用范围。主动式测温则是通过埋设在被测量点的温度传感器直接测量该测量点的温度。其优点在于测量点的位置不受限制，传感器安装布置灵活；缺点是传感器在高温、强电场和强磁场环境条件下，工作不可靠，且传感器与主机之间存在高电压隔离和传感器自身工作电源的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压开关柜触头温度在线监测系统，实时监测高压开关柜触头温度的变化，该系统中的传感器在高温、强电场和强磁场环境条件下，工作可靠，并且可灵活安装布置，同时解决了传感器与主机之间的高电压隔离和传感器自身工作电源的问题。
本发明所采用的技术方案是，高压开关柜触头温度在线监测系统，包括依次相连接的中继器、转换器和本地工作站，中继器还分别与多个监测分机相连接，中继器采用RS-485，转换器采用RS-485。
本发明的特征还在于，
监测分机的结构包括：微控制器分别与液晶显示器、按键模块、温湿度传感器、串行通信接口、无线接收模块、蜂鸣器、指示灯和继电器相连接，无线接收模块分别与9个无线温度传感器节点相连接，9个无线温度传感器节点分别与感应电源相连接。
微控制器采用C8051F020http://www.ic37.com/hot/C8051F020.htm单片机。
无线接收模块包括依次相连接的微处理器、ZigBee物理层芯片和天线，微处理器和ZigBee物理层芯片分别与电源模块相连接。
微处理器采用MC9S08QG8。
ZigBee物理层芯片采用MC13192。
本发明监测系统具有如下优点：
1.系统核心采用微处理器控制，嵌入了多种智能化的控制算法，具有传统控制方法无法比拟的优越性。
2.针对应用环境的复杂性，采用独特抗干扰技术和高可靠性设计，使系统具有抗干扰能力强和可靠性高的特点。
3..采用模块化设计，可以方便的增加和删减各种功能，拓宽了应用范围，可为用户量身定做。
4.采用冗余设计，预留多个功能接口，可以方便的进行功能扩展。
5.系统设计向下兼容，后续更新换代产品可以可前期同系列产品无缝的连接，方便系统升级。
6..系统配置有液晶显示器，对于能数字显示的部分进行数字显示，例如温湿度值、当前的时间。
7.采用双线串行连接进行数据通讯，兼容RS485和RS232接口。
8.采用ZigBee无线温度传感器节点，解决了高压开关触头处于高电压、高温度、强磁场以及极强的电磁干扰环境中电子测量装置难以适应的问题。
附图说明
图1是本发明监测系统一种实施例的结构示意图；
图2是本发明监测系统中监测分机的结构示意图；
图3的本发明监测系统中无线接收模块的结构示意图；
图4表示本发明系统中监测分机的流程框图。
图中，1.监测分机，2.中继器，3.转换器，4.本地工作站，5.微控制器，6.液晶显示器，7.按键模块，8.温湿度传感器，9.串行通信接口，10.无线接收模块，11.无线温度传感器节点，12.感应电源，13.蜂鸣器，14.指示灯，15.继电器，16.微处理器，17.ZigBee物理层芯片，18.电源模块，19.天线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明监测系统一种实施例的结构，如图1所示，包括依次连接的中继器2、转换器3和本地工作站4，中继器2还分别与多个监测分机1相连接，中继器2采用RS-485中继器，转换器3采用RS-485转换器。
本发明监测系统中监测分机1的结构，如图2所示，包括微控制器5，微控制器5分别与液晶显示器6、按键模块7、温湿度传感器8、串行通信接口9、无线接收模块10、蜂鸣器13、指示灯14和继电器15相连接，无线接收模块10分别与9个无线温度传感器节点11通过无线方式相连接，9个无线温度传感器节点11分别与感应电源12相连接。
一套监测分机1中包含有9路无线温度传感器节点12，完成对9路触头、柜体温度的监测，9路无线温度传感器节点12同时向分机上的无线接收模块10发送采集的信息数据，无线接收模块10在通过串口将采集的信息数据发送给微控制器5，并且每一路无线温度传感器节点12都是每隔一秒发送一个8个字节的数据包，而每一套监测分机1中只有一个微控制器5，要求微控制器5的速度很快，所以微控制器5采用C8051F020http://www.ic37.com/hot/C8051F020.htm单片机，该单片机是一种混合信号SoC型8位单片机，其集成度很高，具有流水线指令结构；70％的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期，速度可达25MIPS(时钟频率为25MHz时)，能实时对无线温度传感器节点11发送的信息进行处理。监测分机1通过RS485或CAN总线与本地工作站4相连。
无线接收模块10接受无线温度传感器节点11传输的信息数据，并将接收到的信息数据传送至微控制器5，微控制器5在接收无线接收模块10输入信息数据的同时，还接收安装于高压开关柜柜体的温湿度传感器8采集的温度信息，微控制器5将接收到的两种信息进行差运算，计算出开关柜的温升值，并将该温升值通过液晶显示器6予以显示。微控制器5还需将该温升值与预先设定的预警值和报警值进行比较，当计算得到的温升值高于预先设定的值时，微控制器5通过继电器15打开安装在高压开关柜柜体上的指示灯14，并且开启蜂鸣器13，进行预警或报警，提醒检测人员做出相应措施。
