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淺談非接觸式母線槽測溫系統(tǒng)的應(yīng)用及產(chǎn)品選型

更新時間：2023-03-14

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摘要

針對小區(qū)內(nèi)密集型母線槽與插接箱相連接的觸點位置容易發(fā)生老化而導(dǎo)致老化部位異常升溫的問題，設(shè)計了一種非接觸式密集型母線槽測溫系統(tǒng)。通過非接觸式紅外測溫模塊進(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，并在客戶端中的可視化界面進(jìn)行溫度監(jiān)測預(yù)警、設(shè)備管理等操作。經(jīng)過實際使用檢驗，該系統(tǒng)能對整個小區(qū)內(nèi)各位置的插接箱進(jìn)行溫度監(jiān)測，并能遠(yuǎn)程進(jìn)行監(jiān)控管理，具有實用性和拓展性。

關(guān)鍵詞 ：密集型母線槽；紅外測溫系統(tǒng) ；實時監(jiān)控；4G 數(shù)據(jù)傳輸

0 引言

在密集型母線槽系統(tǒng)中，密集型母線槽通過母排與插接箱后板上的金屬彈片進(jìn)行插接而相連，由于安裝環(huán)境狹窄，安裝過程不易把控，很難保證接觸良好，容易使插接點接觸電阻過大。再加上長時間大電流運行以及空氣的氧化等多種因素的影響，插接點母線易發(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。母線溫度超過了一定閾值時，將會對電力系統(tǒng)設(shè)備造成危害，甚至發(fā)生火災(zāi)。在某樓盤的施工、運維和廠家現(xiàn)場測試中，47個插接箱有6個點的接觸電阻達(dá)到毫歐級，高的達(dá)到數(shù)十毫歐級。按照接觸電阻為10 mΩ，通過電流為250 A來計算，接觸點的發(fā)熱功率 P =I 2 R =250 A×250 A×10 mΩ=625W，相當(dāng)于一臺家用電熱器的功率，可見一旦接觸電阻過大將導(dǎo)致溫度迅速上升。因此對母線溫度的實時監(jiān)測預(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、危險性高以及不全面性，同時也不具備實時性。目前大多采用溫度傳感器測量母線溫度以及通過各種通信設(shè)備將溫度數(shù)據(jù)匯總傳輸?shù)娇蛻舳说姆桨竵韺崿F(xiàn)對母線的實時測溫[5]。

1 整體設(shè)計方案

本文介紹一種非接觸式密集型母線槽測溫系統(tǒng)，測溫系統(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MLX90614紅外測溫傳感器模塊，每個測溫模塊將測得的溫度數(shù)據(jù)通過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，每個插接箱中放置這樣一個負(fù)責(zé)監(jiān)測和發(fā)送數(shù)據(jù)的部分系統(tǒng)，若干個這樣的部分系統(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、插接箱內(nèi)部分系統(tǒng)為子節(jié)點的星形網(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)在客戶端，在客戶端進(jìn)行母線溫度的實時監(jiān)測及預(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系統(tǒng)各個模塊進(jìn)行供電。

2 硬件設(shè)計電路

在每個插接箱中都存在一個終端測溫傳輸硬件系統(tǒng)，采用STM32F103x8作為主控芯片設(shè)計外圍電路。STM32F103x8內(nèi)核為32位高性能 ARM Cortex-M3處理器，時鐘頻率高達(dá)72 MHz，能夠以足夠高的頻率對各溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。其還具有2個I2 C接口、5 個串口和S P I接口，有足夠的對外部設(shè)備進(jìn)行相互通信的接口。STM32F103x8讀取各個測溫模塊的溫度值，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 終端測溫傳輸硬件設(shè)計

終端測溫傳輸硬件設(shè)計電路主要由降壓供電電路、紅外測溫部分電路、串口發(fā)送電路、時間電路、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，串入保險絲保護(hù)電路，高電壓通過鐵芯變壓器( T1)和A P12N12芯片進(jìn)行降壓，再經(jīng)過電容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 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)定運行所需要的 3.3 V 電壓。

