电力电缆接头温度无线监测前端装置设计
2024-03-30
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2011钜 仪表技术与传感器 Instrument Technique and Sensor 2011 第6期 No.6 电力电缆接头温度无线监测前端装置设计 杨平,王威 200090) (上海电力学院电力与自动化工程学院,上海摘要:基于集成温度传感器、超低功耗单片机和无线通信等技术,提出了电力电缆接头温度无线监测系统方案,并且 论述了其前端装置软硬件设计。实际测试实验表明:系统可以有效监测电缆接头的温度情况,并可对具体接头超温得到 早期预警信号。这对于避免电缆火灾事故,提高城市地下电缆的供电可靠性有重要意义。 关键词:电缆接头;温度巡测;无线通信;低功耗;MSP430;温度传感器 中图分类号:TP13 文献标识码:A 文章编号:1002—1841(2011)06—0044—04 Wireless Temperature Detection System for Electric Power Cable Junctions YANG Ping,WANG Wei (School of Electric Power and Automation Engineeing,rShanghai University of Electirc Power,Shanghai 200090,China) Abstract:The wireless temperature detection system was designed based on integrated temperature sensor,ultra—low power MCU and short range wireless communication technology.The hardware circuit and the software of temperature monitoring unit was established and discussed according to the functional requirement of the system.Having been debugged preliminary,the design of the system was tested successfully.It carl not only monitor the temperature of the junction effectively,but also give early warning signal when the junction temperature is over irsing,to eliminate the potentila safety hazard.In terms of urban underground power cable,the application of the system can significantly avoid cable fire and improve operation reliability of power supply. Key words:cable junction;temperature monitoring;wireless communication;low—power;MSP430;temperature sensor 0引言 达到允许温度。电缆一旦过负荷,线芯温度将急剧上升,高于 在采用电力电缆输电的专用电网中,6—10 kV电缆平均每 300—500 in就有一处电缆接头 j,电缆接头引起的事故占电缆 总事故的50%~65% 。有效地对电网电缆进行监测和及时 允许温度,加速电缆绝缘老化,甚至发生绝缘介质热击穿。 目前地下电力电缆常选用交联聚乙烯(XLPE)高压传输绝 缘电缆,电缆导体的温度在正常运行时一般不能超过9O℃[5 J. 判断故障点对安全运行有重要影响。电力电缆的表面温度与 内部线芯温度的对应关系取决于电缆的结构和负载电流 。 在不同的载流量下,电缆的表面温度与线芯温度呈线性正增长 关系 。对所记录电缆温度数据进行分析,就能有效地进行电 缆故障诊断,找出可能的电缆故障隐患。设计的电缆接头温度 无线监测前端装置是电缆温度监测系统中的核心部分,采用低 为了保证电缆的正常运转,需要准确实时计算运行中电力电缆 线路导体温度以掌握电缆真实载流量进而进行载流量控制。 研究表明通过测量电缆表面温度计算电缆导体温度是可 行的,并且已经提出算法。。