CN103366536A - 一种电力开关柜在线监测系统及其监测方法 - Google Patents

一种电力开关柜在线监测系统及其监测方法 Download PDF

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本发明涉及一种电力开关柜在线监测系统及其监测方法。系统包括开关柜、安装于开关柜中易发热的部位的无线传感器节点,安装于开关柜的仪表室或开关柜外部的无线能量传输装置,无线能量传输装置并通过GPRS或光纤与监控中心进行数据交互。方法包括:无线能量传输装置上电后向开关柜中的无线传感器节点发送射频能量,并等待其复位应答信号;传感器节点利用RF能量收集模块将电磁波能量转换为电能;传感器节点上电后,向无线能量传输装置发送复位应答信号,并提供节点的ID号;无线能量传输装置接收到传感器节点发送的数据后,进行本地显示,并将数据上传到监控中心。本发明通过电磁辐射方式向传感器提供电源,使其具有免维护、安全可靠、便于安装等特点。

Description

一种电力开关柜在线监测系统及其监测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电力系统的监测系统及其方法,具体涉及一种电力开关柜在线监测系统及其监测方法。
背景技术
[0002] 电力开关柜是负责电力系统中负荷分配的重要设备,因通过负荷电流较大,部分开关柜长期通过电流可高达4000A,而柜内接点(插头)接触位置偏移、动静触指弹簧松动、材质不良等因素均会导致触头接触不良,从而产生严重发热。按照国家标准GB763-1990《交流高压电器在长期工作时的发热》相关要求,IOkV开关柜内裸铜或裸铜合金触指最高允许温度为75°C,柜内设备接头的最大发热温度不得超过最高允许发热温度,否则会直接引起开关柜事故,因此采用一种合适的测温方法对电力开关柜接点的温度进行在线实时监测是十分必要的。
[0003] 目前针对开关柜的测温解决方案包括色片测温、红外测温、光纤测温、有源无线测温等,且均具有一定的局限性:1)色片测温法利用色片颜色随温度的不同而变化来判断温度,准确度低,可靠性差,不能进行定量测量;2)红外测温仪适合人工巡查测温,体积较大,成本高,且无法绕射透过遮挡物、准确测量关键接点处温度;3)光纤具有易折、易断、不耐高温的特性,设备造价较高,在柜内布线难度较大;4)有源无线测温传感头需要电池供电或者小CT取能。若采用电池供电,则其在高温下容易爆裂,并且需要定期更换电池,维护工作量大;采用CT取能时,若接头电流较小,电能无法取出,传感头停止工作,若接头电流较大,则容易烧坏小CT直至烧坏传感头。
发明内容
[0004] 针对现有技术的不足,本发明的目的是提供一种电力开关柜在线监测系统,另一目的是提供一种电力开关柜在线监测系统的监测方法,本发明通过无线供电方式向在线监测系统中的传感器提供电源,具有很高的供电可靠性及安全性,极大的缩减了监测系统维护的工作量。
[0005] 本发明的目的是采用下述技术方案实现的:
[0006] 本发明提供一种电力开关柜在线监测系统,其改进之处在于,所述系统包括开关柜、无线传感器节点、无线能量传输装置和监控中心;所述无线传感器节点安装于开关柜中易发热部位(易发热部位指的是如电缆终端接头、母排螺栓处等),所述无线能量传输装置安装于开关柜的仪表室或开关柜外部(开关柜附近能由市电供电的位置),所述无线能量传输装置通过GPRS或光纤与监控中心进行数据交互。
[0007] 其中,在所述开关柜的发热位置安装无线传感器节点;所述无线传感器节点包括RF能量收集模块、传感器模块和微控制器模块;所述RF能量收集模块通过DC/DC升压电路为传感器模块和微控制器模块供电。
[0008] 其中,所述RF能量收集模块包括阻抗匹配网络、超级电容、整流电路和DC/DC升压电路;所述阻抗匹配网络、整流电路和DC/DC升压电路依次连接;所述超级电容与DC/DC升压电路双向连接。
