CN101174361A - 高压变电站无线自动测温预警系统 - Google Patents
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Abstract
一种高压变电站无线自动测温预警系统。包括超低功耗无线测温模块、无线数据接收器和主机三部分。超低功耗无线测温模块包括：智能温度传感器，超低功耗单片机，无线收发模块，高能电池，和电源管理器1、电源管理器2。无线数据接收器通过点到点时分多址无线通信方式(TDMA)连接n个彼此独立的超低功耗无线测温模块实现一主多从的工作模式，无线数据接收器通过串口与主机连接。本发明以无线通信方式对变电站接头温度进行全天候在线自动监控，既避免人工检测存在的漏检现象，又能及时发现电力设备存在的隐患，从而提高变电站无人值守能力。
Description
【技术领域】：本发明属于自动化技术领域，涉及嵌入式系统、智能传感、无线通信等技术，尤其是一种适应于变电站高电压、强磁场环境下不易布线、测温节点数量大、电池不易更换的测温监测系统。
【背景技术】：随着我国经济的快速增长，电力供应量日益增加，电力供应量的持续快速增长，给高压电网设备带来了一系列安全问题，为预防各类电力事故，安全运行监测的工作量快速增大，作为高压电网设备安全运行的主要参数-输变线路接头温度的监测工作更是日趋繁重。
然而长期以来，我国电网设备的安全使用没有得到足够的重视，与一些发达国家相比，我国电网的平均故障率偏高。其中一个重要原因就是我们缺乏对电网系统有效的在线监测手段，其中对电网系统进行温度在线检测是其中很重要的一个方面。
根据电力事故分析，由于电网设备温度过高引起火灾占相当大的比例，这种火灾一旦发生，将导致大面积电网设备烧毁，机组被迫停机，生产无法进行，从而造成重大经济损失。通过事故分析，引起火灾的直接原因是输变线路接头质量不良、压接头不紧、接触电阻过大，长期运行造成电缆头过热而烧穿绝缘，最后导致电缆沟火灾的发生。如果能在事故发生的早期，提前进行预警并迅速采取措施，将能有效地避免此类事故的发生。因此，非常有必要对接头温度进行精确的监测。
变电站输变线路的接点温度是衡量变电站安全生产的一个重要指标。在正常情况下，接点温度在20℃～30℃之间，如果超过65℃，则有可能发生火灾或爆炸现象，不仅影响变电站的安全生产，而且严重威胁公共安全，还会给供电用户带来巨大的经济损失。国内外正在致力于变电站异常处理系统的研究，其中分布式光纤温度测量系统也是一种较好的方法。其主要特点是可连续测温、测温速度快、抗电磁干扰能力强，然而光纤布线复杂、投资大、线路老化问题严重且拆换困难、移动性差，因此，光纤式温度测量系统推广有一定的困难。
实用新型CN2777661发明了一种配变电设备在线温度无线监测系统，该系统能够远距离非接触读取监测点的温度测量数据，自动把采集的温度数据传输到计算机进行集中存储管理，即时分析，自动报警。该监测系统主要由主动式无线温度传感器、无线温度数据接收机、温度数据分析处理计算机三部分组成，主动式无线温度传感器安装在配变电设备需要测温的监测点上，无线温度数据接收机布置在配变电站内，温度数据分析处理计算机安装在配变电站主控室，主动式无线温度传感器与无线温度数据接收机之间通过无线电相连，温度数据分析处理计算机与无线温度数据接收机之间通过工业现场总线相连。该实用新型未提及无线测温装置的双电源低功耗管理和系统的超低功耗实现，同时，主动式上报模式容易引起信号冲突，且存在测温节点失效会默认为接头温度正常的弊端。
【发明内容】：本发明的目的是解决现有技术存在的上述不足，为高压变电站提供一种点对多点、长期有效的无线测温预警系统，以便及时发现高压设备存在的安全隐患，保障电力系统的正常运行。
本发明提供高压变电站无线自动测温预警系统，包括无线测温模块、无线数据接收器和主机三部分，所述的无线测温模块为n个彼此独立的超低功耗无线测温模块，其中n为大于1的自然数，所述的超低功耗无线测温模块的构成包括：用于测量需要测温的接头处温度的智能温度传感器，与智能温度传感器连接用于接收所测量的温度信号的超低功耗单片机，与超低功耗单片机双向连接、用于接收主机发送的测量问询信号和向主机发送所测量的该测点的温度信号的无线收发模块，用于向无线测温模块供电的高能电池，该高能电池通过电源管理器1分别向智能温度传感器和超低功耗单片机供电，该高能电池通过电源管理器2向无线收发模块供电，同时超低功耗单片机通过电源管理器2对该无线收发模块进行控制；
