CN203191097U - 一种电缆终端在线检测系统 - Google Patents

Abstract

一种电缆终端在线检测系统，属测量领域。其在现场测温点设置无线温度传感器，无线温度传感器中设有ZigBee无线发射模块；设置至少一个无线通信网关，无线通信网关中设有ZigBee无线接收模块；无线温度传感器中的ZigBee无线发射模块与无线通信网关中的ZigBee无线接收模块构成一个ZigBee短距离无线通信网；在集中监控中心设置中央服务器；在无线通信网关与中央服务器之间，设置EPON网；其EPON网由用户侧光网络单元、局侧光线路终端和连接两者的光纤组成；用户侧光网络单元以串口方式或以太网模式与无线通信网关连接，局侧光线路终端以串口方式或以太网模式与集中监控中心的中央服务器连接。可广泛用于电力系统的设备状态监测领域。

Description

一种电缆终端在线检测系统

技术领域

本实用新型属于测量领域，尤其涉及一种用于电力设备的在线状态监测装置。

背景技术

电力设备工作时，各部件正常发热不应超过其最高允许温度，才能保证安全运行。对电力设备运行状态进行温度在线监测能及时发现设备异常，并采取措施以避免事故的发生。

电力设备导电连接处、插接处的电接触状况不良是引起该处温度过高的重要原因。因此连接处和插接处是在线监测的主要部位。

现有温度在线监测方式主要有两种：红外辐射的非接触式和采用热敏器件的接触式测温。非接触式红外传感器由于受环境、湿度、大气压的影响较大，红外辐射受遮挡就无法准确测量，使用有很大局限性。而接触式的传感器直接与测温点相接触，受环境因素干扰小，可实现准确、快速温度检测。

现有接触式测温方案的不足：接触式测温方案通常采用热电偶、光纤传感器、电阻式传感器作为测温传感器，采用热电偶作传感器时，由于热电偶冷端不可能保持在0℃，在室温下测定要加冷端补偿，在实际测量中热端与冷端间距较远时，还需要采用补偿导线；采用光纤传感器作传感器（包括发射端、接收端、连接器和光纤）时，光纤传感器如何安装走线很成问题，光纤传输信号方案并不容易做到高低电位的完全隔离，当发射端安装高压端时，对地绝缘的问题也无法解决；采用电阻式传感器直接接触测量，在高电位用有线输送信号，简单运用空气间隙隔离高低电位，通过红外光电转换传输温度信号是一个不错的办法，但红外发射、接收管外露，长期使用会落灰尘、污秽，使得信号传输的可靠性逐渐变差　影响测量值也是一个很难解决的问题，另外还必须进行现场专业安装调试　使用的便利性上不理想。

故温度在线监测装置的技术关键：对于低压系统检测主要技术是解决温度传感器绝缘又导热问题，对于高压系统检测必须有效解决高电压窜入低电压系统的问题。因为感温元件在高压端，检测处理的控制单元在低压系统，所以技术核心是实现高压端与低电压系统的电位可靠隔离。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种电缆终端在线检测系统，其采用面向对象的设计思想和分布式系统架构，由无线温度传感器对待监测点的温度进行监测，通过无线通信将温度数据发送给通信网关，通信网关就近将本区域内各监测点的温度进行收集，实现数据的集中收集、转发，在局端设置一中央服务器，其通过有线或无线通道收集若干个变电站、箱式变压器、用户站的数据，并进行汇总，实现实时数据显示、历史数据存储、报表生成、历史曲线、短信报警等等功能，并可根据用户的需要进行功能扩展。

本实用新型的技术方案是：提供一种电缆终端在线检测系统，包括位于现场测温点的温度传感器和位于集中监控中心的温度检测数据汇总、存储、集中显示装置，其特征是：

在现场测温点设置至少一个无线温度传感器，所述的无线温度传感器中设有ZigBee无线发射模块；

设置至少一个无线通信网关，所述的无线通信网关中设有ZigBee无线接收模块；

无线温度传感器中的ZigBee无线发射模块与无线通信网关中的ZigBee无线接收模块构成一个ZigBee短距离无线通信网；

在所述的集中监控中心设置一个中央服务器；

在所述的无线通信网关与集中监控中心的中央服务器之间，设置一个EPON网；所述的EPON网由用户侧光网络单元ONU、局侧光线路终端OLT和连接两者的光纤组成；所述的用户侧光网络单元ONU以串口方式或以太网模式与无线通信网关连接，所述的局侧光线路终端OLT以串口方式或以太网模式与集中监控中心的中央服务器连接。