‘ 。通过测量电缆外护套的实时温 度算出电缆导体实时温度的可行性已被试验证实 J。 通过实测电缆外护套表面温度算出电缆导体的温度的公 式见式(1)~式(4)。 T=A Q 1 一 功耗传感器、超低功耗单片机和无线通信技术方案。与传统的 有线监测系统方案相比,有系统集成度高、功耗低、安装维修方 便、成本低、可靠性高等优点。可有效监测城市地下电缆接头 (1) 0 … 温度,对具体接头超温得到早期预警信号。这对于提高城市地 下电缆的安全可靠性、供电可靠性,避免电缆火灾事故、提高电 缆载流量有重要意义。 1 电力电缆接头温度无线监测系统方案 1.1 电缆表面温度和线芯温度 一R1 蜀 1 0 … R Rl。 一+ 一 足 去 去+’ 去一去。 … 1 1 1、 (2) 电力电缆一般由导体、绝缘体和热护套构成。在正常运行 中,除了导体通过电流要发热外,电缆的绝缘体在交流电压的 作用下,也会产生一定的热量,即介质损耗。电缆线芯温度是 咒一。R一 ’R T=[ …… ] (3) (4) 电缆的一个重要参数,当电缆满负荷运行时,线芯温度往往已 Q=[Q1 Q2 Q3…Q +To/R ] 式中: 为电缆导体表面温度; ~ 一,为电缆主绝缘各分层 基金项目:上海市教育委员会重点学科资助项目(J51303) 收稿日期:2010—08—20收修改稿日期:2011—02—25 温度; ~ 为垫层温度; 一。为气隙温度; 为电缆金属屏蔽层 温度;7"0为电缆外护套表面温度; ~ 为电缆材质和环境有 第6期 杨平等:电力电缆接头温度无线监测前端装置设计 监测分析系 45 关的分层热阻参数;Q ~Q 为电缆各层损耗。A由电缆的结构 和材料参数确定。Q由电缆导体损耗、介质损耗以及金属套和 屏蔽层损耗确定。计算A、Q可参考文献[9]。Q的第n个数 Q +ro/R 中的 可通过直接测量获得,故电缆导体温度可通 过测量电缆外护套表面温度间接求得。 一I一一一 一一一一一一一 一一一一一一.一.一一一一一一一I .一 以上计算公式为稳态下电缆导体的温度计算,假设条件是 影响电缆温度变化的因数都不发生改变。 由此可知,对敷设于复杂环境的电缆线路,通过监测电缆 外护套温度来计算导体实时温度以控制电缆载流量,既能使电 缆最大限度地发挥输送能力,又能避免电缆因过载造成损伤, 对电缆线路的设计和运行意义重大。 1.2温度传感器的选择 在电缆接头温度监测过程中需要用传感器将温度值转换 为电信号。温度传感器的种类繁多,测量原理也不相同。工业 上常用的温度传感器有4类:热电偶、热电阻、热敏电阻和集成 电路温度传感器。 近年来,在电缆接头温度监测系统的研究文献中,最常见 的是采用集成温度传感器作为温度传感器,尤其是选用数字温 度传感器类型的为多数。这是因为数字温度传感器直接将温 度物理量转换为数字量并通过串行通讯总线传送给检测微处 理器,简单高效。特别在多点温度检测系统中,比用模拟温度 传感器要省去很多布线和转换线路器件。当然,高度的集成化 将使检测系统的可靠度有所降低,所以在有线监测系统中,也 可见到采用模拟温度传感器或热敏电阻传感器的。 1.3数据采集与无线通讯设计 电力电缆接头位于地下电缆沟内,分布很分散。若用专用 信号线把各传感器的信号传输至监测计算机处,可能需要很多 长距离的信号电缆。所以,很多研究文献提出的方案是在各电 力电缆接头处设置一个嵌人式监测计算机来采集和存储温度 数据,然后通过短距离无线通信方式,定期地或随机地把收集 到的数据传给地面的巡检仪或巡检车。还有一种数据上传的 方式是利用手机通讯网络发数据短信(GSM)。这种方式更符 合实时在线监控的要求。 1.4 电力电缆接头温度无线巡测系统总体设计 电力电缆接头温度无线巡测系统的总体结构如图1所示。 该系统由电缆接头温度监测前端装置、温度巡检装置(巡检仪 或巡检车)和上位机分析系统3个部分组成。 电缆接头温度采集前端装置的主要功能有2个:一是通过 贴敷于电缆接头外护套的数字温度传感器将电缆接头的温度 定时采集并存入存储器中。二是通过短距离双向无线通信链 路,响应巡检人员通过电缆温度巡检装置发出的命令,将温度 数据和对应的时间数据传送到巡检仪中。由于该装置设在电 缆沟中,不便于维护和更新,所以低功耗和稳定性至关重要。 电缆温度巡检装置用于到现场收集各电缆接头某段时间 内的温度数据。然后将巡检装置带到监测中心站,通过串行接 口与上位机通讯,将收集到的数据传送到上位机进行进一步的 分析处理。另外,巡检装置还应具备简单的分析功能。当数据 图1 电力电缆接头温度无线巡测系统结构图 中含有超温数据时,可通过液晶显示器和喇叭及时发出报警提 示。 