无线数据接收器通过点到点时分多址无线通信方式(TDMA)连接n个彼此独立的超低功耗无线测温模块实现一主多从的工作模式，无线数据接收器通过串口与主机连接。
无线测温模块安装在需要测温的接头处，其数量的理论上限为16384个，足以满足变电站的需要；无线数据接收器安装在控制室内，通过串口与主机(计算机)连接；计算机内安装温度显示以及预警、报警软件。
每个变电站安装一台计算机和一个无线数据接收器，无线测温模块的数量由需要测温的变电站接头数量决定，这样在网络上形成了一点对多点的通信结构。该网络必须覆盖整个变电站站区。
控制室内的主机采用轮询的方式进行温度监控，即把点对多点、一主多从的工作模式转换成点到点时分多址无线通信方式(TDMA)。主机按照预定的时间片对每一个拥有唯一编号的测点进行询问，然后等待接收被问节点的应答数据。如果没有响应则继续广播下一个节点编码，询问下一节点；如果有响应，则把接收到的该节点的温度存入数据库中，如此以至所有节点。控制室主机在一个询问周期内可完成所有测温点的编码广播并接收到它们回传的节点温度。控制室主机每天24小时不间断地进行周期性的轮询，以便及时发现不正常节点，从而为电力系统的维护工作提供保障。
无线测温模块在固定时间间隔内启动测温一次，然后打开收发模块，等待主机的轮询信号以便发送回温度数据，之后关闭CPU进入低功耗状态。对处于亚健康的节点，将缩短其测温时间间隔进行重点监测，以便及时发现问题。
由于无线测温模块安装在高压变电站的设备上，因此不可能随时更换电池，要求电池至少要连续工作两年以上，所以它的省电模式开发极为重要，不仅需要选择低功耗芯片，优化程序，对电源的管理也相当重要。本设计中采用双电源低功耗控制模式，即对测温模块和无线收发模块分别进行电源管理，使整个系统的功耗降至最低，以提高传感器使用寿命。
为了防止电磁干扰和防水、防结露，无线测温模块被封装在不锈钢金属盒内，仅将天线置于盒外。
该发明所述系统的无线通信可以选择不同的ISM工作频率。
本发明的优点和有益效果：
本发明以无线通信方式对变电站接头温度进行全天候在线自动监控，既避免人工检测存在的漏检现象，又能及时发现电力设备存在的隐患，从而提高变电站无人值守能力。
【附图说明】：
图1是本发明点对多点工作模式的无线网络结构图。
图2是本发明无线测温模块的结构图。
图3是本发明无线测温模块的电路原理图。
【具体实施方式】：
实施例1、
如图1所示，本发明高压变电站无线自动测温预警系统由三部分组成，即超低功耗无线测温模块、数据接收器和主机，控制室内的主机采用轮询的方式进行温度监控，即把点对多点、一主多从方式转换成点到点时分多址无线通信方式(TDMA)。主机按照预定的时间片(每个接点占用200ms)对每一个测点进行询问，然后等待接收被问节点的应答数据并把接收到的该节点的温度存入数据库中。处理完成后继续广播下一个节点编码，如此以至所有节点。控制室主机在一个询问周期内可完成所有测温点的编码广播并接收到它们回传的节点温度。控制室主机每天24小时不间断地进行周期性地轮询。温度传感器可以设定每半小时启动测温一次，然后打开收发模块，等待主机的轮询信号以便发送回温度数据，之后关闭CPU进入低功耗状态。对处于亚健康的节点，将缩短其测温时间间隔(如10分钟)进行重点监测，以便及时发现问题。
为了保证数据传送的可靠性和安全性，为温度数据设定了专门的格式，主控点发送的轮询信号每个包括3个字节，第一个字节为识别位0x55，第二个字节为节点号，第3个字节为前两者之和。而无线测温模块发送温度数据时的信号也包括3个字节，第一个字节为识别位0xAA，第二个字节为实际测得温度，第三个字节为前两者之和。