[0009] 其中,所述RF能量收集模块利用天线接收无线能量传输装置发送的电磁波能量,并通过阻抗匹配网络和整流电路将其转换为低压直流电源;所述DC/DC升压电路将不低于20mV的直流电源升压至传感器模块和微控制器模块的工作电压;所述天线为弹簧天线或PCB印制天线;
[0010] 当RF能量收集模块输出电压达到预设值的93%时,向微控制器模块输出PGOOD信号,同时对超级电容进行充电;当收集的射频能量无法维持DC/DC升压电路正常工作时,超级电容开始放电,并通过DC/DC升压电路为传感器模块与微控制器模块供电。
[0011] 其中,所述传感器模块包括温度传感器和湿度传感器,所述温度传感器用于将开关柜中发热无线传感器节点的温度信号转换为温度模拟电压信号;所述湿度传感器用于将环境湿度信号转换为湿度模拟电压信号,所述温度模拟电压信号和湿度模拟电压信号传输至微控制器模块。
[0012] 其中,所述微控制器模块包括依次连接的无线收发器、CPU和模数转换器ADC ;
[0013] 所述微控制器模块定时启动模数转换器ADC将温度模拟电压信号和湿度模拟电压信号转换为数字信号,并通过无线收发器将数字信号发送给无线能量传输装置。
[0014] 其中,所述无线能量传输装置包括微处理器、无线收发器、无线发射电路、功率放大器、GPRS模块/光纤以太网接口、IXD显示屏和平板天线;
[0015] 所述无线收发器、GPRS模块/光纤以太网接口和IXD显示屏分别与微处理器连接;所述无线收发器通过功率放大器连接无线发射电路和平板天线;
[0016] 所述微处理器用于为无线传感器节点提供射频能量并采集实时温、湿度数据;本地显示及告警;配置无线传感器节点的参数;接收并执行监控中心的命令,上传监测数据。
[0017] 其中,所述无线能量传输装置由仪表室或开关柜外部提供的交流电源或蓄电池供电;
[0018] 所述无线能量传输装置发射的信号频段为2.4GHz,与无线传感器节点采用IEEE802.15.4协议进行通信,并通过密钥进行认证。
[0019] 其中,所述监控中心由变电站主站构成。
[0020] 本发明基于另一目的提供的一种电力开关柜在线监测系统的监测方法,其改进之处在于,所述方法包括下述步骤:
[0021] (I)无线能量传输装置上电并初始化后,向开关柜中的无线传感器节点发送射频能量,并等待其复位应答信号;
[0022] (2)所述无线传感器节点利用RF能量收集模块将电磁波能量转换为电能,并为传感器模块和微控制器模块供电;
[0023] (3)所述无线传感器节点上电后,向无线能量传输装置发送复位应答信号,同时提供无线传感器节点的ID号;
[0024] (4)无线能量传输装置接收到无线传感器节点发送的数据后,利用IXD显示屏进行本地显示,并将数据上传到监控中心,同时提供报警功能。
[0025] 其中,所述步骤(2)中,在DC/DC升压电路输出端与负载(负载包括微控制器模块及传感器模块)之间设置延时开关电路,用于防止微控制器模块启动后由于工作电流的增大将供电电压拉低。
[0026] 其中,所述步骤(3)中,无线传感器节点的工作状态包括:轮询状态、发送状态、接收状态和休眠状态;
[0027] 当无线传感器节点上电后,初始化程序设置轮询、发送、接收三种状态的工作周期,并利用微控制器模块内部的定时器来轮流调度、切换工作状态;当无线传感器节点闲置时进入休眠状态,并允许定制器中断唤醒器件;
[0028] 在轮询状态,微控制器模块定时采集并处理发热无线传感器节点温度信号和环境湿度信号,每次持续时间为0-1000微秒;
[0029] 在发送状态,无线传感器节点定时将采集的数据加密后上传到无线能量传输装置,每次持续时间为0-10毫秒;
[0030] 在接收状态,无线传感器节点采用定时监听方式接收数据包,每次持续时间为0-10毫秒。
[0031] 与现有技术比,本发明达到的有益效果是:
[0032] 1、开关柜在线监测系统中的传感器节点采用无线方式供电,避免了定期更换电池的巨大工作量,同时排除了因采用CT供电所带来的安全隐患,具有免维护、体积小、成本低、供电可靠性高等优点;
[0033] 2.无线传感器节点与无线能量传输装置之间采用无线方式传输数据,安装方便,供电局限性小,安全可靠,系统抗电磁干扰能力强;
[0034] 3.无线传感器节点采用轮询、发送、接收和休眠相结合的模式工作,降低了监测系统功耗;
[0035] 4.无线能量传输装置与无线传感器节点之间采样标准协议(IEEE802.15.4协议)进行通信,并采用了加密认证机制,增强了监测系统的可扩展性及安全性。
附图说明
[0036]图1是本发明提供的基于无线供电技术的电力开关柜在线监测系统的结构示意图;
[0037] 图2是本发明提供的无线传感器节点的结构示意图。
具体实施方式
[0038] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
[0039] 针对现有电力开关柜在线监测系统维护工作量大、成本高等问题,本发明采用无线能量发送装置以电磁辐射方式向传感器提供电源,同时以无线方式采集监测数据;无线传感器以低功耗方式工作,从而降低了整个监测系统的功耗。
[0040] 本发明提供的基于无线供电技术的电力开关柜在线监测系统的结构示意图如图1所示,包括开关柜、无线传感器节点、无线能量传输装置和监控中心;其中无线传感器节点安装于开关柜中易发热的位置(如电缆终端接头、母排螺栓处等),实现对温度信号的实时监测;无线能量传输装置安装于开关柜的仪表室或开关柜外部,其天线延长至无线传感器附件,并向其提供射频能量,同时采集传感器发送的数据。无线能量传输装置通过GPRS或光纤将监测数据发送至监控中心。[0041] 无线传感器节点由RF能量收集模块、传感器模块及微控制器模块三部分构成,其结构示意图如图2所示:
[0042] (一)RF能量收集模块利用天线接收无线能量传输装置发送电磁波能量,并通过阻抗匹配网络和整流电路将其转换为低压直流电源。DC/DC升压电路可将不低于20mV的直流电源升压至传感器模块和微控制器模块可以工作的电压,当输出电压达到预设值的93%时便向微控制器模块输出有效的PGOOD信号,同时对超级电容进行充电。当收集的射频能量不足时,超级电容开始放电,并通过DC/DC升压电路为传感器与微控制器模块供电。所述天线为弹簧天线或PCB印制天线。
[0043] 整流电路由4个低导通压降的肖特基二极管S2003M构成,将阻抗匹配网络输出的交流电源转换为直流电源并提供给DC/DC升压电路;DC/DC升压电路由升压芯片LTC3108及微型变压器LPR6235-752SMLB及其他阻容器件组成,可以将低至20mV的电压升压至3.3V及5.25V。其中3.3V电源连接微控制器及传感器模块;5.25V电源连接超级电容。
[0044] (二)传感器模块包括温度传感器和湿度传感器,将开关柜中易发热节点的温度信号及环境湿度信号分别转换为温度和湿度模拟电压信号,并输出至微控制器模块。
[0045](三)微控制器模块是整个无线传感器节点的控制中心,包括依次连接的无线收发器、CPU、模数转换器ADC及其它片上外设(片上外设指的是定时器、中断控制器、通用I/O等)。微控制器模块定时启动模数转换器ADC将温湿度模拟电压信号转换为数字信号,并通过无线收发器将数字信号发送给无线能量传输装置。
[0046] 在不进行AD转换时,CPU便将输出给传感器模块的使能信号置低,以降低温湿度传感器的功耗,同时禁用无线收发器发送功能。对于数据的接收,则采用监听模式,以降低无线收发器消耗的平均电流。在CPU闲置时,该模块进入休眠模式,其工作电流可降至IuA0由于微控制器模块以低的占空比工作,因此其平均功耗很低,为数毫瓦左右。
[0047] 无线能量传输装置由仪表室或开关柜外部提供的交流电源(市电)或蓄电池供电,包括微处理器、无线收发器、无线发射电路、功率放大器、GPRS模块/光纤以太网接口、IXD显示屏和平板天线。
