基于nRF24LE1的高壓開關(guān)柜動(dòng)靜觸頭無線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智兆華，劉文學(xué)，李文朝，耿曉娟

（1.河北科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.石家莊博發(fā)科技有限公司技術(shù)部，河北石家莊 050054）

基于nRF24LE1的高壓開關(guān)柜動(dòng)靜觸頭無線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智兆華1，劉文學(xué)1，李文朝2，耿曉娟2

（1.河北科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.石家莊博發(fā)科技有限公司技術(shù)部，河北石家莊 050054）

介紹了利用n RF24LE1無線收發(fā)芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓開關(guān)柜觸頭的溫度監(jiān)控，其測(cè)溫終端直接安裝在高壓帶電部分，實(shí)現(xiàn)等電位工作，實(shí)測(cè)溫度通過無線方式傳輸給監(jiān)測(cè)主機(jī)，解決了高壓絕緣問題；整套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由溫度監(jiān)測(cè)終端、監(jiān)測(cè)主機(jī)和系統(tǒng)PC機(jī)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了高壓觸頭溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證了電力高壓開關(guān)的可靠運(yùn)行。

n RF24LE1；高壓開關(guān)柜；溫度監(jiān)測(cè)；低功耗

在配電系統(tǒng)中，開關(guān)柜中觸頭的溫度是開關(guān)連接質(zhì)量的重要指標(biāo)。隨著使用年限的增加，觸頭由于氧化、磨損、變形或接觸松懈等原因會(huì)導(dǎo)致接觸電阻增大，進(jìn)而導(dǎo)致溫度升高，特別是在高溫和高負(fù)荷期間。過度發(fā)熱會(huì)影響供電的可靠性，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致觸頭燒熔事故的發(fā)生，因此在配電系統(tǒng)中，對(duì)連接觸頭等關(guān)鍵部位進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，可提前發(fā)現(xiàn)安全隱患，及時(shí)采取相應(yīng)處理措施，提高供電可靠性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

高壓開關(guān)柜有固定式（XGN系列）和移動(dòng)式（KYN系列）2大系列，固定式高壓開關(guān)柜其內(nèi)部的開關(guān)固定在開關(guān)柜內(nèi)部，檢修不方便；移動(dòng)式開關(guān)柜內(nèi)部的開關(guān)可以由手炳絲杠移出柜體，便于檢修，但是增加了一個(gè)連接環(huán)節(jié)（動(dòng)靜觸頭），動(dòng)觸頭與開關(guān)連接，靜觸頭與出線銅排連接，外有護(hù)套保護(hù)，圖1是實(shí)際開關(guān)柜中動(dòng)靜觸頭安裝使用的幾組照片。溫度的監(jiān)測(cè)點(diǎn)是動(dòng)靜觸頭，其外面有一個(gè)環(huán)氧樹脂護(hù)套，空間狹小。

溫度測(cè)量有接觸式和非接觸式2種，對(duì)高壓帶電體進(jìn)行直接接觸測(cè)量會(huì)有一定的電擊危險(xiǎn)［1］。高壓設(shè)備非接觸測(cè)溫一般采用光纖和無線2種方式［2］，光纖測(cè)溫需要將光纖引到被檢測(cè)點(diǎn)，安裝比較繁瑣，同時(shí)，整套設(shè)備價(jià)格也相對(duì)昂貴，根據(jù)開關(guān)柜內(nèi)部的實(shí)際結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)采用接觸測(cè)量、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，測(cè)溫探頭與監(jiān)測(cè)主機(jī)分離，圖2是系統(tǒng)整體框圖。

整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由3部分組成：測(cè)溫終端、監(jiān)測(cè)主機(jī)和監(jiān)測(cè)PC機(jī)。測(cè)溫終端主要由n RF24LE1及溫度傳感器構(gòu)成，它根據(jù)設(shè)定的測(cè)溫頻率進(jìn)行溫度采集，并將數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸給監(jiān)測(cè)主機(jī)，監(jiān)測(cè)主機(jī)就地顯示溫度且通過RS485總線與PC機(jī)交換信息，將數(shù)據(jù)存檔。

