CN102437646B - 一种高压开关柜无线温湿度监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种高压开关柜无线温湿度监测装置，其特征在于：它包括复数个监测终端、复数个监测主站和一个后台上位机；每台开关柜配备一台监测主站和复数个监测终端，监测主站与监测终端之间采用433M、2.4G两个频段的射频通信模块进行数据传输；监测主站与上位机之间采用RS-485通信。本发明设计更为合理，使用方便安全，可实现开关柜电气设备触点温度及环境温湿度的实时在线监测。
Description
技术领域
本发明涉及电工技术领域，特别是一种高压开关柜无线温湿度监测装置。
背景技术
变电站中，由于器件老化或接触电阻过大，高压开关柜内的电缆接头、断路器触头等重要设备触点在长期运行过程中可能出现异常温升现象。尤其当电网发生三相电流不平衡或短路等事故时，温升尤为严重。变电站多数高压电气设备采用封闭式结构，散热效果差，若不对相应触点温度进行及时有效的监测措施，设备便会由于过高温升导致火灾事故，从而引发大面积停电，造成巨大经济损失。此外，开关柜内的环境温湿度会影响电气设备的可靠性和寿命，应保证温湿度长期维持在设备正常工作允许范围内。高压开关柜无线温湿度监测系统，可实时监测设备触点温度及环境温湿度数据，并在各监测数据超标时发出报警信息，提醒操作人员采取安全措施，提高开关柜运行的安全性和设备使用寿命。相比光纤温湿度监测系统和红外温湿度监测系统，无线监测系统具有无需布线、安装灵活的优点，几乎适合任何规格的开关柜产品监测。
专利号为“200920010269.2”，名为“一种电气设备过热无线温度监测系统装置”和专利号为“200920183106.4”，名为“基于ZigBee无线网络的开关柜温度在线监测系统”的中国实用新型专利均研发了锂电池供电、单通信频段的无线监测系统。但上述监测系统存在两点不足，其一是锂电池受容量限制，需要更换，同时也存在易燃易爆、电解液泄漏等安全隐患。其二是单通信频段的无线系统易受变电站其他电力或通信设备产生的电磁场干扰，造成数据丢包，通信可靠性下降。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种新的设计更为合理、使用方便安全的高压开关柜无线温湿度监测装置，实现开关柜电气设备触点温度及环境温湿度的实时在线监测。
本实用型所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种高压开关柜无线温湿度监测装置，其特点是：它包括复数个监测终端、复数个监测主站和一个后台上位机；每台开关柜配备一台监测主站和复数个监测终端，监测主站与监测终端之间采用433M、2.4G两个频段的射频通信模块进行数据传输；监测主站与上位机之间采用RS-485通信；
所述的监测终端由微控制器，热敏电阻、精度微调电位器、分压电阻、功能选择编码开关、电流互感器取电模块、433M中频无线射频模块、2.4G高频无线射频模块组成；所述热敏电阻通过高温导线从监测终端引出，黏贴在待测部件表面；所述精度微调电位器、分压电阻、功能选择编码开关与微控制器的GPIO管脚相连；分压电阻输出信号与微控制器的AD采样管脚直接连接；433M中频无线射频模块、2.4G高频无线射频模块均与微控制器的SPI通信管脚相连；电流互感器取电模块与微控制器的电源端直接连接；
所述监测主站由微控制器，数字温湿度传感器、液晶屏、存储器、RS-485通信模块、轻触点按键、报警继电器、排风继电器、加热继电器、AC/DC开关电源模块、433M中频无线射频模块、2.4G高频无线射频模块组成；数字温湿度传感器与微控制器通过GPIO管脚进行三线制通信；液晶屏、轻触点按键、报警继电器、排风继电器、加热继电器的控制端与微控制器的GPIO管脚直接连接；存储器与微控制器的I2C管脚连接；RS-485通信模块与微控制器的UART管脚连接；433M中频无线射频模块、2.4G高频无线射频模块均与微控制器的SPI通信管脚相连；AC/DC开关电源模块与微控制器的电源管脚连接。