[0048] 所述无线收发器、GPRS模块/光纤以太网接口和IXD显示屏分别与微处理器连接;所述无线收发器通过功率放大器连接无线发射电路和平板天线;
[0049] 所述微处理器用于为无线传感器节点提供射频能量并采集实时温、湿度数据;本地显示及告警;配置无线传感器节点的参数;接收并执行监控中心的命令,上传监测数据。
[0050] 无线能量传输装置利用无线发射电路产生电磁波信号,同时通过功率放大器将发射功率放大至I〜3W ;平板天线通过磁铁吸附在传感器节点附近的(开关柜)内壁上,为其提供无线能量。当发射功率为3W时,无线供电距离可达10m。无线能量传输装置通过无线收发器与传感器节点进行通信,采集实时数据,并显示在IXD显示屏上,同时可利用GPRS模块/光纤接口将监测数据上传到监控中心。
[0051] 无线能量传输装置发射的信号频段为2.4GHz,与无线传感器节点采用IEEE802.15.4协议进行通信,并通过密钥进行认证。
[0052] 监测系统工作流程为:
[0053] (I)无线能量传输装置上电并初始化后,向无线传感器节点发送射频能量,并等待其复位应答信号;[0054] (2)无线传感器节点利用RF能量收集模块将电磁波能量转换为电能,并为传感器模块和微控制器模块供电。
[0055] 由于微控制器工作电压范围较宽(通常在2.0〜3.6V左右),为了防止微控制器启动后由于工作电流的增大而将供电电压拉低,DC/DC升压电路输出端与负载之间增加了由MOS管与阻容器件构成的延时开关电路,可使输出电压上升到3V以上才为负载供电。微控制器工作后可允许其供电瞬间电压下降(不低于2.0V)。
[0056] (3)无线传感器节点上电后便向无线能量传输装置发送复位应答信号,同时提供节点的ID号。
[0057] 无线传感器节点的工作状态为四种:轮询、发送、接收和休眠。
[0058] 在轮询状态,微控制器定时采集并处理温、湿度信号,每次所持续时间约几百微秒;在发送状态,无线传感器节点定时将采集的数据加密后上传到无线能量传输装置,每次持续时间约数毫秒;在接收状态,无线传感器节点采用定时监听方式接收数据包,每次监听时间为数毫秒,以降低节点的功耗;当无线传感器节点闲置时,便进入休眠模式,并允许定时器中断唤醒器件。
[0059] (4)无线能量传输装置接收到传感器节点发送的数据后,进行本地显示,同时根据需要将数据上传到监控中心,同时提供报警功能。用户可通过LCD显示屏设置无线传感器节点的配置参数(如发射功率、数据采集与发送间隔、工作模式、时间与日期等。)
[0060] 本发明提供的电力开关柜在线监测系统及其监测方法以无线供电及无线传感技术为核心,通过电磁辐射方式向无线传感器提供电源,从而免去了传感器中的电池,使其具有免维护、安全可靠、便于安装等特点。
[0061] 最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (12)

1.一种电力开关柜在线监测系统,其特征在于,所述系统包括开关柜、无线传感器节点、无线能量传输装置和监控中心;所述无线传感器节点安装于开关柜中易发热部位,所述无线能量传输装置安装于开关柜的仪表室或开关柜外部,所述无线能量传输装置通过GPRS或光纤与监控中心进行数据交互。
2.如权利要求1所述的电力开关柜在线监测系统,其特征在于,在所述开关柜的发热位置安装无线传感器节点;所述无线传感器节点包括RF能量收集模块、传感器模块和微控制器模块;所述RF能量收集模块通过DC/DC升压电路为传感器模块和微控制器模块供电。
3.如权利要求2所述的电力开关柜在线监测系统,其特征在于,所述RF能量收集模块包括阻抗匹配网络、超级电容、整流电路和DC/DC升压电路;所述阻抗匹配网络、整流电路和DC/DC升压电路依次连接;所述超级电容与DC/DC升压电路双向连接。
