CN102393257A - 无线温度传感器与电力设备温度在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线温度传感器与电力设备温度在线监测系统。其中，无线温度传感器包括温度测量单元，用于测量无线温度传感器所附设备的温度；无线通信单元，用于在各种工作模式间切换以至于以低功耗传输温度测量单元所测量的温度；主控单元，用于利用低工作占空比的CPU控制无线通信单元的各种工作模式的切换、控制温度测量单元对温度的测量与传输；电池，用于为温度测量单元、无线通信单元以及主控单元供电；其中，电池分别与温度测量单元、无线通信单元和主控单元相连；主控单元分别与温度测量单元和无线通信单元相连，温度测量单元与无线通信单元相连。本发明可以显著降低传感器的功耗，延迟电池的使用寿命，为电网安全运行提供支持。

Description

无线温度传感器与电力设备温度在线监测系统

技术领域

本发明涉及智能电网技术领域，特别地，涉及一种无线温度传感器与电力设备温度在线监测系统。

背景技术

随着现代电力工业不断向着大机组、大容量和高电压的迅速发展，运行条件更加苛刻、故障率逐渐增加、排除故障时间越来越长、造成的经济损失越来越大。高压电缆接头、闸刀触点、开关触点、铜排连接点、电抗器、消弧线圈、电容器等处可能会因为过载、紧固松动、散热不良等原因而导致发热，从而引起电力事故发生。近20年来，我国各类输、变电站发生火灾140多次，有24个电厂发生过2次以上电缆火灾事故，造成直接和间接损失达50多亿元。

设备的运行温度是设备运行状态的重要外在表征，根据运行温度、相对温升、相间温差等信息可以较准确地判断设备工作状态是否正常。温度监测数据也是状态检修的重要基础数据，在设备上配置数字无线温度传感器网络，可为状态检修信息化提供基础数据支持。

温度传感器应用很普及，但是现有的温度传感器存在以下问题：

(1)体积比较大、安装不方便；

(2)电池使用寿命短、不利于对长期运行的电力设备进行温度监测；

(3)大多采用有线的通信方式，在复杂的电力环境下，安装与布线存在很大困难；

(4)现有无线温度传感器对电磁干扰缺少处理，导致在强的电磁环境下无法正常通信；

(5)电力设备运行温度范围比较大、要求的灵敏度极高、现有的温度传感器在这种环境下还存在问题。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种无线温度传感器与电力设备温度在线监测系统，能够以超低功耗工作，进而延长无线温度传感器中电池的使用寿命。

根据本发明的一方面，提出了一种无线温度传感器，应用于电力设备中，包括温度测量单元、无线通信单元、主控单元以及电池，其中，温度测量单元，用于测量无线温度传感器所附设备的温度；无线通信单元，用于在各种工作模式间切换以至于以低功耗传输温度测量单元所测量的温度；主控单元，用于利用低工作占空比的CPU控制无线通信单元的各种工作模式的切换、控制温度测量单元对温度的测量与传输；电池，用于为温度测量单元、无线通信单元以及主控单元供电；其中，电池分别与温度测量单元、无线通信单元和主控单元相连；主控单元分别与温度测量单元和无线通信单元相连，温度测量单元与无线通信单元相连。

根据本发明的另一方面，还提出了一种电力设备温度在线监测系统，包括监控平台、基站以及前述实施例的无线温度传感器，其中，基站通过网络分别与监控平台和无线温度传感器相连。

本发明提供的无线温度传感器和电力设备温度在线监测系统，紧密结合电网应用的特点，利用温度测量单元对高低压电力设备进行在线温度测量，在无数据发送或接收时使无线通信单元工作于空闲模式或关机模式以降低无线通信单元的功耗，同时利用主控单元的低工作占空比CPU来降低主控单元的功耗，进而延长无线温度传感器中电池的使用寿命，为电网安全生产与运行提供服务和支持。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分。在附图中：

图1是本发明无线温度传感器的一个实施例的结构示意图。

图2是本发明主控单元工作模式转移示意图。

图3是本发明电力设备温度在线监测系统的一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。本发明的示例性实施例及其说明用于解释本发明，但并不构成对本发明的不当限定。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