2.1.2 紅外測溫部分電路

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

每個MLX90614紅外測溫模塊都通過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，在每個模塊的VSS和VDD之間都接入了一個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 I2 C協(xié)議向4個不同 I2 C 地址的MLX90614 紅外測溫模塊進(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)傳輸模塊的信號傳輸容易受到電磁干擾。為實現(xiàn)STM32F103x8的TTL電平與4G數(shù)據(jù)傳輸模塊的RS -485 接口信號之間的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換，選用MAX3485芯片設(shè)計串口發(fā)送電路。 MAX3485是用于RS-485通信的3.3V低功耗收發(fā)器，每個器件中都具有一個驅(qū)動器和一個接收器，驅(qū)動器具有短路電流限制，并可以通過熱關(guān)斷電路將驅(qū)動器輸出置為高阻狀態(tài)，防止過度的功率損耗。接收器輸入具有失效保護(hù)特性，當(dāng)輸入開路時，可以確保邏輯高電平輸出。S T M32F103x8 通過 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 時間電路

為了給系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的時間進(jìn)行間隔 5 m i n 發(fā)送一次數(shù)據(jù)到客戶端，采用 D S1302 芯片設(shè)計時間電路，DS1302是一個實時時鐘芯片，可以提供秒、分、小時、日、月、年等信息，并且還有軟件自動調(diào)整的能力。其采用SPI通信為STM32F103x8提供準(zhǔn)確的時間信息，時間電路圖如圖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為電壓正常測試指示燈，指示燈U5為測試程序指示燈，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題。為了解決通信問題，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、聯(lián)通、電信4G網(wǎng)絡(luò)，以“透傳"作為功能核心，具有高度易用性，可實現(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、低延時的特點。設(shè)計中選擇其網(wǎng)絡(luò)透傳模式 (NET)，在此模式下，STM32F103x8可以通過串口連接USR-DR504發(fā)送溫度數(shù)據(jù)到對應(yīng)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

3.1 溫度采集、處理、發(fā)送軟件設(shè)計

系統(tǒng)溫度采集、處理、發(fā)送軟件設(shè)計流程圖如圖8所示。在系統(tǒng)上電后開始工作，然后對I2C通信、實時時間、GPIO口等進(jìn)行初始化，再通過I2C通信讀取各測溫模塊的溫度數(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)警信號以及對應(yīng)測溫模塊的溫度數(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)送各個模塊測得的溫度數(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 客戶端軟件設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計了一個可視化的溫度監(jiān)測管理遠(yuǎn)程客戶端，其對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)測設(shè)備管理、溫度探頭管理、位置管理，方便在客戶端上對各插接箱內(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)測試與分析

讓系統(tǒng)開始運行，在客戶端中查看一個插接箱在一天內(nèi)各個時間點的每個測溫模塊的溫度數(shù)據(jù)。收集到的數(shù)據(jù)繪制成溫度變化趨勢圖如圖9所示，在一天時間里均勻地取80個時間點的數(shù)據(jù)作為參考。由圖 9 可以看出，整個系統(tǒng)正常運行，能夠?qū)崟r監(jiān)測插接箱內(nèi)各母線的溫度。每一個探頭所測得的溫度大致都在2℃的范圍內(nèi)波動，這是因為測溫探頭所處在的插接箱中的環(huán)境類似于恒溫狀態(tài)，受外界溫度影響較小，這也為測溫系統(tǒng)提供了一個良好的測量環(huán)境，提高了溫度監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