无线接收模块10实现了触头温度监测节点与监测分机1之间的无线通信，相当于ZigBee网络中的全功能设备(FFD)，无线接收模块10垂直插在主电路板上(由于无线接收模块属于高频电路板，垂直插在主电路板上可以减少其对主电路板的影响)，其结构如图3所示，包括依次相连接的微处理器16、ZigBee物理层芯片17和天线19，微处理器16和无线模块17分别与电源模块18相连接。
微处理器16采用MC9S08Q68。ZigBee物理层芯片17采用MC13192。
无线温度传感器节点11相当于ZigBee网络中的精简功能设备(RFD)，由无线模块17、DS18B20数字温度传感器和电源模块18组成。
9路无线温度传感器节点11和无线接收模块10组成了一个小型ZigBee网络，该ZigBee网络采用具有缩减功能的ZigBee协议栈，其主要功能包括SPI接口读写操作、ZigBee芯片的初始化、数据发送、数据接收、CCA检测、PHY数据结构生成和MAC层数据结构生成等。该ZigBee协议栈可以组成星形网络，实现本监测系统基本的数据传送功能。无线模块17采用的MC13192具有碰撞避免策略，同时采用了空闲信道能量评估策略，使得固定区域内的监测分机1不会发生误收或不收某分路无线温度传感器节点11发出的信息的现象。
电源模块18由感应线圈和整流滤波电路构成。该感应线圈由铁芯和绕线构成，整个感应线圈被浇铸封装在环氧树脂内再套在触臂上，由于流过高压开关柜触头的电流是交变电流，通过电磁感应，感应线圈(相当于变压器)从一次电流回路取电，产生感应电流，并将该感应电流输送给整流滤波电路，整流滤波电路将输入的感应电流进行整流滤波处理，为无线模块17提供3.3V电压。经测试感应线圈一次回路电流在40A～8000A范围内，该感应线圈均能稳定工作，当感应线圈一次回路电流小于40A时，对于大电流高压设备来说，认为触头不发热，因此，感应线圈一次回路电流小于40A时，不需对触头的温度进行检测，此时无线温度传感器节点11无需工作。铁芯与线圈的结构和设计参数根据触头的形状、大小及触臂的外围形状确定。
电源模块18中的DS18B20数字温度传感器通过高压屏蔽线与电源板连接，提供9位温度读数，指示所测器件的温度。测得器件的温度信息经过单线接口送入该温度传感器或从该温度传感器送出，微处理器16与DS18B20数字温度传感器之间仅需连接一条线(和地)。该温度传感器的读、写和完成温度变换所需的电源由数据线本身提供，而不需要外部电源，其测量范围从-55℃至+125℃，增量值为0.5℃。
无线温度传感器节点11的电源模块中有一个电可擦写可编程只读存储器AT24C02，用来存储无线温度传感器节点11的地址，并可以多次修改该地址。
高压开关柜运行在高电压、大电流的环境中，而输变电系统发生事故的瞬间，经常出现强烈的电磁暂态过程，都产生强电场、强磁场及强电磁干扰，不利于微电子系统及微弱信号的处理。无线温度传感器节点11靠近断路器触头，为了避免强电场、强磁场及强电磁的干扰，将无线温度传感器节点11浇铸封装在环氧树脂内，利用环氧树脂体系具有的高介电性能、耐表面漏电和耐电弧的优良性能，起到很好的隔离作用。无线温度传感器节点11中的DS18B20温度传感器从环氧树脂中伸出，直接固定在待测触头的触臂上，与测温点处于同一电位，减少电场的影响，快速准确感应触头的温度变化。为消除随机因素的干扰，利用触头温度变化相对缓慢的特点，对检测点的温度信号反复接收，多次采集，排除异常数据以保证数据的可靠。
监测分机1的程序流程图，如图4所示。该流程为无限循环，无线温度传感器节点11和温湿度传感器8不停地对开关柜、触头和开关柜按键的状态进行监测，并将监测到的信息输入微控制器5，微控制器5对接收到的信息进行处理，同时，可通过按键模块7向微控制器5输入相应的指令，使得微控制器5实时输出各种控制信号，最后清除看门狗计数器，以确认系统正常运转。
本系统预先设定报警优先级高于预警优先级，只要接收到触头的温升值高于报警值，都将直接进行报警。每次发出预警或报警信号(前面板的预警或报警灯闪烁)后，系统返回监测状态进行查询判断。进行预警或报警后，在网关节点达的温度低于预先设定的预警或报警值2？以下，用于预警或报警的指示灯才会熄灭，防止了温度反复变化而导致得到的预警或报警指示灯乱闪。
本发明监测系统的工作过程：
监测分机1首先通过串行通信接口9接收上位机发送的各参数数据，并将接收到的数据通过液晶显示器6予以显示，同时通过液晶显示器6显示无线温度传感器节点11传输的触头实际温度与柜体温度的差值和温湿度传感器8监测到的外部环境温度与湿度，根据设定的触头温度值，通过微控制器5控制蜂鸣器13鸣响和指示灯14发光，实现预警和故障报警。并且通过串行通信接口9向本地工作站4上报报警信息与通信，上报查询温度、状态信息和更改系统温度设置。通过按键模块7完成6位键盘数据的录入；向温湿度传感器8提供电源且完成信息采集。通过串行通信接口9和无线接收模块10，分别实现无线通信数据的采集、系统数据打包处理，电平转换上报回传、数据处理驱动液晶和根据温度值控制3路继电器，通过3路继电器控制安装在开关柜前面板上的3路指示灯。在不影响正常运行条件下，可在线输入新的报警数据，新的数据在确认键按下后生效。
本监测系统兼容多种操作系统，能在高电压、高温度及强磁场环境中，对高压开关柜触头的温升值进行实时监测，完成各汇聚节点数据的收集、存储、查询和报表输出，方便地支持用户二次开发。