以上所述的本发明高压开关柜无线温湿度监测装置技术方案中，其优的技术方案是：所述监测终端采用带过压保护的电流互感器取电模块供电，电流互感器取电模块由取样电阻R1、整流桥W1、瞬态拟制二极管TVS、稳压管D1、稳压管限流电阻R2、功率管T1、泄放保护电阻R4、功率管门极限流电阻R3、前端滤波电容C1、DC/DC变换器、后端滤波电容C2组成；取样电阻R1、瞬态拟制二极管TVS与整流桥W1交流输入端并联；整流桥W1的直流输出端与前端滤波电容C1并联；稳压管D1与稳压管限流电阻R2串联后与所流桥W1的直流输出并联；功率管T1的源极和漏极与整流桥W1的输出并联；泄放保护电阻R4与功率管T1的源极串联；功率管门极限流电阻R3与功率管T1门极串联；前端滤波电容C1正极与DC/DC变换器输入端连接；DC/DC变换器输入端连接输出端与后端滤波电容C2并联。
本发明所述的高压开关柜无线温湿度监测装置中：后台上位机带有监控软件，通过RS-485总线与监测主站进行数据传输；监测软件可显示监测数据、报警信息和继电器动作状态；当后台上位机接入的监测主站数超过4台时，监控软件采用轮显方式显示数据；当若干监测主站上传的监测数据同时超标时，监控软件会将首次报警的监测数据置顶显示，并开启高亮报警灯和报警音频；监控软件向监测主站下发各类报警阈值、排风阈值、加热阈值、射频通信功率和频段的修改命令；所有系统操作信息和主站上传数据都将被监控软件存入带有权限管理和智能搜索功能的数据库中，统一管理。
所述监测终端用于采集电气设备触点温度数据并将其上传至监测主站；所述监测主站用于实现接收所述监测终端数据、监测柜内温湿度数据、显示监测数据、修改报警阈值、存储历史数据、启动\关闭报警、排风、加热继电器、将监测数据上传所述后台上位机的功能；所述后台上位机带有后台监控软件，用于接收和显示主站上传数据、存储监控数据、下发阈值修改命令的功能。
本发明中的各元器件、模块、微处理器等的型号不限于本发明中所公开的型号，现有技术中能用于本发明的与所公开型号功能类同的均可适用于本发明。
本发明的优点在于：所述监测终端采用带过压保护的电流互感器取电模块供电，无需外接电池，无高温爆炸和电解液泄漏危险，电源安全性高、发热小；所述监测终端与所述监测主站之间采用433M、2.4G两个频段的射频通信模块进行数据通信，安装不受开关柜布局限制，抗干扰性强,当其中一个射频模块通信信号受到干扰或被屏蔽时，另一个射频模块可进行数据传输；所述监测终端带有功能选择编码开关和测温精度微调电位器，允许使用人员在系统工作前对监测终端号、射频通信频带、射频通信功率和和测温精度进行调节。所述监测主站带有历史报警数据存储能力，当后台上位机故障或通信失败时，现场工作人员可就地查询历史报警记录；当触点温度、柜内环境温湿度监测数据超标时，所述监测主站启动相应报警、排风、加热继电器，通过液晶屏或上位机监控软件显示各类报警信息和继电器动作状态，避免设备触点过热或工作于恶劣温湿度环境中，提高变电站自动化水平。
本发明开关柜无线温湿度监测系统，将若干带有热敏电阻的监测终端安装在待测触点附近，触点温度检测精度高。监测终端采用带有过压保护的电流互感器取电模块，直接从测温触点所在的导线上获取电能，使用方便、安全可靠、无需更换电池。双频段射频通信模块将监测终端所测温度发送至安全距离外的监测主站上，通信干扰小，可靠性高。上述技术保证本发明可及时、准确反映待测触点温度、环境温湿度的变化情况，当监测数据超标时，可通过现场监测主站的显示设备和继电器进行报警、也可通过远方的监控软件报警，避免设备因过热造成的火灾和大面积停电事故，提高了变电站的自动化水平。本发明应用前景及经济效益预测：应用前景良好，可带来较高的经济效益。
附图说明
图1为本发明无线温湿度监测系统连接示意框图；
图2为本发明无线温湿度监测系统的监测终端结构框图；
图3为本发明无线温湿度监测系统监测终端电流互感器取电模块原理图；
图4为本发明无线温湿度监测系统的监测主站结构框图。
具体实施方式
以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。
实施例1，参照图1-4，一种高压开关柜无线温湿度监测装置，它包括复数个监测终端、复数个监测主站和一个后台上位机；每台开关柜配备一台监测主站和复数个监测终端，监测主站与监测终端之间采用433M、2.4G两个频段的射频通信模块进行数据传输；监测主站与上位机之间采用RS-485通信；