这两种信号中的第一字节与第三字节均作为校验使用，接到数据以后，首先差别识别位是否正确，若不正确，则直接跳过，认为该数据无效。若第一位正确，则差别第一位与第二位之和是否与第三位相等，若不相等，则也认为该数据无效。通过对这首尾两个字节的校验，确保能够正确接收信号。
其中无线测温模块的个数可根据实际需要确定，温度数据接收器选择上海桑博科技有限公司出品的STR-30USB型微功率无线数传接收器和一台主机通过串口相联。温度传感器安装在需要监测的节点上，数据接收器和主机安装在控制室内，二者通过RS232方式接口，串口通信部分采用多线程串口通信类完成，单片机MSP430与无线发射模块之间的通信则直接采用MSP430系列的通用串行通信模块，本文使用的是直接的硬件通用串行同步/异步模块(USART)，它是用硬件实现的，用户对它的使用是通过在硬件原理的理解下，在一系列寄存器设置之后，由硬件自动实现数据的移进和移出，完成串行通信的功能同时还能实现两种通信协议，即UART异步通信协议和SPI同步通信协议；温度传感器和数据接收器之间通过无线链路连接。
图2为无线测温模块的结构图。系统中用到的硬件芯片主要包括超低功耗单片机(MSP430F1121A微处理器)、智能温度传感器(DS18B20)以及无线收发模块(STR-30微功率无线传输模块)、电源管理器(MAX1726、MAX8881)和高能电池。其中MSP430F1121A为美国TI公司推出的16位超低功耗、高性能产品，其处理器功耗和口线输入漏电流在业内产品中是最低的，片内的JTAG调试接口为用户提供了方面快捷的系统开发环境。DS18B20为美国DALLAS共产生产的单总线、数字式温度传感器，测温范围为-55℃～+125℃，测量精度为0.5℃，用户可自行设定温度超标报警的上、下限值，并能够长期保存。STR-30为上海桑博科技有限公司基于CC1020开发的微功率收发模块，其最大发射功率仅为10mW，传输距离400m以上。电源管理模块采用MAXIM公司出品的MAX1726和MAX8881，它们都是低漏失线性调节器，仅需要几μA的超低电流。
图3为无线测温模块的电路原理图。由于温度传感器安装在高压变电站的设备上，因此不可能随时更换电池，要求电池至少要连续工作两年以上，所以它的省电模式开发极为重要，不仅需要选择低功耗芯片，优化程序，对电源的管理也相当重要。本设计中采用双电源低功耗控制模式，即对测温模块和无线收发模块分别进行电源管理，使整个系统的功耗降至最低，以提高传感器使用寿命。
考虑到MSP430、DS18B20和外围电路工作电流较小，采用MAX1726(3.3V，20mA)供电；考虑到CC1020数传模块在数据发送和接收时电流较大，采用MAX8881(3.3V，200mA)供电；同时让那些当前不需要其工作的部件断电，这可以由单片机的一个口线接芯片的控制引脚来实现，这样就可节省一笔很可观的能量。本发明采用433MHz无线ISM工作频率。
本发明采用RS232标准现场数据总线，数据速率为9600bps。
本发明使用的PC机采用CPU为2.4G或更高的工业级PC兼容计算机，安装运行MicrosoftWindows XP操作系统。
Claims (1)
1.一种高压变电站无线自动测温预警系统，包括无线测温模块、无线数据接收器和主机，其特征在于所述的无线测温模块为n个彼此独立的超低功耗无线测温模块，其中n为大于1的自然数，所述的超低功耗无线测温模块的构成包括：用于测量需要测温的接头处温度的智能温度传感器，与智能温度传感器连接用于接收所测量的温度信号的超低功耗单片机，与超低功耗单片机双向连接、用于接收主机发送的测量问询信号和向主机发送所测量的该测点的温度信号的无线收发模块，用于向无线测温模块供电的高能电池，该高能电池通过电源管理器1分别向智能温度传感器和超低功耗单片机供电，该高能电池通过电源管理器2向无线收发模块供电，同时超低功耗单片机通过电源管理器2对该无线收发模块进行控制；
无线数据接收器通过点到点时分多址无线通信方式(TDMA)连接n个彼此独立的超低功耗无线测温模块实现一主多从的工作模式，无线数据接收器通过串口与主机连接。
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