摘 要

     針對(duì)小區(qū)內(nèi)密集型母線槽與插接箱相連接的觸點(diǎn)位置容易發(fā)生老化而導(dǎo)致老化部位異常升溫的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種非接觸式密集型母線槽測(cè)溫系統(tǒng)。通過(guò)非接觸式紅外測(cè)溫模塊進(jìn)行母線溫度的采集，再由4G數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，并在客戶(hù)端中的可視化界面進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警、設(shè)備管理等操作。經(jīng)過(guò)實(shí)際使用檢驗(yàn)，該系統(tǒng)能對(duì)整個(gè)小區(qū)內(nèi)各位置的插接箱進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，并能遠(yuǎn)程進(jìn)行監(jiān)控管理，具有實(shí)用性和拓展性。

關(guān)鍵詞 ：密集型母線槽 ；紅外測(cè)溫系統(tǒng) ；實(shí)時(shí)監(jiān)控 ；4G 數(shù)據(jù)傳輸

0 引言

       在密集型母線槽系統(tǒng)中，密集型母線槽通過(guò)母排與插接箱后板上的金屬?gòu)椘M(jìn)行插接而相連，由于安裝環(huán)境狹窄，安裝過(guò)程不易把控，很難保證接觸良好，容易使插接點(diǎn)接觸電阻過(guò)大。再加上長(zhǎng)時(shí)間大電流運(yùn)行以及空氣的氧化等多種因素的影響，插接點(diǎn)母線易發(fā)生老化，使得接觸電阻繼續(xù)變大。該處電流的熱效應(yīng)變大，從而導(dǎo)致母線溫度的升高。母線溫度超過(guò)了一定閾值時(shí)，將會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)備造成危害，甚至發(fā)生火災(zāi)。在某樓盤(pán)的施工、運(yùn)維和廠家現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，47個(gè)插接箱有6個(gè)點(diǎn)的接觸電阻達(dá)到毫歐級(jí)，高的達(dá)到數(shù)十毫歐級(jí)。按照接觸電阻為10 mΩ，通過(guò)電流為250 A來(lái)計(jì)算，接觸點(diǎn)的發(fā)熱功率 P =I 2 R =250 A×250 A×10 mΩ=625W，相當(dāng)于一臺(tái)家用電熱器的功率，可見(jiàn)一旦接觸電阻過(guò)大將導(dǎo)致溫度迅速上升。因此對(duì)母線溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警是十分有必要的。

       插接箱數(shù)量多，且處在一種高壓、大電流的環(huán)境中，采用人工去定期檢查的方法具有工作量巨大、危險(xiǎn)性高以及不全面性，同時(shí)也不具備實(shí)時(shí)性。 目前大多采用溫度傳感器測(cè)量母線溫度以及通過(guò)各種通信設(shè)備將溫度數(shù)據(jù)匯總傳輸?shù)娇蛻?hù)端的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)母線的實(shí)時(shí)測(cè)溫[5]。

1 整體設(shè)計(jì)方案

本文介紹一種非接觸式密集型母線槽測(cè)溫系統(tǒng)，測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

在插接箱中每根母線上方各放置一個(gè)MLX90614紅外測(cè)溫傳感器模塊，每個(gè)測(cè)溫模塊將測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)I2 C總線發(fā)送給MCU，MCU將接收到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送給 4G 數(shù)據(jù)傳輸模塊，4G 數(shù)據(jù)傳輸模塊將收到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到云端服務(wù)器，每個(gè)插接箱中放置這樣一個(gè)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)和發(fā)送數(shù)據(jù)的部分系統(tǒng)，若干個(gè)這樣的部分系統(tǒng)連接在云端服務(wù)器上就組成以云端服務(wù)器為中心節(jié)點(diǎn)、插接箱內(nèi)部分系統(tǒng)為子節(jié)點(diǎn)的星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。云端服務(wù)器負(fù)責(zé)將接收到的所有溫度信息展現(xiàn)在客戶(hù)端，在客戶(hù)端進(jìn)行母線溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警，形成了插接箱溫度的采集、傳輸、可視化監(jiān)控的測(cè)溫系統(tǒng)。從插接箱火線與零線之間取電作為輸入電壓，由電源模塊降壓處理得到穩(wěn)定的輸出電壓為整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行供電。