所述的监测终端由微控制器STM32，热敏电阻MF51、精度微调电位器、分压电阻、功能选择编码开关、电流互感器取电模块、433M中频无线射频模块SI4432、2.4G高频无线射频模块CC2520组成；所述热敏电阻MF51通过高温导线从监测终端引出，黏贴在待测部件表面；所述精度微调电位器、分压电阻、功能选择编码开关与微控制器STM32的GPIO管脚相连；分压电阻输出信号与微控制器STM32的AD采样管脚直接连接；433M中频无线射频模块SI4432、2.4G高频无线射频模块均与微控制器STM32的SPI通信管脚相连；电流互感器取电模块与微控制器STM32的电源端直接连接；
所述监测主站由微控制器STM32，数字温湿度传感器SHT71、液晶屏uc1608、存储器24C02、RS-485通信模块、轻触点按键、报警继电器、排风继电器、加热继电器、AC/DC开关电源模块、433M中频无线射频模块SI4432、2.4G高频无线射频模块CC2520组成；数字温湿度传感器SHT71与微控制器STM32通过GPIO管脚进行三线制通信；液晶屏、轻触点按键、报警继电器、排风继电器、加热继电器的控制端与微控制器STM32的GPIO管脚直接连接；存储器24C02与微控制器STM32的I2C管脚连接；RS-485通信模块与微控制器STM32的UART管脚连接；433M中频无线射频模块SI4432、2.4G高频无线射频模块均与微控制器STM32的SPI通信管脚相连；AC/DC开关电源模块与微控制器STM32的电源管脚连接。
实施例2，实施例1所述的高压开关柜无线温湿度监测装置中：所述监测终端采用带过压保护的电流互感器取电模块供电，电流互感器取电模块由取样电阻R1、整流桥W1、瞬态拟制二极管TVS、稳压管D1、稳压管限流电阻R2、功率管T1、泄放保护电阻R4、功率管门极限流电阻R3、前端滤波电容C1、DC/DC变换器、后端滤波电容C2组成；取样电阻R1、瞬态拟制二极管TVS与整流桥W1交流输入端并联；整流桥W1的直流输出端与前端滤波电容C1并联；稳压管D1与稳压管限流电阻R2串联后与所流桥W1的直流输出并联；功率管T1的源极和漏极与整流桥W1的输出并联；泄放保护电阻R4与功率管T1的源极串联；功率管门极限流电阻R3与功率管T1门极串联；前端滤波电容C1正极与DC/DC变换器输入端连接；DC/DC变换器输入端连接输出端与后端滤波电容C2并联。
实施例3，实施例1或2所述的高压开关柜无线温湿度监测装置，其特征在于：后台上位机带有监控软件，通过RS-485总线与监测主站进行数据传输；监测软件可显示监测数据、报警信息和继电器动作状态；当后台上位机接入的监测主站数超过4台时，监控软件采用轮显方式显示数据；当若干监测主站上传的监测数据同时超标时，监控软件会将首次报警的监测数据置顶显示，并开启高亮报警灯和报警音频；监控软件向监测主站下发各类报警阈值、排风阈值、加热阈值、射频通信功率和频段的修改命令；所有系统操作信息和主站上传数据都将被监控软件存入带有权限管理和智能搜索功能的数据库中，统一管理。
实施例4，参照图1-4，一种高压开关柜无线温湿度监测装置；
参阅图1所示，它包含三个部分：监测终端10，监测主站20和后台上位机30。每台开关柜配备一台监测主站20和m台监测终端10，监测主站20与监测终端10之间采用同频率的无线通信。每m个监测主站20共享一台上位机，监测主站20与上位机30之间采用RS-485通信。
请参阅图2，监测终端10由微控制器11、热敏电阻12、精度微调电位器13、分压电阻14、功能选择编码开关15、电流互感器取电模块16、433M射频模块17和2.4G射频模块18组成。所述微控制器11采用STM32、所述热敏电阻12采用MF51、所述433M射频模块17采用SI4432、所述2.4G射频模块18采用CC2520；所述精度微调电位器13、分压电阻14、功能选择编码开关15与所述微控制器11的GPIO管脚相连；所述分压电阻14输出信号与所述微控制器11的AD采样管脚直接连接；所述433M中频无线射频模块17、所述2.4G高频无线射频模块18均与所述微控制器11的SPI通信管脚相连；所述电流互感器取电模块与所述微控制器11的电源端直接连接。
