浅谈无线测温系统高压开关柜的研究应用

赵丹

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：叙述了一种以2. 4 G射频技术实现单个温度节点的温度数据传输，以485总线实现单个终端的温度数据传输，以以太网技术实现所有终端与上位机进行数据传输的高压开关柜无线测温系统。该系统是一套完整的温度采集与监控系统，其中包括无线温度采集节点，无线温度接收终端，中间件，温度集中采集器或上位机监控软件。

关键词：MCU；2. 4 G；485总线；以太网

0 引言

高压开关柜是电力系统中一种重要的电气设备，在对安全性要求极高的电力系统中需要严格监控高压开关柜的工作状态，其中对高压开关柜内触头的温度监控就是一项极为重要的工作。高压开关柜内的触头作为母线与断路器的交接点，本身接触电阻比较大，在大电压、大电流工况下容易老化而发热，对柜内的部件造成损伤，缩短开关柜的使用寿命，严重时会造成器件击穿，造成火灾等严重事故。本文结合电力系统的实际需求，提出了一种适用于电力系统的物联网无线测温集中采集的方案。

1 无线测温集中采集系统原理

电力系统物联网无线测温系统原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图

1.1测温节点

测温节点包括温度传感器、处理单元、通信单元和电源部分。处理单元采集温度传感器的温度，再通过通信单元将温度数据发送出去。由于测温节点必须具备体积小、功耗低、易于安装、使用环境多的特点，所以其电源部分使用电池供电。

1.2终端采集器

1台终端采集器负责采集多路测温节点，测温节点的发送频点必须与相应的终端采集器的接收频点保持一致。不同的终端采集器使用不同的频点来区别，以免发生频率碰撞。

1.3中间件

该系统的中间件实现 485 总线转以太网的功能。对于小型的测温网络，比如只有几套终端采集器，中间件可以使用简单的单路485转以太网接口转化器+工业路由器实现；如果是大型的测温网络，上位机监控软件需要比较多的终端采集器，中间件则可以使用通信管理机。

1.4上位机监控

上位机通过以太网与中间件连接，使用 MODBUS-RTU协议与终端采集器进行数据交换，在上位机上运行监控软件实现所有温度节点的实时温度显示，同时实现温度上、下限的设置，报警，事件记录，终端采集器的配置，温度数据的月统计报表及相关报表显示等等。

2 测温节点模块设计

测温节点模块原理框图如图2所示。处理单元采用NEC单片机，因为NEC单片机具有优良的低功耗特性；通信单元采用2. 4 G频段的NRF24L01芯 片，该芯片支持点对点、点对多点的数据通信，在同一个频段下运行，1个接收对6个发送，同时在通信协议中人为添加节点的ID，可以扩展更多的多点通信；电源部分采用 3. 6 V 工业级电池供电，容量为1200 mA/h。

图2 测温节点模块原理

NEC单片机通过自带的AD对温度传感器进行AD采集，经计算转换成为温度值后送入射频芯片后再发送出去。为了满足超低功耗的需求，单片机每隔1 min进行一次温度采集和发送，其他时间处于休眠状态。在温度采集和发送过程中，单片机先采集温度，然后唤醒射频芯片，将温度值送入该芯片后发送，然后再向其发送休眠命令，使得其进入休眠状态，zui后单片机自身进入休眠状态。2 min后由内部定时器唤醒单片机，进行下一次的温度采集和发送。

3 终端采集器

终端采集器原理框图如图3所示。单片机将射频芯片接收的温度节点发送过来的温度显示到液晶屏幕上，同时将温度数据存储到 EEPROM 芯片内。单片机的串口经过485转换模块转换成485总线的数据，经过中间件与上位机进行基于MODBUS协议的数据通信。终端采集器中，直接由 220 V 交流电转双5 V电源模块提供两个5 V电源，分别提供给单片机系统和485转换模块。终端采集器还具有键盘、液晶显示、万年历配置与显示，以及EEPROM数据存储等功能。

图3 终端采集器原理

4 中间件

中间件的作用是将所有终端采集器的485总线连接到以太网内，实现上位机监控软件与终端采集器的无缝联接。中间件的原理框图如图4所示。

图4 中间件原理

5 上位机监控软件

上位机监控软件等效于整个无线测温监控系统的温度集中采集器，安装在电力监控室内，监控人员在上位机上通过监控软件完成对所有温度节点的实时温度监控，同时实现温度过高报警，温度实时图表显示，报警历史事件查询，下位机故障检测等

功能。

6 高压开关柜无线测温小型组网系统

图5为使用串口服务器作为中间件，由6套下位机无线温度采集终端组成的高压开关柜无线测温小型组网系统。

图5 无线测温小型组网系统

7 安科瑞无线测温系统介绍与选型

安科瑞无线测温监控系统是根据当前无线测温系统的要求，在广泛征求用户和专家意见的基础上,充分吸收当前国内外厂家的成功案例，并结合安科瑞多年来的丰富经验，采用面向对象的分层分布式设计思想，结合自动化技术、计算机技术、网络技术、通信技术而设计的一款专业的无线测温软件。