在物联网及电力行业应用的双重背景下，紧密结合电网应用特点，本发明提出了一种低功耗、长寿命、自组网、安全可靠的应用于电气设备的无线温度传感器和电力设备温度在线监测系统。

图1是本发明无线温度传感器的一个实施例的结构示意图。

如图1所示，该实施例的无线温度传感器10应用于电力设备中，可以包括：

温度测量单元11，用于测量无线温度传感器所附设备的温度；

无线通信单元12，用于在各种工作模式间切换以至于以低功耗传输温度测量单元所测量的温度；

主控单元13，用于利用低工作占空比的CPU控制无线通信单元的各种工作模式的切换、控制温度测量单元对温度的测量与传输；

电池14，用于为温度测量单元、无线通信单元以及主控单元供电，可选地，该电池可以为高温锂亚电池；

其中，电池分别与温度测量单元、无线通信单元和主控单元相连；主控单元分别与温度测量单元和无线通信单元相连，温度测量单元与无线通信单元相连。

该实施例紧密结合电网应用的特点，利用温度测量单元对高低压电力设备进行在线温度测量，在无数据发送时优先使无线通信单元工作于空闲模式或关机模式以降低无线通信单元的功耗，同时利用主控单元的低工作占空比CPU来降低主控单元的功耗，从而延长无线温度传感器中电池的使用寿命，为电网安全生产与运行提供服务和支持。

进一步地，该无线温度传感器还可以包括IP68不绣钢外壳和天线。

举例说明，温度测量单元主要负责温度测量，提供准确的实时温度；无线通信单元主要负责传感器设备的通信传输、自动路由、自适应组网等；主控单元，含微功耗单片机MPU/MCU，主要实现对温度测量单元的采样、无线通信单元的通信以及传感器的工作运行模式等的控制和管理，以确保能耗最低。

进一步地，温度测量单元采用单总线(1-Wire Bus)的数字温度传感器进行温度信息的采集与处理。其中，每条总线连接的1-Wire器件数量可达248支，适用于单主机、多从设备的系统。一般情况下，1-Wire网络只使用电源线、地线和信号线3根线；当使用寄电方式供电时，只需电源/信号线和地线2根线。1-Wire Bus与其他串行通信方式最大的不同在于，它采用单根信号线双向传输数据，以节省I/O口资源，其实现成本低廉、体积小、便于总线扩展和维护等。

其中，该数字温度传感器是3引脚TO-92小体积封装形式，温度测量范围为-55℃-+125℃，可编程为9位-12位MD转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度以带符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可从端脚引入，也可采用寄生电源方式产生。

无线通信单元采用单片射频收发芯片，工作于2.4-2.5GHz频段，工作电压为1.9-3.6V，有多达125个频道供选择，并且可以通过SPI写入数据，最高可达10Mb/s，数据传输速率最快可达2Mb/s，还具有自动应答和自动再发射功能、能自适应路由组网，通信可靠。该芯片内置频率合成起、功率放大器、晶体振荡器、调制器等，并融进了增强式ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可以通过程序进行配置。该芯片的能耗非常低，以-6dBm的功率发射时，工作电流只有9mA，接收时工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式如下表所示：

表1

如上述表1所示，工作模式可以包括接收模式、发射模式、空闲模式、断电模式和关机模式。各种工作模式之间可以相互切换，例如，发射模式与接收模式的相互切换、空闲模式与发射模式的相互切换、空闲模式与接收模式的相互切换、以及接收模式到关机模式的切换。

从表1可以看出，无线通信单元的工作模式由PWR_UP寄存器、PRIM_RX寄存器以及CE控制，接下来具体介绍各种工作模式：

(1)发射模式(TX)

当PRIM_RX＝0时，无线通信单元处于发射状态，当无线通信单元发送数据包时，发送模式被激活，为了从关机模式进入发射模式，无线通信单元必须使PWR_UP位置高，PRIM_RX位置低，在TXFIFO中有有效数据，在CE引脚有超过10us的高电平脉冲，无线通信单元停留在发射模式，直到已经完成当前数据包的传送。如果CE＝0，无线通信单元将返回到空闲模式1；如果CE＝1，则由TX FIFO中的状态决定下一个模式是哪个，如果TX FIFO不为空，则无线通信单元停留在发射模式，并传送下一个数据包，如果TX FIFO为空，则无线通信单元将进入空闲模式2。