5 安科瑞溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)解決方案

5.1 概述

電氣接點在線測溫裝置適用于高低壓開關(guān)柜內(nèi)電纜接頭、斷路器觸頭、刀閘開關(guān)、高壓電纜中間頭、干式變壓器、低壓大電流等設(shè)備的溫度監(jiān)測，防止在運行過程中因氧化、松動、灰塵等因素造成接點接觸電阻過大而發(fā)熱成為安全隱患，提高設(shè)備安全保障，及時、持續(xù)、準(zhǔn)確反映設(shè)備運行狀態(tài)，降低設(shè)備事故率。Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)通過RS485總線或以太網(wǎng)與間隔層的設(shè)備直接進(jìn)行通訊，系統(tǒng)設(shè)計遵循國際標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU、Modbus-TCP等傳輸規(guī)約，安全性、可靠性和開放性都得到了較大地提高。該系統(tǒng)具有遙信、遙測、遙控、遙調(diào)、遙設(shè)、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能，可以監(jiān)控?zé)o線測溫系統(tǒng)的設(shè)備運行狀況，實現(xiàn)快速報警響應(yīng)，預(yù)防嚴(yán)重故障發(fā)生。

5.2 應(yīng)用場所

適合在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)、鋼廠、化工、水泥、數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院、機場、電廠、煤礦等廠礦企業(yè)、變配電所等電力設(shè)備的溫度監(jiān)測。

5.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.4 系統(tǒng)功能

測溫系統(tǒng)主機Acrel-2000T安裝于值班監(jiān)控室，可以遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)所有開關(guān)設(shè)備運行溫度狀態(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)每個測溫點的實時值，也可實現(xiàn)電腦WEB/手機APP遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)。

2）溫度曲線：查看每個測溫點的溫度趨勢曲線。

3）運行報表：查詢及打印各測溫點對應(yīng)時間的溫度數(shù)據(jù)。

4）實時告警：系統(tǒng)能夠?qū)Ω鳒y溫點異常溫度發(fā)出告警。系統(tǒng)具有實時語音報警功能，能夠?qū)λ惺录l(fā)出語音告警，告警方式有彈窗、語音告警等，還可以短信/APP推送告警消息，及時提醒值班人員。

5）歷史事件查詢：能夠溫度越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析等。

5.5 系統(tǒng)硬件配置

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

6 安科瑞AMB300系列母線槽紅外測溫解決方案

安科瑞AMB300系列母線槽紅外測溫解決方案，這是一款非接觸式紅外測溫裝置，能夠解決母線槽溫升過高的問題，實時把連接器中每相溫度數(shù)據(jù)上傳后臺，提示管理人員應(yīng)對報警點予以重視或采取必要的預(yù)防措施。

此母線槽紅外測溫解決方案由人機HMI觸摸屏，紅外測溫模塊，紅外采集器，電源模塊組成。該系統(tǒng)通過RS485線與本地觸摸屏和后臺監(jiān)控進(jìn)行通信（如下圖），系統(tǒng)設(shè)計遵循際標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU傳輸規(guī)約，安全性、可靠性和開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、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，與無線通信方式相比，具有價格低、抗共模力強等優(yōu)點。

7 結(jié)語

本文設(shè)計了一套非接觸式密集型母線槽測溫系統(tǒng)，其用于對小區(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)測和預(yù)警，并在遠(yuǎn)程客戶端界面上實時管理以及監(jiān)控。系統(tǒng)的設(shè)計包含了硬件電路設(shè)計和客戶端軟件設(shè)計。使用非接觸的測溫模塊，提高了測溫系統(tǒng)的安全性、準(zhǔn)確性，同時也不會影響電力系統(tǒng)的運行。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)的傳輸問題，避免去重新布線傳輸數(shù)據(jù)，并且沒有距離限制，便于隨時添加、更改設(shè)備。另外由于所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比較簡單，所以產(chǎn)生的流量費用在可接受范圍內(nèi)。在客戶端上開發(fā)的可視化軟件能夠快捷地查詢到所有的溫度數(shù)據(jù)，并且具有報警提示功能，能夠及時對溫度異常情況進(jìn)行處理。目前該系統(tǒng)已經(jīng)投入小區(qū)實際使用，從客戶端顯示的數(shù)據(jù)來看，各母線溫度變化趨勢十分平穩(wěn)。實踐表明此系統(tǒng)是實用、可行的，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計的功能，并且還具有很大的可拓展性。

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【4】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022年05版.

作者簡介

吳柯霓，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事配電監(jiān)測的研究與應(yīng)用。