2 电缆接头温度监测前端设计 2.1监测前端硬件设计 电缆接头温度监测前端系统硬件结构如图2所示。遵循 功耗低、体积小、稳定可靠的设计原则,采用模块化结构。其 中,无线通信模块用于与巡检装置通信,完成数据交换。温度 采集模块完成温度检测数据的采样和预处理。温度检测数据 将存入存储器模块。实时时钟模块提供了数据的时间坐标数 据。JTAG接口用于调试。该部分的核心模块是微控制器。 看鬟囊}信模块 r.'} 微控制器MCU E电源 实时时I存储器 钟模块l模块 图2温度监测前端装置结构设计 对于电缆接头温度监测前端装置的微控制器,MSP430系 列单片机成为多数开发者的首选。因为MSP430系列单片机具 有很多优点:低电压、超低功耗;强大的处理能力;系统工作稳 定;丰富的片内外设;方便高效的开发环境。 选择MSP430FG4619作为前端装置的控制核心,其除了具 备常规MSP430单片机优点外,还增设有120 K的FLASH存储 器,并自带RTC实时时钟,可以省去外部存储器和实时时钟芯 片,简化系统设计。 选用nRF905作为无线通信芯片,nRF905单片无线收发一 体的芯片,工作电压为1.9—3.6 V,工作于433/868/915 MHz 3个ISM频道。其功耗非常低,内建空闲模式与关机模式,易于 实现节能。选用单总线型数字温度传感器DS18B20。其电压 范围为3.0~5.5 V,支持多点组网功能,可实现组网多点测温, 测温范围为一55~+125 oC,在一l0—85℃时精度为±0.5℃, 满足系统要求。 前端装置的原理线路图如图3所示。 2.2温度监测前端系统软件设计 温度监测前端装置软件采用模块化结构设计,将各功能模 块设计为独立的功能模块,这样不仅有利于实现功能扩展,而 且便于调试和连接,更有利于程序的移植和修改。图4为温度 监测前端软件主要功能模块图。 Instrument Technique and Sensor DS18B20-0 DS18B20-1 D¥18B20—2 Jun.201l 山 叠l譬墨 0 Z l鐾8羞要害星 目呈趸量羲窘 GND MSP430FG4619 图3温度监测前端电路原理图 图4温度监测前端软件模块化结构 为尽可能地降低系统功耗,在主程序的设计中力求将各器 件的活动时间降到最小。也就是必须使MSP430及外围器件尽 可能地处于休眠状态。由于LPM2模式下的功耗是LPM3模式 下的10倍;LPM4模式下,功耗最低,但所有振荡器停止工作, 不符合该系统的要求。因此,选择LPM3模式作为系统运行的 休眠模式。 电力电缆温度采集终端的软件功能是定时实现多个电缆 接头温度数据的采集,并得到有效温度数据与时间信息一并存 人FLASH存储器,当收到巡检装置发来的要求传输数据的信 号时,将温度数据通过短距离无线通信方式传给巡检装置,其 主程序的流程如图5所示。可以看出,系统在大部分时间内处 于休眠状态,从而降低了系统功耗。 3系统测试 图5温度监测前端主程序流程 精度恒温箱,采用标准水银温度计读出恒温箱内温度,通过巡 检装置采集监测前端装置的温度检测数据。考虑到电力电缆 (如XLPE)外护套温度在40—70℃左右,一般不超过90℃,所 以把恒温箱依次设定和调整在30~90℃的几个测试点温度值 上。在恒温箱内温度稳定后读取来自监测前端装置的温度检 测数据。实验结果的一组数据如表1所示。测量绝对误差在 ±1 oC以内,由此验证了电缆温度监测前端装置的温度检测功 能和检测精度达到了设计要求。 在所设计的装置制作完成后,进行了系统的软硬件测试。 系统软硬件调试完毕后,对系统进行了温度检测测试、无线传 输距离测试和功耗测试。 3.1温度检测测试 将电缆温度监测前端装置的DS18B20温度传感器置于高 第6期 杨平等:电力电缆接头温度无线监测前端装置设计 表1温度检测的实验结果 ℃ 47 还需进一步研究和完善的工作是: (1)通过在电缆沟的实际试验确定系统设计的具体参数和 装置设计改进方向。 (2)系统的供电电源从干电池改为通过电磁感应从高压电 缆上获取电能的电源。这种方法可以很好地解决地下电缆监 测设备所需的长期供电问题。 参考文献: 3.2无线传输距离测试 [1] 王赞,刘向军.城市电力电缆接头温度无线巡测系统的设计实现. 四川电力技术,2007,30(3):54—56. 将温度监测前端置于空旷地表,手持巡检装置由近及远地 向温度监测前端发送数据接收命令,测试表明在距离100 m左 右时,信号接收出现问题,有时不能有效地唤醒温度监测前端。 [2]ZHU Hongli,BAI Liyuan.Temperature monitoirng system based on A3"89C51 micrecontroller.IT in Medicine&Education.2009.ITIME 09.IEEE International Symposium on,14—16 Aug.,2009:316— 320. 当温度监测前端和巡检装置之间隔着一堵墙(非屏蔽)时,有效 的信号传输距离缩短,只有约30 m左右,不过这个距离已经能 够满足系统功能的需要。 3.3温度监测前端功耗测试 对电缆温度监测前端进行的功耗测试结果表明:在待机模 式下电流可以达到10 A以下,采集存储数据时的电流不大于 0.7 mA,与巡检装置进行通信时,接收数据时电流不大于 [3] 王新超,潘贞存.电力电缆接头故障的预警监测系统.电力自动化 设备,2001(5):25—28. [4] 成永红,谢恒,衣立东.基于热效应的电力电缆及其终端在线监测 技术.高电压技术,1999,25(3):4—6. [5] 中华人民共和国建设部.GB50217—94.电力工程电缆设计规范. 北京:中国计划出版社,2003,9. l3 mA,发送数据时电流不大于30 mA.根据粗略计算,使用3 节碱性电池供电可以保证系统正常运行2年以上。 由系统测试和实验的结果,各项性能指标基本达成,该系 统的设计是基本成功的,基本可以实现电力电缆接头温度无线 巡测的需要。 4结束语 [6]WANG Youyuan,CHEN Rengang,LIN Shuangqing,et a1.Calculation and analysis of the current carrying capability of electirc cable based on finite element method.Electrical Insulation and Dielectric Phenom— ena,2009.CEIDP 09.IEEE Conference on,18—21 Oct.,2009:307 —31O. [7]周晓虎,周秧,唐雷,等.直埋电力电缆温度场计算模型.电线电 缆,2007(5):33—36. [8]JONES S,BUCEA G,MCALPINE A.Condition monitoirng system for transfrid 330 kV power cable.2004 Intemational Conference on Power 基于超低功耗微控制器MSP430的电力电缆温度监测前端 装置的设计研究工作表明: (1)通过论证,采用数字温度传感器、短距离无线通信技术 和超低功耗微控制器组成的电力电缆接头温度无线巡测系统 的总体方案具有可行性。 (2)系统软件程序设计,侧重低功耗设计,使系统大部分时 System Technology.POWERCON 2004:Singapore,2004:1282— 1287. [9] 马国栋.电线电缆载流量.北京:中国电力出版社,2003. 作者简介:杨平(1954一),教授,主要研究领域为电站自动化和计算机 测控技术。E-mail:yangping1201@126。com 间处于休眠状态,已被试验证实是有效的。 (上接第43页) 4结束语 [3]谢希仁.计算机网络,第4版.北京:电子工业出版社,2005. [4]RICHARD STEVENS W.TCP/IP详解(卷1,协议).范建华译.北 京:机械工业出版社,2004. [5]GARY R WRIGHT.RICHARD STEVENS W.TCP/IP详解(卷2,实 现).范建华,译.北京:机械工业出版社,2000. 系统以FPGA作为控制处理核心,采用全新的非PCI接口的 千兆以太网络控制器,搭建适合嵌人式设备的以太网络接口硬件 平台,提出软硬件相结合的协议实现方法,使得该设计通用灵活, 能满足多种嵌入式设备千兆以太网接入的需求。通过这种方法, 已经为多种类型的嵌^式设备成功实现了千兆以太网通讯。实际 应用表明,该 十传输距离远,通信速率高。通过引入该设备既提 [6] 苑玮琦,林峻楠.嵌入式以太网接口的研究与实现.仪表技术与传 感器,2008(11):59—61. [7] ASIX Electronics Corporation.AX88180 Non—PCI 16/32一bit 10/ IO0/IO00M Gigabit Ethemet ConterHer,[EB/OL].[2007—5—18]. [2005—05—20].http://www.asix.tw. 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