如果自动重新传输使能(EN_AA＝1)和自动应答被要求(NO_ACK＝0)，则当ARD通过后和重新发送计数小于ARC时，无线通信单元将从空闲模式1进入发射模式。

当PRIM_RX＝1时，且EN_AA＝1以及NO_ACK＝0，在接收数据时发现在TX FIFO中有有效数据的数据包，则无线通信单元将由接收模式进入到发射模式。

(2)接收模式(RX)

当PRIM_RX＝1时，即，射频被配置为接收器时，无线通信单元的接收模块将被激活。为了从空闲模式1进入到接收模式，无线通信单元必须使PWR_UP位置高，PRIM_RX位置高，CE引脚置高，或者在接收数据包时且EN_AA＝1和NO_ACK＝0的情况下，无线通信单元能够在发送完确认数据包后从发射模式进入到接收模式。

在接收模式下，接收机从RF通道解调信号并且不断地发出解调数据给数据包处理引擎，数据包处理引擎不断寻找有效数据包，如果找到有效数据包(例如，通过匹配地址和/或有效CRC校验)，则将有效数据包存储在RX FIFO的空闲位置处，如果RX FIFO满了，则新接收的数据包将被抛弃。

无线通信单元停留在接收模式，直到MCU配置为空闲模式1或关机模式。

当PRIM_RX＝0时，且EN_AA＝1和NO_ACK＝0的情况下，接收确认数据包时无线通信单元才会从发射模式进入到接收模式。

(3)空闲模式

空闲模式是为了减小平均工作电流而设计，其最大的优点是，实现节能的同时，缩短芯片的起动时间。

(4)关机模式

在关机模式下，为了得到最小的工作电流，一般此时的工作电流为900nA左右，在关机模式下，配置字的内容也会被保持在无线通信单元内，这是该模式与断电模式最大的区别，在该模式下，无线通信单元可以直接被激活而不是被重新上电启动。

另外，ShockBurst技术使得低速数字器件在配合高速射频器件工作时得以优化，高速射频器件在其发送缓冲区未满时等待低速数字器件将待发送的数据送入，缓冲区满后高速将数据发走然后再次等待低速数字器件继续缓冲发送缓冲区，以进入下一个周期。这样射频器件不是一直工作在发送状态，极大地降低了电流损耗、降低了系统开销，不仅节省了电力消耗，而且使得空中的射频信号减少、极大地降低了数据在空气中的碰撞率。

此外，该无线通信单元还采用抗电磁干扰算法以及信息加密处理，以确保通信稳定与信息安全。

在一个实施例中，无线通信单元利用Gazell通信协议的下述特点：

低功耗：Gazell协议是低功耗协议，可设计为纽扣电池供电的应用；

抗干扰性：Gazell协议完成自动跳频及抗干扰的无线通信，具有在复杂环境下优异的抗干扰性能；

低延时：Gazell协议充分利用NRF高速通信的特性，具有低延时特性，特别满足PC周边及其他应用；

高安全性：Gazell协议具有AES 128bit高强度加密，确保数据传输的安全可靠；

简单易用：Gazell协议以源代码或库的方式提供，可与通信节点无缝连接，应用极为方便，例如，发送数据时用户只需调用发送函数，协议自动完成跳频及抗干扰无线传输，无需用户干预。

从实现上来看，无线通信单元在一个极小的封装中集成了2.4GHz无线传输子单元、增强型高速51单片机、丰富的外设、多种接口以及FLASH芯片。

与无线通信单元相连的主控单元可以利用Microchip的单片机，具有体积小、处理能力强等特点。该单片机通过I/O引脚与无线通信单元内的芯片相连来控制无线通信单元的工作模式。

主控单元的功耗主要为电路的开关功耗，或者叫动态功耗，它来源于对负载电容的充放电电流。其他的功耗来源包括短路功耗、静态功耗和漏电流功耗，它们只占系统功耗的一小部分，并且主要由芯片制造工艺决定，所以在此不展开讨论。

