CN104655303A - 一种高压电柜母线无线测温系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压电柜母线无线测温系统，包括测温传感器、红外模块、单片机系统、RS485总线与上位机；位于高压电柜内的测温传感器直接接触母线绝缘层并取得温度数据，位于高压电柜门上的红外模块将温度数据编码调制后通过红外方式无线传输给单片机系统解调译码处理，单片机系统通过RS485总线与上位机通讯并接受其轮询和发出的控制命令，上位机显示母线的表面温度值和报警画面。解决了现有技术中存在的问题，安全可靠，具有批量处理数据能力。

Description

一种高压电柜母线无线测温系统

技术领域

本发明属于测温技术领域，涉及一种高压电柜母线无线测温系统。

背景技术

电力系统是国民经济的命脉和发展的基础，因此电力系统中供配电设备的安全性、稳定性和可靠性也越来越受到广泛的关注。在整个供配电系统中，开关柜是最重要的环节之一，其运行的安全性直接关系着整个电力系统的安全。开关柜的故障种类很多，其中由于各种原因导致的热故障是影响开关柜安全性的最常见因素。据有关统计，电力系统发生事故的原因中有很多是因为热问题产生的。由于开关柜一般为密闭装置，散热条件差，再加上用电设备长期满负荷甚至超负荷运行，导致发热量过大，热积累加剧，从而引发破坏柜内设备绝缘部件甚至短路、火灾等重大安全生产事故。及时测量柜内尤其是主要部件的温度，并了解其变化趋势是有效预防此类事故的关键，但是开关柜密闭结构的特点，使得人工巡检等常规检测手段难以方便地实施，因此，如何便捷、有效地实时监测开关柜内母线温度便成了电力工程技术人员所共同面临的时代课题。

一般来说供配电系统中的电气设备大多工作在大电流、高电压和强电磁场环境中，在实现实时测量时必须要求被测量对象与测量设备之间进行电气隔离，其测量的温度值信号难以进行有效地传送出来，因此一些常用的温度测量方法很难适用。

目前世界上对电力设备母线温度测量的方法及设备主要有下列几种：

(1)光纤光栅式温度测量设备：它主要由光栅热度传感器、传导光缆和热点监测仪三部分组成。该系统与传统意义上的测温系统比较具有以下特点：

①光纤传感器可以直接输出摄氏温度数值，便于系统设计。

②实现了测温装置与测温点之间电气隔离，完成非接触式测温，同时使用光纤进行与外部显示装置之间数据传送，抗电磁干扰能力强。

③电力测量温度所用的传感器体积较小，对待测设备内体积要求不高，易于实现分布式测量。

但是由于该测量装置的传输信号是利用光纤进行有线传输的，会使得设备内线路过于复杂，且光纤线路易被其它线路挤压或损坏，从而使信号传输受到影响导致通信失败，使得系统可靠性降低。

(2)热红外检测技术：当前，热红外测温技术已经广泛应用于包括工业生产、日常生活等许多场合，尤其是在电力系统温度测量方面取得了明显的技术进步，为巡检、维护电力装置提供了可靠的数据依据，对重大安全事故有一定的预防预警作用，使得设备运行的可靠性大大提高。热红外技术认为所有温度高于绝对零度的物体都会向四周辐射能量，该检测设备就是利用这一理论，通过测定辐射红外能量值并比照其与待测对象温度之间的比例关系换算得到被测对象的温度。

热红外检测技术使用起来方便、测量速度快、灵敏能够实现隔离式测温，因此在电力系统日常维护及故障诊断中得到广泛的应用，为设备检修提供了依据，使缺陷处理更具针对性，很大程度提高了设备运行的可靠性。

但是由于测温原理的限制，该设备对开关柜内的高压母线等封闭式装置无法检测，同时在装置安装上也无法实现一体化集成，且设备价格较高。

(3)采用色片进行温度测量：色片，即示温片，其材料本身的物理特性和化学特性决定了其颜色深浅程度会随着周边环境温度的变化而变化，色片传感器就是利用这一原理是将其颜色于标本对照即可得出被测物体的温度值。传统的色片检测法只能根据色片颜色的深浅判断温度的高低，不能实现温度值的准确测量，随着技术的发展，虽然可以对比样本得出温度的基本数值但是其人工程度高，不容易实现数字智能技术。

(4)无线温度监测技术：无线温度监测技术中虽然使用的是接触式数字温度传感器来实现温度检测的，但是其检测到的温度信号值是通过无线传输的方式传送给系统中其它设备的，因此实现了电气隔离。无线传输的设备种类很多，合理地加以选择就可使利用其结构上的绝缘性和抗电磁干扰性能，较好地解决了开关柜内母线温度监测的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压电柜母线无线测温系统，解决了现有技术中存在的问题，安全可靠，具有批量处理数据能力。