2 硬件設(shè)計(jì)電路

     在每個(gè)插接箱中都存在一個(gè)終端測(cè)溫傳輸硬件系統(tǒng)，采用STM32F103x8作為主控芯片設(shè)計(jì)外圍電路。STM32F103x8內(nèi)核為32位高性能 ARM Cortex-M3處理器，時(shí)鐘頻率高達(dá)72 MHz，能夠以足夠高的頻率對(duì)各溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。其還具有2個(gè)I2 C接口、5 個(gè)串口和S P I接口，有足夠的對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行相互通信的接口。STM32F103x8讀取各個(gè)測(cè)溫模塊的溫度值，進(jìn)行比較處理，將處理好的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給4G數(shù)據(jù)傳輸模塊。

2.1 終端測(cè)溫傳輸硬件設(shè)計(jì)

     終端測(cè)溫傳輸硬件設(shè)計(jì)電路主要由降壓供電電路、紅外測(cè)溫部分電路、串口發(fā)送電路、時(shí)間電路、濾波和指示電路組成。

2.1.1 降壓供電電路

     降壓供電電路如圖 2 所示。從插接箱母線的火線和零線引出電壓連接到P2端子，串入保險(xiǎn)絲保護(hù)電路，高電壓通過(guò)鐵芯變壓器( T1)和A P12N12芯片進(jìn)行降壓，再經(jīng)過(guò)電容C 10、C 11 進(jìn)行濾波，得到穩(wěn)定的 12 V 電壓為4G數(shù)據(jù)傳輸模塊提供工作電壓，12V電壓再經(jīng)過(guò) A S M1117 芯片降壓以及 C 2、C 9 進(jìn)行濾波，得到系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行所需要的 3.3 V 電壓。

2.1.2 紅外測(cè)溫部分電路

文中所選用的測(cè)溫器件是MLX90614紅外測(cè)溫模塊。M L X90614 紅外測(cè)溫模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的I2 C通信協(xié)議，其體積小、成本低，溫度測(cè)量范圍在-70 ～ 380℃之間，溫度測(cè)量誤差在±0.5 ℃(室溫下)，此系統(tǒng)非接觸式測(cè)溫的要求。每個(gè)插接箱內(nèi)的 4 個(gè)測(cè)溫模塊連接圖如圖3所示。

每個(gè)MLX90614紅外測(cè)溫模塊都通過(guò)SCL和SDA并聯(lián)在I2 C 總線上，其供電接口VSS 和 VDD并聯(lián)在電源線上，在每個(gè)模塊的VSS和VDD之間都接入了一個(gè)100nF的電容進(jìn)行濾波，使模塊能夠穩(wěn)定的工作。將P12端子的1、2 引腳分別連接到3.3 V和GND，將 3、4 引腳分別連接到 STM32F103x8芯片的SCL和SDA引腳，STM32F103x8通過(guò) I2 C協(xié)議向4個(gè)不同 I2 C 地址的MLX90614 紅外測(cè)溫模塊進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的讀取。

2.1.3 串口發(fā)送電路

由于插接箱處在高電壓、大電流的環(huán)境中，STM32F103x8與4G數(shù)據(jù)傳輸模塊的信號(hào)傳輸容易受到電磁干擾。為實(shí)現(xiàn)STM32F103x8的TTL電平與4G數(shù)據(jù)傳輸模塊的RS -485 接口信號(hào)之間的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換，選用MAX3485芯片設(shè)計(jì)串口發(fā)送電路。 MAX3485是用于RS-485通信的3.3V低功耗收發(fā)器，每個(gè)器件中都具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器，驅(qū)動(dòng)器具有短路電流限制，并可以通過(guò)熱關(guān)斷電路將驅(qū)動(dòng)器輸出置為高阻狀態(tài)，防止過(guò)度的功率損耗。接收器輸入具有失效保護(hù)特性，當(dāng)輸入開(kāi)路時(shí)，可以確保邏輯高電平輸出。S T M32F103x8 通過(guò) M A X3485與4G數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，端子P3的 1、2、3 接口分別與 4G 數(shù)據(jù)傳輸模塊的 A、B、 G N D 相連接，4、5 接口與4G數(shù)據(jù)傳輸模塊的電源接口相連接。串口發(fā)送電路如圖4所示。

2.1.4 時(shí)間電路

為了給系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的時(shí)間進(jìn)行間隔 5 m i n 發(fā)送一次數(shù)據(jù)到客戶(hù)端，采用 D S1302 芯片設(shè)計(jì)時(shí)間電路，DS1302是一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，可以提供秒、分、小時(shí)、日、月、年等信息，并且還有軟件自動(dòng)調(diào)整的能力。其采用SPI通信為STM32F103x8提供準(zhǔn)確的時(shí)間信息，時(shí)間電路圖如圖5所示。