所述监测终端10安装在开关柜内电气设备触点附近，热敏电阻12黏在待测触点上，精度微调电位器13与热敏电阻12的分压电阻14并联。监测终端10工作前，利用精度微调电位器13调整测温精度，并用功能选择编码开关15的12~10位选择监测终端的设备号，9~7位选择433M射频通信频段，6~4位选择2.4G射频通信频段，3~2位选择433M射频的发射功率，末位选择2.4G射频的发生功率。监测终端工作时，微控制器11通过采集精度微调电位器13的分压VRc来计算触点温度。433M射频模块17和2.4G射频模块18均工作于接收模式。当其中一种射频模块收到监测主站20下发的测温数据上传命令后，监测终端10便将该射频模块工作于发送模式，并将触点温度发送至监测主站20。
监测终端10的电能来自电流互感器取电模块16，电流互感器取电模块16原理图请参阅图3。所述电流互感器取电模块由取样电阻R1、整流桥W1、瞬态拟制二极管TVS、稳压管D1、稳压管限流电阻R2、功率管T1、泄放保护电阻R4、功率管门极限流电阻R3、前端滤波电容C1、DC/DC变换器、后端滤波电容C2组成；所述取样电阻R1、瞬态拟制二极管TVS与整流桥W1交流输入端并联；所述整流桥W1的直流输出端与所述前端滤波电容C1并联；所述稳压管D1与所述稳压管限流电阻R2串联后与所述整流桥W1的直流输出并联；所述功率管T1的源极和漏极与所述整流桥W1的输出并联；所述泄放保护电阻R4所述功率管T1的源极串联；所述功率管门极限流电阻R3与所述功率管T1门极串联；所述前端滤波电容C1正极与所述DC/DC变换器输入端连接；所述DC/DC变换器输入端连接输出端与所述后端滤波电容C2并联。
所述电流互感器取电模块的工作原理为：将待测触点上连接的导线穿过电流互感器磁芯，电流互感器线圈感应导线上的电流产生交流感应电动势。感应电动势经电阻R1取样和整流桥W1整流后变为脉动直流电压。当脉动直流尖峰高于稳压管D1的稳压值和稳压管限流电阻R2的压降总和时，D1导通。随后，功率管T1作为电源的过压保护进入导通状态，脉动直流的尖峰能量转移至泄放电阻R4上。R3为T1门极的限流电阻。消除了尖峰的脉动直流电压仍有较大纹波，此时，前端滤波电容C1可将电压纹波滤除，得到平稳直流电压。最后，该电压经DC/DC变换器降压至3.3V，供给监测终端使用。C2是后端滤波电容，瞬态拟制二极管TVS保护电源模块不受浪涌冲击。
请参阅图4，监测主站20由微控制器21、液晶屏22、433M射频模块23、2.4G射频模块24、数字温湿度传感器25、轻触点按键26、报警继电器27、排风继电器28、加热继电器29、存储器210、RS-485通信模块211、AC/DC电源模块212组成。所述微控制器21采用STM32；所述液晶屏采用uc1608；所述数字温湿度传感器25采用SHT71；所述存储器210采用24C02；所述433M中频无线射频模块采用SI4432；所述2.4G高频无线射频模块采用CC2520；所述数字温湿度传感器25与所述微控制器21通过GPIO管脚进行三线制通信；所述液晶屏22、轻触点按键26、报警继电器27、排风继电器28、加热继电器29的控制端与所述微控制器21的GPIO管脚直接连接；所述存储器210与所述微控制器21的I2C管脚连接；所述RS-485通信模块211与所述微控制器21的UART管脚连接；所述433M中频无线射频模块23、2.4G高频无线射频模块24均与所述微控制器21的SPI通信管脚相连；所述AC/DC开关电源模块212与所述微控制器21的电源管脚连接。
监测主站20工作时，微控制器21将433M射频模块23置于休眠模式，2.4G射频模块24置于工作模式。随后每隔2s，2.4G射频模块24向各监测终端10下发一次测温数据上传命令，并等待接收各监测终端10上传数据。若下发数据上传命令3次后，监测终端10均不响应，判定2.394~2.507G通信频段受到干扰或信号被屏蔽。此刻，监测主站20将2.4G射频模块24进入休眠模式，启动433M射频模块23进行通信。监测主站20在接收监测终端10上传数据的同时，数字温湿度传感器25将柜内环境温湿度数据通过UART管脚输入微控制器21。液晶屏22将各监测数据实时显示。当触点温度或环境温湿度超过报警阈值时，液晶屏22立即高亮显示报警信息，同时报警继电器27闭合，输出报警信号，各类报警数据存入存储器210中。当环境温度超过排风阈值时，液晶屏22立即高亮显示排风信息，同时排风继电器28闭合，输出排风信号，降低柜内温度。当环境温度低于加热阈值或环境湿度高于加热阈值时，液晶屏22立即高亮显示加热信息，同时加热继电器29闭合，输出加热信号，升高环境温度或降低环境湿度。轻触点按键26配合液晶屏22显示，可用来对各类报警阈值、排风阈值、加热阈值、射频通信功率和频段进行修改。最后，监测主站20将各监测数据、报警信息和继电器动作状态通过RS-485通信模块211上传至上位机的监控软件。监测主站采用220V交流输入，3.3V输出的AC/DC电源212模块供电。