其所述的无线温度传感器固定在电缆接头或电缆终端的表面。

其所述的无线温度传感器包括温度传感器、低功耗单片机、无线发射模块和随机电源，所述的随机电源包括并接的锂电池和储能电容；其中，所述温度传感器的测温探头设置在无线温度传感器的底面上，所述的低功耗单片机通过串行总线与温度传感器的信号输出端连接；所述的无线发射模块为Zigbee无线通信模块；所述的低功耗单片机经串行总线与Zigbee无线通信模块连接；所述的低功耗单片机与锂电池和储能电容连接，并通过I/O端口为温度传感器提供电源，同时经电子开关电路，来控制Zigbee无线通信模块电源的通/断。

其所述的ZigBee短距离无线通信网为2.4GHz Zigbee无线通信网络。

所述的ZigBee短距离无线通信网设置有多台无线通信网关，各台无线通信网关之间采用RS485总线或网络接口实现相互之间的级联。

与现有技术比较，本实用新型的优点是：

1.采用Zigbee无线网络的数据传输方式，来解决高压端与低电压系统的电位可靠隔离问题；

2.遵循面向对象、分层分布式的设计思路，将整个系统从下到上分成三层，以达到灵活配置，且互不影响的技术效果；

3.采用锂电池和储能电容的电源方案，并通过低功耗单片机控制Zigbee无线通信模块是否进入工作状态，藉此最大限度的降低电能消耗，延长无线温度传感器的使用寿命；

4.可适应多种组网方式和数据传输方式，对现有数据传输网络的兼容性好，可降低现有数据传输网络的改造费用；

5.无线温度传感器的输出是数字信号，通过串行总线直接与CPU接口，相对于热电偶、热电阻等模拟量输出的传感器，无需校验，无需修正，因此稳度性极高。

附图说明

图1是本实用新型的系统构成示意图；

图2是本实用新型无线温度传感器的机械结构示意图；

图3是无线温度传感器的电路结构示意图；

图4是各通信网关之间采用RS485总线结构实现级联的网络拓扑结构示意图；

图5是各通信网关之间采用网络接口实现级联的网络拓扑结构示意图。

图中1-1-1～1-N-N为无线温度传感器，2-1～2-N为无线通信网关，3-1为中央服务器，ONU-1～ONU-N为用户侧光网络单元，OLT为局侧光线路终端，2-1为无线温度传感器壳体，2-2为上盖，2-3为温度传感器的测温探头，2-4为腔体，2-5为电池仓，2-6为无线信号发射天线。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

图1中，本实用新型的分布式电缆终端在线监测系统，采用面向对象的设计思想和分布式系统架构，由无线温度传感器、通信网关、传输通道及中央服务器等组成。

无线温度传感器（以下简称为温度传感器）1-1-1～1-N-N直接安装在温度监测点上，并通过2.4GHz无线网络将温度数据发送给无线通信网关（以下简称为通信网关）2-1～2-N，由于温度传感器与通信网关之间不存在电的直接联系，因此不会对设备绝缘带来影响。

对规模较大的应用场所，由于传感器数量多或通信距离较远，可以将大区域分为几个相对较小的区域，每个区域安装一台通信网关，就近将本区域内各监测点的温度进行收集。

多台通信网关之间可以通过自有的通信接口进行组网，从而将数据收集到其中一台通信网关中，实现数据的集中收集、转发。

对规模较小的箱变、用户站，由于监测点较少且相对集中，一台通信网关即可实现所需功能。

在局端设置一中央服务器3-1，其通过特定的有线或无线通道收集若干个变电站、箱变、用户站的数据，并进行汇总，实现实时数据显示、历史数据存储、报表生成、历史曲线、短信报警等等功能，并可根据用户的需要进行功能扩展。

无线网络为2.4GHz Zigbee无线通信网络；所述的测量结果包括电缆接头或电缆终端表面的实际运行温度。

其所述的无线通信网关为2.4G Zigbee无线通信网关，其提供Zigbee无线温度采集接口和基于WIFI或RS232的当地维护功能，实现以太网通信、串口通信、GPRS通信、基于无线WIFI的WEB浏览功能以及自组网功能。

在通信网关与集中监控中心的中央服务器之间，设置有一个EPON网，用于远距离的数据传送。

其所述的EPON网由用户侧光网络单元ONU、局侧光线路终端OLT和连接两者的光纤组成；所述的用户侧光网络单元ONU以串口方式或以太网模式与无线通信网关连接，所述的局侧光线路终端OLT以串口方式或以太网模式与集中监控中心的中央服务器连接。