4.如权利要求3所述的电力开关柜在线监测系统,其特征在于,所述RF能量收集模块利用天线接收无线能量传输装置发送的电磁波能量,并通过阻抗匹配网络和整流电路将其转换为低压直流电源;所述DC/DC升压电路将不低于20mV的直流电源升压至传感器模块和微控制器模块的工作电压;所述天线为弹簧天线或PCB印制天线; 当RF能量收集模块输出电压达到预设值的93%时,向微控制器模块输出PGOOD信号,同时对超级电容进行充电;当收集的射频能量无法维持DC/DC升压电路正常工作时,超级电容开始放电,并通过DC/DC升压电路为传感器模块与微控制器模块供电。
5.如权利要求2所述的电力开关柜在线监测系统,其特征在于,所述传感器模块包括温度传感器和湿度传感器,所述温度传感器用于将开关柜中发热无线传感器节点的温度信号转换为温度模拟电压信号;所述湿度传感器用于将环境湿度信号转换为湿度模拟电压信号,所述温度模拟电压信号和湿度模拟电压信号传输至微控制器模块。
6.如权利要求2所 述的电力开关柜在线监测系统,其特征在于,所述微控制器模块包括依次连接的无线收发器、CPU和模数转换器ADC ; 所述微控制器模块定时启动模数转换器ADC将温度模拟电压信号和湿度模拟电压信号转换为数字信号,并通过无线收发器将数字信号发送给无线能量传输装置。
7.如权利要求1所述的电力开关柜在线监测系统,其特征在于,所述无线能量传输装置包括微处理器、无线收发器、无线发射电路、功率放大器、GPRS模块/光纤以太网接口、IXD显示屏和平板天线; 所述无线收发器、GPRS模块/光纤以太网接口和IXD显示屏分别与微处理器连接;所述无线收发器通过功率放大器连接无线发射电路和平板天线; 所述微处理器用于为无线传感器节点提供射频能量并采集实时温、湿度数据;本地显示及告警;配置无线传感器节点的参数;接收并执行监控中心的命令,上传监测数据。
8.如权利要求1所述的电力开关柜在线监测系统,其特征在于,所述无线能量传输装置由仪表室或开关柜外部提供的交流电源或蓄电池供电; 所述无线能量传输装置发射的信号频段为2.4GHz,与无线传感器节点采用IEEE802.15.4协议进行通信,并通过密钥进行认证。
9.如权利要求1所述的电力开关柜在线监测系统,其特征在于,所述监控中心由变电站主站构成。
10.一种电力开关柜在线监测系统的监测方法,其特征在于,所述方法包括下述步骤:(1)无线能量传输装置上电并初始化后,向开关柜中的无线传感器节点发送射频能量,并等待其复位应答信号; (2)所述无线传感器节点利用RF能量收集模块将电磁波能量转换为电能,并为传感器模块和微控制器模块供电; (3)所述无线传感器节点上电后,向无线能量传输装置发送复位应答信号,同时提供无线传感器节点的ID号; (4)无线能量传输装置接收到无线传感器节点发送的数据后,利用LCD显示屏进行本地显示,并将数据上传到监控中心,同时提供报警功能。
11.如权利要求10所述的监测方法,其特征在于,所述步骤(2)中,在DC/DC升压电路输出端与负载之间设置延时开关电路,用于防止微控制器模块启动后由于工作电流的增大将供电电压拉低。
12.如权利要求10所述的监测方法,其特征在于,所述步骤(3)中,无线传感器节点的工作状态包括:轮询状态、发送状态、接收状态和休眠状态; 当无线传感器节点上电后,初始化程序设置轮询、发送、接收三种状态的工作周期,并利用微控制器模块内部的定时器来轮流调度、切换工作状态;当无线传感器节点闲置时进入休眠状态,并允许定制器中断唤醒器件; 在轮询状态,微控制器模块定时采集并处理发热无线传感器节点温度信号和环境湿度信号,每次持续时间为0-1000微秒; 在发送状态,无线传感器节点定时将采集的数据加密后上传到无线能量传输装置,每次持续时间为0-10毫秒; 在接收状态,无线传感器·节点采用定时监听方式接收数据包,每次持续时间为0-10毫秒。
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