本发明所采用的技术方案是，一种高压电柜母线无线测温系统，包括测温传感器、红外模块、单片机系统、RS485总线与上位机；位于高压电柜内的测温传感器直接接触母线绝缘层并取得温度数据，位于高压电柜门上的红外模块将温度数据编码调制后通过红外方式无线传输给单片机系统解调译码处理，单片机系统通过RS485总线与上位机通讯并接受其轮询和发出的控制命令，上位机显示母线的表面温度值和报警画面。

本发明的特征还在于，

选择了DS18B20作为测温传感器。

红外模块包括红外编码/译码器MCP2120和低功率红外收发模块TFDU4100，红外编码/译码器MCP2120将从标准UART接收的数据遵循SIR协议时序进行编码调制，并以电脉冲方式输出到IR收发器，IR收发器将接收到的数据同样以电脉冲的形式输送到MCP2120遵循SIR协议时序进行解码即解调后送UART，MCP2120带半双工接口；低功率红外收发模块TFDU4100是一种串行红外发送/接收的模块，该模块的内部集成了红外发送/接收部分、传输部分、控制部分。

单片机系统为AT89C52单片机系统。

RS485总线采用平衡发送和差分接收的数据收发方式。

上位机由PC机加组态或组态触摸屏组成。

上位机的监控系统采用MCGS组态软件制作。

本发明的有益效果是，由温度采集装置、柜面处理及通信装置和上位机监测中心组成，温度采集装置安装在开关柜内，其中测温传感器采用特殊封装的数字式传感器并与母线绝缘层直接接触，采集到的温度值以红外无线通信方式按相序发送给柜面处理及通信装置；工作范围内的各柜面处理及通信装置中的单片机分接于RS–485总线的主从分布式结构，AT89C52单片机为核心的从机，在独立地完成温度的显示和逾限报警任务的同时，又承担了与组态软件计算机或触摸屏数据传输的任务，接受上位机监控软件的温度值轮询，综上本发明具有以下优点：

1)多路温度检测，每台温度测温采集装置可以检测6路温度传感器信号。

2)硬件设计简单可靠，本设计中所选器件大都具有高集成度、低功耗、高可靠性的特点。

3)无线数据传输，本设计中采用无线方式取代信号传输线，有效地克服了高压环境中电磁干扰、环境温度以及传输线自身内阻、分布电容特性等因素对数据传输的影响，增强了系统可靠性。

4)数据保护可靠性高，系统从备用电源设计到上位机数据存储的设计充分考虑到数据保护问题。

5)供电方式先进，本系统采用的是专用高频电源开关供电方式对其供电，具有多路高隔离电压输出的特性。

6)低功耗，本系统所选用单片机等电子元器件居委低功耗的CMOS器件。

7)人机交互界面良好，本系统上位机监控软件设计智能化程度高，方便非专业技术人员进行一般性操作。

8)安全机制完善，本系统监控软件具备明确的操作权限分级，用于区分操作人员的权限等级，防止过失操作和恶意破坏。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图中，1.测温传感器，2.红外模块，3.单片机系统，4.RS485总线，5.上位机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种高压电柜母线无线测温系统，包括测温传感器1，红外模块2，单片机系统3，RS485总线4和上位机5；位于高压电柜内的测温传感器1直接接触母线绝缘层并取得温度数据，位于高压电柜门上的红外模块2将温度数据编码调制后通过红外方式无线传输给下位机单片机系统3解调译码处理，单片机系统3通过RS485总线4与上位机5通讯并接受其轮询和发出的控制命令，上位机5显示母线的表面温度值和报警画面。

选择了DS18B20作为测温传感器1，利用高低温度系数热敏晶振的频率随温度变化而变化不同的原理，通过计振荡脉冲的个数来测量外界温度，利用高低温度系数热敏晶振的频率随温度变化而变化不同的原理，通过计振荡脉冲的个数来测量外界温度。

红外模块2包括红外编码/译码器MCP2120和低功率红外收发模块TFDU4100。红外编码/译码器MCP2120将从标准UART接收的数据遵循SIR协议时序进行编码调制，并以电脉冲方式输出到IR收发器，IR收发器将接收到的数据同样以电脉冲的形式输送到MCP2120遵循SIR协议时序进行解码即解调后送UART，MCP2120带半双工接口，意味着系统或者发射，或者接受，但二者不会同时发生；低功率红外收发模块TFDU4100是一种串行红外发送/接收的模块，该模块的内部集成了红外发送/接收部分、传输部分、控制部分等。

测温传感器1和红外模块2采用多路高隔离电压输出高频电源开关供电。该电源主要由主电路、控制电路和一组输出变压器等构成，控制电路还包括为其供电的辅助电源，参数为12V、0.5A和5V、2A，该辅助电源还同时为检测单片机、红外发送装置等模块供电；主电路和控制电路产生一个交流电源并驱动一组输出变压器；为了使得隔离电压很高，该变压器的原边采用高压电缆绕制，同时为了减小变压器的体积方便安装，原边的匝数必须很少，原则上不超过10匝，优选为1匝或者2匝。

