0 引 言

　　高壓開關柜是發電廠和變電站的重要電器設備，其內部通常有六組動靜觸頭和多處母排接頭。由于這些連接部件長期處于高電壓、大電流的工作狀態，只要觸頭或接頭的接觸電阻有微小的增大，都將引起觸頭或接頭處溫度升高，如果沒有及時處理，將會產生惡性循環，最終導致燒毀高壓開關柜，甚至直接影響電力系統正常供電而造成巨大的經濟損失。因此，對高壓開關柜中觸頭和接頭的溫度進行實時監測，對于保障高壓開關柜的安全運行，乃至電網的正常運轉具有十分重要意義。

　　在高電壓、大電流環境下，實現溫度的在線監測需要解決高壓隔離和抗強電磁干擾的難題。現有高壓開關觸頭溫度在線監測技術主要有多種：

　　(1)在母排接頭和開關觸點的表面涂一層隨溫度變化而改變顏色的材料(如感溫臘)，通過觀察其顏色變化來大致確定溫度范圍。這種方法準確度低、可讀性差，不能進行定量和實時測量，方法原始并對員工的要求高。

　　(2)利用紅外測量儀，操作人員定時手持儀器對準母排接頭和高壓開關觸點進行測量。這種方法在0～200℃之間的溫度值誤差小、準確度高，但是，仍然無法做到實時測量，而且價格高、光學器件在高壓場合使用不便。

　　(3)采用光纖的方式，這種方法具體實現又分為兩種，一種是采用光纖光柵溫度傳感器，另一種是僅利用光纖傳輸溫度信號，兩者都利用了光纖耐高壓、抗腐蝕、抗電磁干擾等優點，該技術的最大缺陷是被測高壓帶電體與測量設備需要通過光纖連接，因此不能解決污閃的問題，嚴格地說該技術的安全性值得商榷；本文采用無線通信技術使溫度變送器與數據集中顯示器之間實現無線數據傳輸，可不改變開關柜內部的物理結構，就很好地解決高壓隔離的問題，同時采用低功耗設計和屏蔽技術解決由此帶來了溫度變送器使用壽命和抗強電磁干擾的問題。

　　1 系統結構簡介

　　本系統結構如圖1所示，由若干無線溫度變送器(以下簡稱變送器)、數據集中顯示器(以下簡稱DI)、監控中心的上位機和通信鏈路四部分組成。變送器貼附于母排接頭表面和接近開關觸頭的觸臂上，變送器通過無線通信方式將溫度數據傳送給DI；DI安裝于高壓開關柜面板上，收集來自各變送器的溫度數據并進行處理、存儲、顯示和實現相應的報警控制功能，所有DI通過RS 485總線與監控中心的上位機構成分布式監測系統。

　　2 變送器設計

　　2．1 硬件電路設計

　　變送器的結構如圖2所示，主要由MCU、溫度傳感器、無線模塊nRF905、電源電路和包裹有屏蔽層和絕緣層的外殼組成。變送器采用PIC16LF628A單片機作為處理器，該處理器具有抗電磁干擾能力強、低功耗、體積小等特點。溫度傳感器選用DS18B20，其測量范圍為-55～125℃，精度±0．5℃，通過單總線傳送數字溫度信號，具有使用簡單、可靠、體積小等優點。

　　變送器電路設計如圖3，溫度傳感器U3的輸出連接到單片機的RB5引腳，U3的地連接到單片機的RB4引腳，用于控制溫度傳感器工作狀態，當單片機進入休眠時，停止溫度傳感器工作，以降低功耗；無線模塊U4選用nRF905無線鏈路控制器設計，用于在變送器和DI之間建立無線數據傳輸通道，通過SPI接口與單片機連接。為了確保變送器可靠運行，必須保證變送器和無線模塊電源電壓的穩定，采用3．6 V的高效鋰電池經電容C1～C6濾波后給變送器供電。

　　2．2 軟件設計

　　變送器主要執行溫度采集、數據處理和數據傳送工作。為了保證變送器能可靠工作5年以上，變送器的低功耗設計是本系統的一項關鍵技術，除了硬件上選用低功耗元器件外，重點是變送器的工作機制。主程序流程如圖4所示，主程序運行一次循環后進入休眠，采用單片機硬件“看門狗”喚醒機制，1 s喚醒一次，對看門狗復位次數進行計數，由計數值可得到時間的累加，在一定時間間隔內(約5 s)啟動溫度傳感器并采回其數據。

　　其中數據采集模塊包含溫度采集控制算法和溫度采集。由于溫度傳感器的轉換時間較長(約1 s)，分為兩步采集：第一步啟動并開始轉換；第二步讀取溫度并置相關標志。有采集標志時，單片機在第一次喚醒執行第一步，在第二次喚醒執行第二步，這樣單片機大部分時間處于休眠狀態，以降低功耗。當不進行采集時，通過抬高溫度傳感器的地，關斷其工作電源，進一步降低溫度傳感器消耗的功耗。

　　其中數據處理模塊包含溫度數據處理和數據傳送。數據處理流程如圖5所示，當前溫度若超標或與之前一次的溫度數據比較差值(溫升)超標，變送器立即向DI發送最新溫度值；否則，直到采集達到12次，再向主機發送溫度值，即60 s發送一次，這樣設計的目的是為了讓DI判斷變送器是否在線，又能降低變送器功耗。數據傳送中包含載波檢測、數據發送和發送超時處理，載波檢測可以防止處于同一頻道的多個變送器同時發送數據引起的沖突。