2.1.5 濾波和指示電路

在3.3V 和GND之間并聯(lián)6個(gè)100nF電容C 3 ～ C 8 進(jìn)行濾波平滑電壓。指示燈U6為電壓正常測(cè)試指示燈，指示燈U5為測(cè)試程序指示燈，為后期檢修、調(diào)試提供方便。濾波和指示電路原理圖如圖6所示。

2.2 USR-DR504(4G數(shù)據(jù)傳輸模塊)

由于各插接箱相距較遠(yuǎn)，所在的樓層位置不同，造成了通信傳輸困難的問(wèn)題。為了解決通信問(wèn)題，采用了4G-DTU( 數(shù)據(jù)傳輸模塊 )，在有4G網(wǎng)的地方都能實(shí)現(xiàn)通信功能，不受地理位置和環(huán)境的限制。 USR-DR504 是一款導(dǎo)軌式4G-DTU，支持移動(dòng)、聯(lián)通、電信4G網(wǎng)絡(luò)，以“透?jìng)?作為功能核心，具有高度易用性，可實(shí)現(xiàn)STM32F103x8串口到網(wǎng)絡(luò)云端服務(wù)器的雙向數(shù)據(jù)透明傳輸，具有高速率、低延時(shí)的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)中選擇其網(wǎng)絡(luò)透?jìng)髂Ｊ?(NET)，在此模式下，STM32F103x8可以通過(guò)串口連接USR-DR504發(fā)送溫度數(shù)據(jù)到的HTTP服務(wù)器，其數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 溫度采集、處理、發(fā)送軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)溫度采集、處理、發(fā)送軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。在系統(tǒng)上電后開(kāi)始工作，然后對(duì)I2C通信、 實(shí)時(shí)時(shí)間、GPIO口等進(jìn)行初始化，再通過(guò)I2C通信讀取各測(cè)溫模塊的溫度數(shù)據(jù)，一次讀取10組數(shù)據(jù)，將10組數(shù)據(jù)采用濾波算法處理，避免出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)導(dǎo)致系統(tǒng)誤判，將濾波后的溫度數(shù)據(jù)與設(shè)置的溫度閾值進(jìn)行比較。若溫度值高于設(shè)定的閾值，則立即向 4G 數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送預(yù)警信號(hào)以及對(duì)應(yīng)測(cè)溫模塊的溫度數(shù)據(jù)，若溫度值低于設(shè)定的閾值，則判斷距離上次 4G 數(shù)據(jù)傳輸模塊正常發(fā)送溫度的時(shí)間是否已經(jīng)到達(dá)5min，若已到達(dá)則向4G數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送各個(gè)模塊測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)，若未到達(dá)，則重新回到溫度數(shù)據(jù)讀取步驟。

3.2 客戶(hù)端軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)可視化的溫度監(jiān)測(cè)管理遠(yuǎn)程客戶(hù)端，其對(duì)4G數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送到服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)管理，主要功能包括數(shù)據(jù)大屏可視化、配置管理、日志記錄三大部分。數(shù)據(jù)大屏可視化的界面將各樓層位置和溫度數(shù)據(jù)可視化顯示，方便查看。 配置管理包括通信終端管理、監(jiān)測(cè)設(shè)備管理、溫度探頭管理、位置管理，方便在客戶(hù)端上對(duì)各插接箱內(nèi)溫度探頭和設(shè)備進(jìn)行管理。日志記錄是指溫度監(jiān)控記錄以及管理者的操作記錄。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

讓系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，在客戶(hù)端中查看一個(gè)插接箱在一天內(nèi)各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的每個(gè)測(cè)溫模塊的溫度數(shù)據(jù)。收集到的數(shù)據(jù)繪制成溫度變化趨勢(shì)圖如圖9所示，在一天時(shí)間里均勻地取80個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為參考。由圖 9 可以看出，整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)插接箱內(nèi)各母線的溫度。每一個(gè)探頭所測(cè)得的溫度大致都在2℃的范圍內(nèi)波動(dòng)，這是因?yàn)闇y(cè)溫探頭所處在的插接箱中的環(huán)境類(lèi)似于恒溫狀態(tài)，受外界溫度影響較小，這也為測(cè)溫系統(tǒng)提供了一個(gè)良好的測(cè)量環(huán)境，提高了溫度監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