综上可知，本技术方案中数字温度传感器紧贴于电缆终端测温点放置，用于感应待测点的温度，超低功耗CPU定时采集温度传感器的温度，并通过Zigbee无线发射模块以无线的方式向外发送。

通信网关通过Zigbee无线接收模块接收各个传感器发送过来的温度信号，并根据现场的通信条件通过特定的通道以有线或无线的方式向外发送。

中央服务器设置一台工控机，其通过通信口接收通信网关发送过来的数据，并进行显示、存储和分析，实现越限告警，事故预警等功能。

图2中，无线温度传感器包括温度传感器、低功耗单片机、无线发射模块和随机电源，其温度传感器、低功耗单片机、无线发射模块集成在一块线路板上，安装固定在无线温度传感器壳体2-1的腔体2-4中，随机电源设置在电池仓2-5中，无线发射模块的无线信号发射天线2-6固定在上盖2-2上，温度传感器的测温探头2-3设置在无线温度传感器的底面上，与被测物体的表面紧密接触。

由图可知，传感器壳体的机械结构采用阻燃耐高温PE塑料制成，由壳体和盖板组成，壳体下面开孔以便露出温度探头。

传感器的线路板焊接、调试好以后，装配于结构的底部，确保探头从壳体底部露出。然后进行环氧灌封。灌封好以后，盖好上盖，并经过屏蔽处理、绝缘处理工序后变成最终的成品。

图3中，单片机U1为本系统的核心，其通过IO管脚给温度传感器（因其功耗极低）供电，并通过串行总线（SPI）读取温度传感器的实时温度值，当采集到的温度值与上次的采集值之差大于设定值时，单片机通过IO脚控制，开放D1（PMOS开关），从而给Z1（Zigbee模块）供电，并通过串行总线（SPI）将温度值通过无线的方式发送出去。

主要芯片型号如下：

B1为高性能耐高温锂离子电池；

C1为表贴钽电容，用来在发射瞬间提供大电流；

D1为PMOS开关TPS1100；

Z1为SZ05-ZBEE系列Zigbee无线通信模块；

U1为Microchip公司超低功耗单片机PIC24F16KL402；

S1为ADI公司高精度宽范围数字温度传感器ADT7410。

本系统的温度传感器采用数字温度传感器，由于传感器的输出是数字信号，通过串行总线直接与CPU接口，相对于热电偶、热电阻等模拟量输出的传感器，无需校验，无需修正，因此稳度性极高。

Zigbee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术。其物理层和介质访问控制层协议为IEEE802.15.4协议标准，网络层和安全层由Zigbee联盟制定，应用层的开发应根据用户自己的需要，对其进行开发利用。

Zigbee设备为低功耗设备，其发射输出功率为0～3.6dBm，通信距离通常为30～70m，具有能量检测和链路质量指示能力，根据这些检测结果，设备可以自动调整发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最低限度地消耗设备能量。

ZigBee模块是针对块速、高效、稳定应用的产品开发而准备的模块，它将ZigBee芯片必须要外接的器件，以及高频走线等复杂过程隐藏起来，用户不需要了解射频知识，直接按照普通芯片的形式使用即可，大大的降低了ZigBee网络的硬件设计难度。

关于ZigbBee模块，现在已经有很多成熟的市售产品，常见的Zigbee无线信号传输平台都是由一个8位或16位的单片机和Zigbee射频芯片组成。随着芯片设计的发展，目前出现了无线单片机，即将处理器模块和射频模块集成在同一个芯片中。Ti-Chipcon公司的CC2430就是如此，CC2430集成了Zigbee射频前端、ROM和8051微控制器在一个芯片内，而且大小仅为7mm×7mm，这样就使得设备集成度高、外围器件很少、外形很小；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA，并且支持四种休眠机制，可以大大地降低功耗；CC2430工作在2.4GHz的免费频段，而且芯片价格比较低廉，使用成本很低，所以CC2430很符合Zigbee无线数据信号传输网络平台的设计要求。

在发射／接收通讯距离较近时，还可选用Chipncon AS公司的诸如CC1100之类的低成本低能耗RF收／发芯片。

关于各种ZigBee模块的具体工作原理和应用电路，可以参考各芯片／模块的生产厂商的产品资料，其还会提供各自芯片的标准应用电路和相应元件的优选参数，故其进一步的信息在此不再叙述。