主控单元的系统动态功耗可由下式(1)决定：

$P_d=\mathrm{\αf}{C}_L{V}_{\mathrm{DD}}^2---\left(1\right)$

式中，α为反映电路开关活动几率的因子，f为系统工作频率，C_L为输出节点的集总负载电容，V_DD为系统工作电压。从式(1)可以看出，系统动态功耗与电路开关活动几率因子、系统工作频率、输出节点的集总负载电容以及系统的工作电压的平方成正比。

接下来从时钟控制、工作电压、工作频率以及电路规模等角度详细介绍主控单元的功耗情况：

(1)时钟控制

休眠唤醒机制的基本原理是关闭系统中暂时不使用的部分，甚至包括CPU的核心模块，以降低系统总体的能源消耗。在该主控单元中设计了全速工作模式working和两种低功耗休眠模式sleep1和sleep2。

如图2所示，通过执行SLEP指令可将主控单元从working模式切换至sleep1模式，在sleep1模式下可以使用看门狗复位(WDT复位)或外部复位信号将主控单元从sleep1模式恢复到working模式。在恢复到working模式后，系统会重启并重新开始执行程序，以前的信息将会丢失，其效果与系统上电复位相同。因此，sleep1模式仅适合于系统长时间休眠且唤醒后系统重新工作的情况。要从working模式进入到sleep2模式需要将主控单元中的寄存器RA中的SLEP位置位，sleep2模式与sleep1模式的主要区别在于，在sleep2模式下可以使用中断信号唤醒CPU并且继续执行休眠前的程序，不会丢失任何信息，使用sleep2模式的原因是因为主控单元的工作时间远远小于节点信息采集和系统组网等操作的时间间隔，所以在操作系统中可以充分利用这种模式来降低主控单元内CPU的工作占空比。

(2)工作电压和频率

在工作电压方面，综合考虑无线传感器网络节点的供电特点和外围接口电源特性选用3.3V作为主控单元的工作电压，在工作频率方面，综合考虑系统的处理速度以及与外围设备的接口速度选取4MHz作为系统总线的时钟频率。

(3)电路规模

在电路规模方面，主要考虑减小逻辑门数量以降低系统总负载电容，因此在设计中采用了哈佛结构的精简指令集CPU。该CPU共支持58条精简指令，每条指令固定长度为13bit，有效减小了CPU核的规模和存储体系规模。位于主控单元中的其他接口功能单元，如UART、SPI、通用I/O接口等都采用了独立IP的组成形式，可以根据需求方便地进行功能裁减，以达到对嵌入式环境的最佳适应。在CPU核的设计中还采用了两相时钟流水，主要用于提高CPU的顺序取指执行速度，采用这种方式可以在同等总线时钟频率和同样的工作负荷情况下减少CPU的工作时间，从系统层次上减小CPU的工作占空比，从而降低了电路开关活动几率因子，进而可以达到降低功耗的目的。

具体地，主控单元对无线通信单元的控制如下：系统上电时，主控单元首先对无线通信单元进行写配置寄存器操作；然后使无线通信单元进入发射状态，将要发送的数据写入无线通信单元，激活无线发射；接下来检测无线通信单元的IRQ引脚，由于关闭了自动重发射功能(目的是想对发送失败此时进行统计)，因此如果引脚电平变低，即说明产生发送成功中断，数据发送成功，然后从接收端读出数据。

在本发明无线温度传感器的另一实施例中，可以对所述温度测量单元、所述无线通信单元以及所述主控单元进行电磁加固。电磁加固技术即抗电磁脉冲的加固技术，可以从两个方面来考虑：先天加固设计和后天隔离设计。先天加固设计是经优化设计为无线温度传感器中的各单元选用高品质的材料和先进的工艺措施，以提高和强化产品本身的抗电磁脉冲能力。例如，选用抗辐射的材料、经应力筛选后的元器件、结构件和各级单元等。后天隔离设计是采取各种措施将无线温度传感器与电磁脉冲环境相隔离。例如，采取密封机柜、机箱的电磁屏蔽设计、隔离或滤波等防护措施，这些防护措施可以显著降低电磁脉冲的杀伤破坏力。