圖1 動(dòng)靜觸頭幾組照片F(xiàn)ig.1 Static and dynamic contact groups of photos

圖2 系統(tǒng)整體框圖Fig.2 Overall system block diagram

2 測(cè)溫終端的硬件設(shè)計(jì)

測(cè)溫終端直接安裝在被檢測(cè)點(diǎn)，要求體積小、功耗低，具有無線傳輸功能，是整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)關(guān)鍵部分，對(duì)測(cè)溫終端而言，終端體積是硬性指標(biāo)，必須能夠安裝在護(hù)套與動(dòng)靜觸頭之間縫隙內(nèi)，供電模式、無線傳輸電路和測(cè)溫電路的復(fù)雜程度都會(huì)影響終端體積的大小［3］。本系統(tǒng)采用Nordic公司生產(chǎn)的n RF24LE1作為主控芯片，外接少量器件便可滿足設(shè)計(jì)要求，圖3是測(cè)溫終端的硬件原理框圖。

2.1 主控及外圍部分

主控部分就是一片nRF24LE1芯片，nRF24LE1是集成了nRF24L01＋2.4 GHz無線收發(fā)器（空中速率為250 kb／s，1 Mb／s和2 Mb／s）和快速微控制器的智能芯片，16 KB程序存儲(chǔ)器（片內(nèi)Flash），1 KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 （片內(nèi)RAM）；1 KB非易失數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，及6—12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，適應(yīng)從微功耗到高效的多種運(yùn)行模式，它是一款嵌入了2.4 GHz高性能無線收發(fā)器的增強(qiáng)型51單片機(jī)，集成多種外圍設(shè)備，采用超低功耗技術(shù)，工作電壓為3.3～5.5 V，體積小，功耗低，休眠狀態(tài)下功耗為3μA，非常適用于無線測(cè)溫應(yīng)用。

2.2 溫度檢測(cè)部分

對(duì)于觸頭的溫度而言，更高精度的溫度測(cè)量意義不大，注重的是小電流、低功耗，±2℃的誤差完全可以起到預(yù)警作用，因此，本設(shè)計(jì)采用的是日本產(chǎn)103AP-2熱敏電阻作為溫度傳感器，采樣范圍為－60～150℃，低端溫度誤差為±0.5℃，高端溫度誤差為±0.7℃，使用主控芯片內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換部件實(shí)現(xiàn)溫度采集功能（圖4）。圖4中P1.3在平時(shí)為低電平，整個(gè)測(cè)溫電路不消耗任何功率，在測(cè)溫時(shí)段P1.3輸出高電平給測(cè)溫電路供電。特別注意的是n RF24LE1內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換器的線性輸入范圍，R4用于保證在溫度采樣范圍內(nèi)AIN10和AIN6的輸入電壓均位于A／D轉(zhuǎn)換器的線性輸入范圍。系統(tǒng)使用AIN10和AIN6的比例關(guān)系計(jì)算熱敏電阻的阻值，避免R4和I／O口導(dǎo)通電阻對(duì)NTC計(jì)算值的影響，然后將電阻值分段線性計(jì)算溫度值。

圖3 終端測(cè)溫原理圖Fig.3 Terminal temperature measurement diagram

2.3 供電電池選擇及電池檢測(cè)部分

根據(jù)設(shè)計(jì)需要，測(cè)溫終端必須能在－20～80℃環(huán)境下工作，現(xiàn)行無線終端設(shè)備的供電方式一般有太陽能電池供電、電流互感器供電、電池供電等［4－5］。太陽能電池體積大，而且一般用于室外太陽充足的地方，不適宜在開關(guān)柜內(nèi)使用；電流互感器供電方式只適用于線路電流達(dá)到一定值時(shí)使用，更小的電流終端將無法工作；得益于現(xiàn)在集成芯片工藝的改進(jìn)，低功耗芯片大面積出現(xiàn)，使電池供電成為可能，電池供電的工作時(shí)間畢竟有限，采用電池供電必須對(duì)整機(jī)功耗要有精確的計(jì)算。