　　2．3 無線通信協議設計

　　無線通信容易受到干擾，發送的數據越長受到干擾的程度越大，同時功耗也越大，所以設計中遵循的原則是：即要滿足應用需求又要保證數據的可靠和低功耗。對變送器無線模塊的配置：可配置頻道達170個，頻道的選擇與DI地址綁定，就可以確保各個DI所組成的網絡不沖突；工作頻段為433 MHz；發射功率為-10 dBm，實測傳送距離可達50 m，已滿足現場應用需求；為了提高穩定性，開啟自動重發功能；發送和接收地址都為1 B，發送和接收字節都為4 B；禁止參考時鐘輸出，以降低功耗；CRC校驗為8 b模式；雖然無線數據包中已經包含了地址匹配和CRC校驗，但是為了數據傳輸更可靠，數字幀中加入DI地址和變送器地址作為數據包的識別碼；則變送器發送至DI無線數據包格式如表1所示。

　　2．4 低功耗設計

　　變送器中功耗最大的是無線模塊，其他器件耗電量很小，而且大部分時間工作在休眠狀態下。當nRF905處于接收狀態時，工作電流約為9 mA；處于發送狀態時，工作電流約為12．5 mA(輸出功率為-10 dBm時)。如果無線模塊一直運行，那么電池很快就會被耗盡。為了降低功耗，同時又保證數據通信暢通，根據系統對溫度測量的需求，變送器只發送數據不接收數據，無數據發送時，無線模塊進入休眠狀態，無線模塊休眠時功耗小于2μA；發送數據采用間歇式工作，當溫度數據無異常，1 min上傳一次數據，當溫度數據異常時，立即上傳數據；無線模塊的休眠至開始發送數據時間tstart-up<0．2 ms，前導碼發送時間tpreamble<0．2 ms，無線數據包長度N all="6" B，傳輸速率BR=50 Kb／s，數據發送完畢至無線模塊休眠時間toff<0．2 ms，則發送一次數據包時間Tsend為：

　　無線模塊的平均工作電流(μAh)=發送電流·Tsend·次數+休眠功耗=12．5×1．46×60／3 600+2=2．31μAh

　　單片機休眠時功耗小于2μA，變送器的靜態平均電流小于4．31μA，因此若變送器平均工作電流以5μh計算：

　　使用時間(年)=電池容量(Ah)／365(天)／24 h／平均電流(μAh)×1 000 000=1／365／24／5×1 000 000△22．8(年)

　　因此，理論計算用1 Ah的電池可供變送器工作22．8年。

　　經實測，變送器發送一次數據的總時間T總=喚醒時間+Tsend+進入休眠時間=1．6 ms，發送數據時的電流為14 mA，靜態時的平均電流為5．5μA，則1 Ah的電池可供變送器工作19年，已滿足設計需求。

　　2．5 抗電磁干擾設計

　　變送器貼附于母排接頭表面和接近開關觸頭的觸臂上，而母排或觸臂上有大電流流過，會形成較大的電磁場，對變送器造成很大的電磁干擾，因此，必須采取一定的屏蔽措施來保證變送器的可靠運行。變送器的實物剖面圖如圖6所示，除天線外接，其他所有電路包裝于一屏蔽的盒內，最大程度減少電磁輻射對變送器的干擾；溫度傳感器貼附在導熱片上，變送器的導熱片一面貼于被測量的監測點上，盒內空間全部灌膠；為了提高絕緣性能，用熱縮管包裹整個變送器。

　　3 數據集中顯示器(DI)的設計

　　DI主要完成對各變送器的數據收集、處理、存儲、LCD顯示、報警信號輸出和與監控中心通信等功能。其結構如圖7所示，處理器選用具有ARM7內核的32位高性能微處理器LPC2136；存儲模塊用于存儲系統的配置信息和各種數據；實時時鐘為系統提供精確時間；ID設置用于設置本機ID；無線模塊nRF905實時偵聽是否有變送器的數據；電源適配器將220 V市電轉換成+12 V和+5 V，給DI供電；RS 485用于與監控中心的PC機通信；系統報警輸出所需的聲光報警經繼電器隔離實現；LCD人機交互用于顯示當前各變送器的溫度數據信息和DI的重要信息，現場用戶可執行輸入、輸出操作，如變送器信息查詢和設置，DI運行日志查詢和配置等。為了實現對各種功能方便可靠操作，軟件設計上移植了實時性較好的μC／OS-Ⅱ作為操作系統。

　　4 應用效果

　　監控中心PC機客戶端軟件監控主界面如圖8所示，從圖中可以看出實時刷新溫度值均在33℃左右。圖9為DI管理界面，可修改DI的基本信息、控制信息和配置信息；圖10為歷史數據查詢曲線圖，為高壓柜101的A相接觸點250條歷史記錄曲線。

　　5 結 語

　　本系統結合現場應用條件，采用鋰電池供電和無線數據傳輸方式，并且采取了絕緣和抗電磁干擾措施，很好地解決了高低壓隔離、低功耗和抗強電磁干擾的技術難題，使本系統在可靠性、擴展性、成本低和安裝維護方便等方面均具有突出優勢，可廣泛應用于高電壓環境的溫度在線監測領域。