5.4系統(tǒng)功能

測(cè)溫系統(tǒng)主機(jī)Acrel-2000T安裝于值班監(jiān)控室，可以遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)所有開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行溫度狀態(tài)。系統(tǒng)具有以下主要功能：

1）溫度顯示：顯示配電系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)時(shí)值，也可實(shí)現(xiàn)電腦WEB/手機(jī)APP遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)。

2）溫度曲線：查看每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度趨勢(shì)曲線。

3）運(yùn)行報(bào)表：查詢(xún)及打印各測(cè)溫點(diǎn)時(shí)間的溫度數(shù)據(jù)。

4）實(shí)時(shí)告警：系統(tǒng)能夠?qū)Ω鳒y(cè)溫點(diǎn)異常溫度發(fā)出告警。系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)語(yǔ)音報(bào)警功能，能夠?qū)λ惺录l(fā)出語(yǔ)音告警，告警方式有彈窗、語(yǔ)音告警等，還可以短信/APP推送告警消息，及時(shí)提醒值班人員。

5）歷史事件查詢(xún)：能夠溫度越限等事件記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統(tǒng)計(jì)、事故分析等。

5.5系統(tǒng)硬件配置

溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由設(shè)備層的溫度傳感器和溫度采集/顯示單元，通訊層的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)以及站控層的測(cè)溫系統(tǒng)主機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)變配電系統(tǒng)關(guān)鍵電氣部位的溫度在線監(jiān)測(cè)。

6安科瑞AMB300系列母線槽紅外測(cè)溫解決方案

安科瑞AMB300系列母線槽紅外測(cè)溫解決方案，這是一款非接觸式紅外測(cè)溫裝置，能夠解決母線槽溫升過(guò)高的問(wèn)題，實(shí)時(shí)把連接器中每相溫度數(shù)據(jù)上傳后臺(tái)，提示管理人員應(yīng)對(duì)報(bào)警點(diǎn)予以重視或采取必要的預(yù)防措施

此母線槽紅外測(cè)溫解決方案由人機(jī)HMI觸摸屏，紅外測(cè)溫模塊，紅外采集器，電源模塊組成。該系統(tǒng)通過(guò)RS485線與本地觸摸屏和后臺(tái)監(jiān)控進(jìn)行通信（如下圖），系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循際標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU傳輸規(guī)約，安全性、可靠性和開(kāi)放性都得到了很大地提高。RS-485作為一種串行通信的接口具有傳輸距離長(zhǎng)、速度較高、電平兼容性好、使用靈活方便、成本低廉和可靠度高等特點(diǎn)，與無(wú)線通信方式相比，具有價(jià)格低、抗共模干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

AMB300紅外測(cè)溫組網(wǎng)示意圖

AMB300紅外測(cè)溫系統(tǒng)拓?fù)鋱D

AMB300紅外測(cè)溫原理示意圖

7 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套非接觸式密集型母線槽測(cè)溫系統(tǒng)，其用于對(duì)小區(qū)內(nèi)與密集型母線槽插接箱內(nèi)的各母線的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警，并在遠(yuǎn)程客戶(hù)端界面上實(shí)時(shí)管理以及監(jiān)控。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包含了硬件電路設(shè)計(jì)和客戶(hù)端軟件設(shè)計(jì)。使用非接觸的測(cè)溫模塊，提高了測(cè)溫系統(tǒng)的安全性、準(zhǔn)確性，同時(shí)也不會(huì)影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行。采用 4G 數(shù)據(jù)傳輸模塊將溫度數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，解決了安裝在不同位置的插接箱溫度數(shù)據(jù)的傳輸問(wèn)題，避免去重新布線傳輸數(shù)據(jù)，并且沒(méi)有距離限制，便于隨時(shí)添加、更改設(shè)備。另外由于所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比較簡(jiǎn)單，所以產(chǎn)生的流量費(fèi)用在可接受范圍內(nèi)。在客戶(hù)端上開(kāi)發(fā)的可視化軟件能夠快捷地查詢(xún)到所有的溫度數(shù)據(jù)，并且具有報(bào)警提示功能，能夠及時(shí)對(duì)溫度異常情況進(jìn)行處理。目前該系統(tǒng)已經(jīng)投入小區(qū)實(shí)際使用，從客戶(hù)端顯示的數(shù)據(jù)來(lái)看，各母線溫度變化趨勢(shì)十分平穩(wěn)。實(shí)踐表明此系統(tǒng)是實(shí)用、可行的，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)的功能，并且還具有很大的可拓展性。

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