整個(gè)終端模塊的功耗是本次設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一，終端模塊的功耗與無線傳輸?shù)乃俾?、收發(fā)數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度及溫度采樣周期有關(guān)，必須經(jīng)過精確的計(jì)算，其主要功耗在3個(gè)階段：休眠、測(cè)溫和無線發(fā)送。本例設(shè)計(jì)參數(shù)：溫度采樣周期可以設(shè)定在2 s以上；無線數(shù)據(jù)速率250 kb／s；地址為3個(gè)字節(jié)，CRC為1個(gè)字節(jié)，自動(dòng)ACK；發(fā)送數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為5個(gè)字節(jié)；ACK數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為3個(gè)字節(jié)。在此參數(shù)下，其各階段的工作電流、持續(xù)時(shí)間及計(jì)算功耗如下。

1）功耗計(jì)算，見表1。

圖4 溫度采樣局部原理圖Fig.4 Schematic of local temperature sampling

表1 功耗計(jì)算Tab.1 Power consumption calculate

2）電池等效容量計(jì)算

根據(jù)選擇電池放電容量與放電電流關(guān)系曲線獲得的數(shù)據(jù)列于表2。在環(huán)境溫度為72℃時(shí)，按各電流時(shí)的容量及功耗百分比計(jì)算的等效容量為

3）工作時(shí)間計(jì)算

在環(huán)境溫度為72℃，采樣周期為4 s時(shí)的工作時(shí)間為

表2 等效容量計(jì)算Tab.2 Equivalent capccity culculation A·h

不同溫度和采樣周期下的電池等效容量及使用年限見表3。

表3 不同溫度和采樣周期下的電池等效容量及使用年限Tab.3 Calculation of the capacity of lithium batteries

本設(shè)計(jì)采用高容量一次，其基本參數(shù)如下。

1）標(biāo)稱電壓：3.6 V；2）工作溫度：－55～85℃；3）容量：1 600 m A·h，年自放電率小于1%，儲(chǔ)存期為10 a以上；4）安全性能好，電池在存儲(chǔ)、運(yùn)輸、使用過程中不會(huì)爆炸。

電力部門要求工作時(shí)間不小于5 a，通過以上計(jì)算，選用ER14335鋰亞硫酰氯電池作為供電電源完全滿足設(shè)計(jì)要求。為更好地保證電池供電部分可靠安全運(yùn)行，在測(cè)溫終端內(nèi)部，設(shè)計(jì)有電池電壓檢測(cè)部分，n RF24LE1本身含有一路電池監(jiān)測(cè)電路，直接采樣供電電壓，可以把電池電壓與溫度采樣值一起發(fā)送至監(jiān)測(cè)主機(jī)，當(dāng)電池電壓低于設(shè)定值時(shí)，聲光報(bào)警，可提醒維護(hù)人員及時(shí)更換。

3 監(jiān)測(cè)主機(jī)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)主機(jī)具有人機(jī)處理接口，負(fù)責(zé)顯示、處理、統(tǒng)計(jì)測(cè)溫終端上報(bào)數(shù)據(jù)，設(shè)定無線采集參數(shù)，并具有RS485接口，與監(jiān)測(cè)PC機(jī)相連接，見圖5。

4 軟件框架設(shè)計(jì)

nRF24LE1有6路數(shù)據(jù)管道，使它非常適宜構(gòu)建6∶1星型網(wǎng)絡(luò)，而且硬件支持在回復(fù)ACK時(shí)附加數(shù)據(jù)包，使測(cè)溫終端在上報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)可以獲得監(jiān)測(cè)主機(jī)的回復(fù)，該回復(fù)可以為命令、數(shù)據(jù)或狀態(tài)。系統(tǒng)使用該特性構(gòu)建雙向傳輸協(xié)議，大大減少了軟件的協(xié)議開銷。