后台上位机30是变电站中安装有后台监控软件的监控计算机。通过RS-485总线，后台上位机30可接收监测主站20上传的监测数据、报警信息和继电器动作状态，并实时显示在监控软件上。当接入的监测主站20数超过4台时，监控软件采用轮显方式显示数据。当若干监测主站20上传的监测数据超标时，监控软件会将首次报警的监测数据置顶显示，并开启高亮报警灯和报警音频。在接收监测主站20上传数据的同时，监控软件20可向监测主站下发各类报警阈值、排风阈值、加热阈值、射频通信功率和频段的修改命令。所有系统操作信息和主站上传数据都将被监控软件存入带有权限管理和智能搜索功能的数据库中，统一管理。
Claims (2)
1.一种高压开关柜无线温湿度监测装置，其特征在于：它包括复数个监测终端、复数个监测主站和一个后台上位机；每台开关柜配备一台监测主站和复数个监测终端，监测主站与监测终端之间采用433M、2.4G两个频段的射频通信模块进行数据传输；监测主站与上位机之间采用RS-485通信；
所述的监测终端由微控制器，热敏电阻、精度微调电位器、分压电阻、功能选择编码开关、电流互感器取电模块、433M中频无线射频模块、2.4G高频无线射频模块组成；所述热敏电阻通过导线从监测终端引出，黏贴在待测部件表面；所述精度微调电位器、分压电阻、功能选择编码开关与微控制器的GPIO管脚相连；分压电阻输出信号与微控制器的AD采样管脚直接连接；433M中频无线射频模块、2.4G高频无线射频模块均与微控制器的SPI通信管脚相连；电流互感器取电模块与微控制器的电源端直接连接；
所述监测主站由微控制器，数字温湿度传感器、液晶屏、存储器、RS-485通信模块、轻触点按键、报警继电器、排风继电器、加热继电器、AC/DC开关电源模块、433M中频无线射频模块、2.4G高频无线射频模块组成；数字温湿度传感器与微控制器通过GPIO管脚进行三线制通信；液晶屏、轻触点按键、报警继电器、排风继电器、加热继电器的控制端与微控制器的GPIO管脚直接连接；存储器与微控制器的I2C管脚连接；RS-485通信模块与微控制器的UART管脚连接；433M中频无线射频模块、2.4G高频无线射频模块均与微控制器的SPI通信管脚相连；AC/DC开关电源模块与微控制器的电源管脚连接；
所述监测终端采用带过压保护的电流互感器取电模块供电，电流互感器取电模块由取样电阻R1、整流桥W1、瞬态拟制二极管TVS、稳压管D1、稳压管限流电阻R2、功率管T1、泄放保护电阻R4、功率管门极限流电阻R3、前端滤波电容C1、DC/DC变换器、后端滤波电容C2组成；取样电阻R1、瞬态拟制二极管TVS与整流桥W1交流输入端并联；整流桥W1的直流输出端与前端滤波电容C1并联；稳压管D1与稳压管限流电阻R2串联后与所流桥W1的直流输出并联；功率管T1的源极和漏极与整流桥W1的输出并联；泄放保护电阻R4与功率管T1的源极串联；功率管门极限流电阻R3与功率管T1门极串联；前端滤波电容C1正极与DC/DC变换器输入端连接；DC/DC变换器输入端连接输出端与后端滤波电容C2并联；
后台上位机带有监控软件，通过RS-485总线与监测主站进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的高压开关柜无线温湿度监测装置，其特征在于：监测软件可显示监测数据、报警信息和继电器动作状态；当后台上位机接入的监测主站数超过4台时，监控软件采用轮显方式显示数据；当若干监测主站上传的监测数据同时超标时，监控软件会将首次报警的监测数据置顶显示，并开启高亮报警灯和报警音频；监控软件向监测主站下发各类报警阈值、排风阈值、加热阈值、射频通信功率和频段的修改命令；所有系统操作信息和主站上传数据都将被监控软件存入带有权限管理和智能搜索功能的数据库中，统一管理。
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