图3是本发明电力设备温度在线监测系统的一个实施例的结构示意图。

如图3所示，该实施例的电力设备温度在线监测系统30可以包括：

无线温度传感器31，其可以根据图1所示的实施例来实现；

监控平台32，由一台基于Windows OS的控制主机及组态化监控软件组成，控制主机是一个具有完善软件功能的管理平台，它集成了各种通讯协议，图形化人机交互界面和稳定完备的数据库，可以完成一个220kV级变电站全部电缆、母排接头、重要设备的温度管理，其也可以嵌入其他管理与控制功能，能够在单一平台上运行多个管理任务，有效地实现多信息融合和集成，降低用户的总成本。基站由MCU、RS-485接口、2.45GHz数字RF收发器、宽输入DC/DC直流稳压电源、IP68ASA外壳、高增益定向天线和全向天线等组成；

基站33，用于向监控平台传输无线温度传感器所测量的温度；

其中，基站通过网络分别与监控平台和无线温度传感器相连。

该实施例主要应用于对发、输、变、配、用电各环节中各种电气设备因过载、紧固松动、散热不良等原因导致的温度异常等状况进行实时监测，能够实现对一、二次设备运行故障的早期判断和预警，为电力安全稳定运行提供了经济、高效的实时在线监测手段。

综上所述，本发明的上述实施例可以较好地适用于各电压等级电力设备的温度在线监测，具有以下有益效果：

(1)本发明的传感器采用了国内先进的低成本、长寿命、小体积温度传感器(MPU)，具有体积小、功耗低、信息处理能力强等优点；

(2)本发明的传感器使用低工作占空比CPU能够有效降低系统功耗，显著延迟电池使用寿命；

(3)本发明的传感器采用的空中接口协议支持极低功耗大占空比的无线传感器网络，具有良好的可扩展性；

(4)本发明的传感器采用电磁加固技术极大地降低了高压电力环境下强电磁对通信的干扰；

(5)本发明的传感器采用IP68封装的方式使得其体积小、功耗低、安装简单、布设容易；

(6)本发明的传感器采用无线方式通信，使得安装方便，不需要布线。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种无线温度传感器，其特征在于，应用于电力设备中，包括温度测量单元、无线通信单元、主控单元以及电池，其中，

所述温度测量单元，用于测量所述无线温度传感器所附设备的温度；

所述无线通信单元，用于在各种工作模式间切换以至于以低功耗传输所述温度测量单元所测量的温度；

所述主控单元，用于利用低工作占空比的CPU控制所述无线通信单元的各种工作模式的切换、控制所述温度测量单元对温度的测量与传输；

所述电池，用于为所述温度测量单元、所述无线通信单元以及所述主控单元供电；

其中，所述电池分别与所述温度测量单元、所述无线通信单元和所述主控单元相连；所述主控单元分别与所述温度测量单元和所述无线通信单元相连，所述温度测量单元与所述无线通信单元相连。

2.根据权利要求1所述的无线温度传感器，其特征在于，所述各种工作模式包括接收模式、发射模式、空闲模式和关机模式。

3.根据权利要求2所述的无线温度传感器，其特征在于，所述在各种工作模式间切换包括发射模式与接收模式的相互切换、空闲模式与发射模式的相互切换、空闲模式与接收模式的相互切换、以及接收模式到关机模式的切换。

4.根据权利要求1所述的无线温度传感器，其特征在于，所述低工作占空比与所述主控单元的电路开关活动几率因子、工作频率、输出节点的集总负载电容、以及工作电压相关。

5.根据权利要求1所述的无线温度传感器，其特征在于，所述低工作占空比与所述主控单元的时钟流水相关。

6.根据权利要求1所述的无线温度传感器，其特征在于，所述无线通信单元采用ShockBurst方式发射数据。

7.根据权利要求1所述的无线温度传感器，其特征在于，对所述温度测量单元、所述无线通信单元以及所述主控单元进行电磁加固。

8.根据权利要求1所述的无线温度传感器，其特征在于，所述主控单元在全速工作模式与低功耗休眠模式间交替切换。

9.一种电力设备温度在线监测系统，其特征在于，包括监控平台、基站以及权利要求1-8中任一项所述的无线温度传感器，其中，所述基站通过网络分别与所述监控平台和所述无线温度传感器相连。

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