監(jiān)測(cè)主機(jī)和配對(duì)的6個(gè)終端為1組，使用相同的設(shè)置，如上報(bào)周期、頻道等。系統(tǒng)使用唯一的組地址用于區(qū)別各組，測(cè)溫終端還附加有終端地址用于區(qū)分該組中的各終端。測(cè)溫終端以設(shè)定的時(shí)間間隔上報(bào)溫度數(shù)據(jù)，在連續(xù)8次未收到主機(jī)的回復(fù)時(shí)認(rèn)為測(cè)溫主機(jī)未開啟，會(huì)以更長(zhǎng)的時(shí)間間隔上報(bào)數(shù)據(jù)，以節(jié)省功耗，當(dāng)通信成功時(shí)會(huì)恢復(fù)為設(shè)定的上報(bào)時(shí)間間隔。測(cè)溫主機(jī)根據(jù)設(shè)定的上報(bào)時(shí)間間隔和測(cè)溫終端上報(bào)情況統(tǒng)計(jì)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β始白畲笊蠄?bào)間隔以進(jìn)行無線通信的評(píng)估；當(dāng)測(cè)溫終端連續(xù)兩次通信失敗后會(huì)以某一固定無線頻道上報(bào)數(shù)據(jù)一次，該功能用于頻道設(shè)置，防止測(cè)溫主機(jī)和測(cè)溫終端頻道不一致時(shí)無法設(shè)置。

圖5 監(jiān)測(cè)主機(jī)結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Block diagram of monitoring the host

5 整機(jī)調(diào)試

圖6是檢測(cè)主機(jī)、測(cè)溫終端及實(shí)際安裝位置的實(shí)物圖片。調(diào)試過程分3步：溫度的標(biāo)定、無線數(shù)據(jù)傳輸和上位機(jī)通信。

1）溫度標(biāo)定方法

由于采用高精度熱敏電阻，整個(gè)溫度采集是根據(jù)熱敏電阻的阻值經(jīng)查表換算得出的，對(duì)熱敏電阻的要求很高，本次設(shè)計(jì)應(yīng)用的103AP-2型號(hào)熱敏電阻的穩(wěn)定性、精度都非常好，其對(duì)終端采樣溫度的標(biāo)定就變換為對(duì)采樣阻值的標(biāo)定：根據(jù)熱敏電阻的阻值－溫度對(duì)應(yīng)表，查取高、中、低3種溫度下的電阻值，用3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻代替，檢測(cè)終端模塊的采樣精度。

2）無線傳輸及上位機(jī)通信

無線傳輸主要檢測(cè)誤碼率和通信距離，實(shí)際測(cè)試中，將終端采集模塊和監(jiān)測(cè)主機(jī)放置不同的位置，相距12 m，將上位機(jī)和監(jiān)測(cè)主機(jī)通過RS485連接，連續(xù)檢測(cè)1 h，計(jì)算誤碼率。經(jīng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，12 m處誤碼率小于0.1%，通信正常。

圖6 測(cè)溫終端及實(shí)際安裝位置實(shí)物圖片F(xiàn)ig.6 Temperature physical location of the terminal and the actual installation pictures

6 結(jié) 語

高壓開關(guān)作為電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，其安全可靠運(yùn)行是保證電網(wǎng)良好工作的前提，本文設(shè)計(jì)的無線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，采用無線傳輸解決了高低壓隔離問題，通過RS485接口與PC主機(jī)相連接，系統(tǒng)擴(kuò)展靈活，在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓開關(guān)觸頭的溫度，經(jīng)過一年多的實(shí)際運(yùn)行，工作穩(wěn)定，有效保障了電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

［1］ 錢祥忠.高壓開關(guān)柜內(nèi)接頭溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器（Instrument Technique and Sensor），2007（2）：73-75.

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Design of wireless temperature monitoring system of high voltage switchgear contact based on nRF24LE1

ZHI Zhao-hua1，LIU Wen-xue1，LI Wen-chao2，GENG Xiao-juan2
（1.College of Mechanical and Electronic Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China；2.Department of Technology，Shijiazhuang Bofa Science and Technology Company Limited，Shijiazhuang Hebei 050054，China）

n RF24LE1 wireless transceiver chip is used to monitor the temperature of high voltage switchgear contacts.The high temperature terminal is installed directly on the live part of the HV workplace.The measured temperature is wirelessly transmitted to the monitoring host，which solves the problem of high voltage insulation.The complete monitoring system consists of temperature monitoring terminal，monitoring host and PC.The design achieves real-time monitoring of high temperature contact and ensures reliable operation of high-voltage power switch.

nRF24LE1；high voltage switchgear；temperature monitoring；low power consumption

TM83；TP274

A

1008-1542（2011）05-0446-05

2011-02-22；

2011-06-30；責(zé)任編輯:陳書欣

智兆華（1970-），男，河北元氏人，講師，主要從事自動(dòng)化控制方面的研究。