单片机系统3为AT89C52单片机系统。AT89C52单片机是8位AVR微处理器，功耗低、运算速度快、可靠性高、功能强大，片内含8KB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256B的随机存取数据存储器RAM，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位CPU和Flash存储单元，可适用于各种控制领域；且具有强大的掉电保护功能，系统主动失电时，即执行进入失电模式的指令，振荡器停止工作，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结；同时可以进行程序加密：AT89C52有3个程序加密位，可通过选择对芯片上的3个加密位进行编程或不编程操作来实现对程序的加密。

RS485总线4采用平衡发送和差分接收的数据收发方式，因此抑制共模干扰的能力较强，该总线收发器灵敏度非常高，能识别的最小电压值为200mV，所以在充分考虑衰减的情况下，信号仍然能够在千米以外得到恢复。

上位机5由PC机加组态或组态触摸屏组成。本系统设计了上位机监控软件，实时对采集的温度数据进行管理。本软件可以通过与实时数据库的连接，对温度数据进行存储、查询并可在PC机上显示，还可以进一步将该系统与专用组态触摸屏结合实现更人性化的工作环境。

上位机5的监控系统采用MCGS组态软件制作。本系统采用MCGS6.8嵌入版，其是在MCGS通用版的基础上研发推出的，专门应用于嵌入式计算机监控系统的组态软件，MCGS6.8嵌入版包括组态环境和运行环境两部分。适应于应用系统综合性能如体积、可靠性、功能、功耗、成本等要求较为严格的计算机系统；其功能包括采集处理现场数据，动画显示、流程控制、报警处理和报表输出等。用户可以方便地调用相关构解决实际工程问题，在工业自动化领域应用广泛。此外该组态软件还配备有模拟运行环境，用户可以方便地利用它对开发的工程系统进行模拟测试、调试。

本发明的一种高压电柜母线无线测温系统，包括以下测温步骤：

1)本系统测温传感器1采用接触式温度传感器，同时有2支测温传感器1对一相母线进行测温，温度测量部分安装在母排上，用以测量母线发热点温度，负责采集对应测温点的温度值；可更加准确了解实际数据，进行实时监控，避免了因系统误差造成误报或灾害发生；

2)温度数据从测温传感器1的串口发送端P3.1送到红外模块2编码/译码器MCP2120，由它将信号编码调制后送低功率红外收发模块TFDU4100通过红外光传给单片机系统3一侧的低功率红外收发模块TFDU4100；

3)单片机系统3一侧的低功率红外收发模块TFDU4100接收到红外信号后，将其送到与之相连接的红外编码/译码器MCP2120，解调译码后送给单片机系统3进行数据处理；单片机系统3可通过RS485总线4接收上位机5的温度轮询指令，显示实测温度值且具有超温报警功能；

4)单片机系统3通过无线方式同时接收多个红外模块2收集的各测温点的温度数值，再经过RS-485总线4的主从结构方式接受上位机5轮询，将数据上传给作为主机的上位机5，同时接受上位机5的控制命令及温度限值；

上位机5通过RS-485总线4实时监管整个系统、发布控制命令、轮询温度值、处理保存并打印数据。

Claims (7)

1.一种高压电柜母线无线测温系统，其特征在于，包括测温传感器(1)、红外模块(2)、单片机系统(3)、RS485总线(4)与上位机(5)；位于高压电柜内的测温传感器(1)直接接触母线绝缘层并取得温度数据，位于高压电柜门上的红外模块(2)将温度数据编码调制后通过红外方式无线传输给单片机系统(3)解调译码处理，单片机系统(3)通过RS485总线(4)与上位机(5)通讯并接受其轮询和发出的控制命令，上位机(5)显示母线的表面温度值和报警画面。

2.根据权利要求1所述的一种高压电柜母线无线测温系统，其特征在于，选择了DS18B20作为测温传感器(1)。

3.根据权利要求1所述的一种高压电柜母线无线测温系统，其特征在于，所述红外模块(2)包括红外编码/译码器MCP2120和低功率红外收发模块TFDU4100，红外编码/译码器MCP2120将从标准UART接收的数据遵循SIR协议时序进行编码调制，并以电脉冲方式输出到IR收发器，IR收发器将接收到的数据同样以电脉冲的形式输送到MCP2120遵循SIR协议时序进行解码即解调后送UART，MCP2120带半双工接口；低功率红外收发模块TFDU4100是一种串行红外发送/接收的模块，该模块的内部集成了红外发送/接收部分、传输部分、控制部分。

4.根据权利要求1所述的一种高压电柜母线无线测温系统，其特征在于，单片机系统(3)为AT89C52单片机系统。

5.根据权利要求1所述的一种高压电柜母线无线测温系统，其特征在于，所述RS485总线(4)采用平衡发送和差分接收的数据收发方式。

6.根据权利要求1所述的一种高压电柜母线无线测温系统，其特征在于，所述上位机(5)由PC机加组态或组态触摸屏组成。

7.根据权利要求1所述的一种高压电柜母线无线测温系统，其特征在于，上位机(5)的监控系统采用MCGS组态软件制作。