关于ZigBee无线网络模块的具体构建，亦可参考“嵌入式工控网”（www.embedcontrol.com）上ZigBee模块ZICM2410应用开发指南中的相关内容，在此不再叙述。

由于采用了上述一系列低功耗设计措施，使得系统的平均功耗可达到2uA以内，采用1AH的锂电池可运行8年以上（已经考虑了锂电池自放电的影响）。

图4中，作为无线测温系统的重要组成部分，通信网关在系统中起到承上启下的作用，它通过2.4G Zigbee无线通信实时收集现场无线温度传感器发送过来的温度数据，并通过特定的有线、无线、光纤通道转发到远方监控中心（即中央服务器）。当现场测温点较多且比较分散的场合，在现场可布置多台通信网关，多台网关之间可以通过RS485总线的方式实现级联，在此种情况下，其中一台通信网关为主网关，其它的为从网关，主网关与其它的从网关通信将数据收集过来，进行汇总，然后通过有线或无线网络通信的方式将数据集中向上一级传送。

通信网关装置可选用深圳海凌科电子的HLK-WIFI-M03嵌入式Uart-Wifi模块产品，通过本模块，通信网关只需通过串口就可轻松接入无线网络。该模块内置WEB功能，通过通信网关装置内部的软件设置，可实现基于WEB浏览方式的无线温度发布、浏览。在具有WIFI功能的智能终端上，通过WEB浏览功能就可以查看到数据。

此外，通信网关装置内部可扩展西门子GPRS模块MC55，从而实现GSM短消息功能。

图5中，给出了多台网关之间可以通过网络的方式实现级联的网络拓扑结构，其余同图4，不再重复。

由于本实用新型采用面向对象的设计思想和分布式系统架构，由无线温度传感器对待监测点的温度进行监测，通过无线通信将温度数据发送给通信网关，解决了高压端与低电压系统的电位可靠隔离问题；可适应多种组网方式和数据传输方式，对现有数据传输网络的兼容性好，可降低现有数据传输网络的改造费用；无线温度传感器的输出是数字信号，通过串行总线直接与CPU接口，相对于热电偶、热电阻等模拟量输出的传感器，无需校验，无需修正，因此稳度性极高。

本实用新型可广泛用于电力系统设备状态监测领域。

Claims (5)

1.一种电缆终端在线检测系统，包括位于现场测温点的温度传感器和位于集中监控中心的温度检测数据汇总、存储、集中显示装置，其特征是： 

在现场测温点设置至少一个无线温度传感器，所述的无线温度传感器中设有ZigBee无线发射模块； 

设置至少一个无线通信网关，所述的无线通信网关中设有ZigBee无线接收模块； 

无线温度传感器中的ZigBee无线发射模块与无线通信网关中的ZigBee无线接收模块构成一个ZigBee短距离无线通信网； 

在所述的集中监控中心设置一个中央服务器； 

在所述的无线通信网关与集中监控中心的中央服务器之间，设置一个EPON网；所述的EPON网由用户侧光网络单元ONU、局侧光线路终端OLT和连接两者的光纤组成；所述的用户侧光网络单元ONU以串口方式或以太网模式与无线通信网关连接，所述的局侧光线路终端OLT以串口方式或以太网模式与集中监控中心的中央服务器连接。 

2.按照权利要求1所述的电缆终端在线检测系统，其特征是所述的无线温度传感器固定在电缆接头或电缆终端的表面。 

3.按照权利要求1所述的电缆终端在线检测系统，其特征是所述的无线温度传感器包括温度传感器、低功耗单片机、无线发射模块和随机电源，所述的随机电源包括并接的锂电池和储能电容；其中，所述温度传感器的测温探头设置在无线温度传感器的底面上，所述的低功耗单片机通过串行总线与温度传感器的信号输出端连接；所述的无线发射模块为Zigbee无线通信模块；所述的低功耗单片机经串行总线与Zigbee无线通信模块连接；所述的低功耗单片机与锂电池和储能电容连接，并通过I/O端口为温度传感器提供电源，同时经电子开关电路，来控制Zigbee无线通信模块电源的通/断。 

4.按照权利要求1所述的电缆终端在线检测系统，其特征是所述的ZigBee短距离无线通信网为2.4GHz Zigbee无线通信网络。 

5.按照权利要求1所述的电缆终端在线检测系统，其特征是所述的ZigBee短距离无线通信网设置有多台无线通信网关，各台无线通信网关之间采用RS485总线或网络接口实现相互之间的级联。 

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