7.1 Acrel-2000T无线测温系统结构

Acrel-2000T无线测温监控系统通过RS485总线或以太网与间隔层的设备直接进行通信（如图6），系统设计遵循国际标准Modbus-RTU, Modbus TCP等传输规约，安全性、可靠性和开放性都得到了很大地提高。

Acrel-2000T无线测温监控系统具有遥信、遥测、遥控、遥调、遥设、事件报警、曲线、棒图、报表和用户管理功能。可以监控无线测温系统的设备运行状况，实现快速报警响应，预防严重故障发生。

Acrel-2000T无线测温监控系统主要特点是开放式系统结构，硬件兼容性强，软件移植性好，应用功能丰富。该系统具有强大的处理能力，快速的事件响应，友好的人机界面，方便的扩充手段。其软件系统的设计依据软件工程的设计规范,模块划分合理，接口简捷明了，主要包括主控模块、人机界面、图形组态、数据库管理系统、通信管理等几大模块。

图6 Acrel-2000T无线测温系统结构图

7.2 Acrel-2000T无线测温系统功能

■实时监测

Acrel-2000T无线测温监控软件人机界面友好，能够以配电一次图的形式直观显示各测温节点的温度数据及有关故障、gao警等信息

■温度查询

温度历史曲线（1分钟、5分钟、60分钟可选）

■运行报表

查询各回路设备运行溫度报表.

■实时报警

壁挂式无线测温监控设备具有实时报警功能，设备能够对温度越限等事件发出告警。

■设备提供以下凡种告jing方式：

a.弹岀事件报驚窗口.

b.实时语音报警功能，能够对所有事件发出语音告警.

C.短信吿警，可以向指定人发送吿警信息短信

■历史告警査询

Acrel-2000T无线测温监控系统能够对所有吿警事件记录进行存储和管理，方便用户对系统和告警等事件进行历史追溯，查询统计、事故分析。

■用户权限管理

Acrel-2000T无线测温监控系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。

通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如数据库修改等）。可以定义不同级别用户的 登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

■定值设置

用于修改高温定值、超温定值。

■WEB（可选）

展示页面显示变电站数量、变压器数量、监测点位数量等概况信息， 设备温度、通信状态，用电分析和事件记录。首页显示场站的变压器数量、回路个数、有功功率、无功功率、用电量、事件记录等概况信息，可通过实时监控、变压器、通信模块切换到需要查看的界面。

实时数据曲线可监测各个回路的测点温度、电压、电流、功率曲线信息。

接线图页面通过一次图实时反映电气参数变化，包括测量量、信号量等信息（信号量 需要断路器提供辅助触点支持）。

能耗统计页面显示各回路的功率峰值和用电量峰值，功率、电能趋势曲线，电能环比，用电排名。

运维管理\通信状态显示监测接入系统设备的通信状态。

■APP（可选）

设备数据员面显示各设备的电參量数据、温度数据以及曲线。

7.3 安科瑞ARTM系列无线测温终端产品选型

安科瑞电气接点无线测温方案由无线温度传感器、收发器、显示单元组成。温度传感器直接安装于断路器动触头、静触头、电缆接头、母排等发热接点，将测温数据通过无线射频技术传至接收装置，再由接收器485通讯至测温终端或无线测温系统（如图7）。

图7 电气接点在线测温结构图

7.3.1 安科瑞无线温度传感器

无线温度传感器共有5种，分别对应螺栓固定、表带固定、扎带捆绑、合金片固定等安装方式。针对不同的变电站要求，可根据传感器供电方式以及安装位置的不同，考虑安装方便的因素，选择相匹配的传感器。

7.3.2 安科瑞无线收发器

无线测温收发器共有3种，通过无线射频方式接收温度数据。收发器根据不同的传感器型号进行匹配，同时传感器的传输距离决定接收装置能否多柜接收。

7.3.3 安科瑞显示终端

显示装置通过RS485连接收发器，可嵌入式安装于柜体上，若柜体开孔不便，也可选择壁挂式安装于配电室内。方便操作人员现场及时查看电气节点实时温度的同时，也可以通过RS485或以太网通讯的方式在后台系统查看现场情况。

【参考文献】

[1] 徐明，阳宪惠.高压开关触头温度无线监测系统[C].全国工业控制计算机年会集.2008.

[2] 张智勇,余景华.高压开关柜无线测温系统的研究与组网.

[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版.

作者简介：赵丹，女，安科瑞电气股份有限公司，主要从事无线测温系统的研发与应用