開關柜溫度監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)交互診斷分析

祁麟 王永寧 黃朝 李倩

【摘要】 設計和開發(fā)了一套基于聲表面波和Modbus/TCP技術的開關柜溫度診斷分析系統(tǒng)，詳細介紹了整個系統(tǒng)平臺的總體設計方案。該平臺包含硬件和軟件兩部分，對傳感器的選用、數(shù)據(jù)交互、系統(tǒng)的組成及功能也做了較為詳細的闡述。

【關鍵詞】 聲表面波 Modbus/TCP 數(shù)據(jù)交互

Abstract： In this paper， the author designs and develops a set of temperature diagnosis and analysis system for switch cabinet based on the SAW and Modbus/TCP technology. The overall design scheme of the system platform is introduced in detail. The platform includes the hardware and software. A more detailed description of each part is made including the selection of sensors， data exchange， software modules.

Keywords： SAW， Modbus/TCP， data exchange

一、引言

迄今為止，電網(wǎng)設備檢修經(jīng)歷了故障維修、定期檢修、狀態(tài)檢修三個階段，作為在電力系統(tǒng)輸電、電能轉換和電能消耗中起著控制和保護電路的開關柜，實施狀態(tài)檢修是有必要的。

電網(wǎng)技術的發(fā)展，尤其是傳感器、計算機技術、微電子技術的快速發(fā)展，傳統(tǒng)電力開關柜越來越不能適應現(xiàn)代電網(wǎng)的發(fā)展要求。網(wǎng)絡通信技術的發(fā)展使人機對話、系統(tǒng)內(nèi)各設備間的通信協(xié)作提供了理論基礎[1]。

大多數(shù)高壓開關設備采用封閉結構，散熱條件差，而且長時間工作于高電壓、大電流等惡劣環(huán)境中，很容易引起熱量的積累而導致其內(nèi)部溫度升高[2]。常規(guī)的測溫方式覆蓋面低、便利性差，有的無法做到實時監(jiān)測，有的引入新的安全隱患，導致事故停電火災頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計，我國每年發(fā)生電力事故，40%由高壓電氣設備過熱所致；而在采用高壓開關柜和電力電纜的供電系統(tǒng)中有70%以上的電纜運行故障是因為連接部位接觸電阻變大、過負荷等引起接頭溫度過高所致。對高壓開關柜連接點的溫度變化進行實時監(jiān)測及預警是非常必要的。

二、系統(tǒng)設計方案

2.1系統(tǒng)設計概述

目前高壓開關柜溫度在線監(jiān)測方法主要有CCD攝像頭監(jiān)測示溫蠟片測溫法、紅外測溫法、光纖測溫法和無線網(wǎng)絡法[3]，由于中壓開關柜內(nèi)存在大電流、高電壓，電磁環(huán)境極為惡劣等諸多困難因素，現(xiàn)有開關柜測溫技術都存在著各種各樣的局限性。本系統(tǒng)采用聲表面波器件，安裝在開關柜內(nèi)部，長期運行不會積污，不會引入新的安全隱患。

開關柜從內(nèi)部結構可分為儀表室、母線室、開關室、電纜室，本系統(tǒng)采集模塊可同時采集和監(jiān)測三室（母線室、開關室、電纜室）的溫度信息。

2.2系統(tǒng)整體方案

既要保證獨立模塊的高效，又要兼顧整體系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)采用了分層

架構設計。如圖1所示。

傳感器與測量裝置之間采用無線傳輸?shù)姆绞竭M行數(shù)據(jù)交互，為現(xiàn)場安裝提供了便利。

測量裝置與通訊管理機之間采用CS架構，裝置在接收到管理機主動詢問的測點信息時主動上送各傳感器溫度信息，采用標準Modbus/TC協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信。

為更好的進行數(shù)據(jù)展示，服務器與管理機之間采用BS架構，采用標準Modbus/TCP協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信。

三、硬件設計

3.1溫度傳感器

按照電源供給方式不同，無線傳感器可分為三類，采用特殊設計的聲表（SAW）諧振器，工作時不需要任何電源以及工作在射頻頻段的特性，使得SWA應用于骯臟潮濕、核輻射、有爆炸危險的危險環(huán)境具有很大優(yōu)勢[4]。當有一個特點頻率的電波輸入到聲表諧振器，諧振器輸出的電波信號頻率會隨著環(huán)境溫度的變化而變化，利用諧振器的這個特性，通過采集諧振器輸出頻率，就可以得到對應的環(huán)境溫度。

3.2通訊集中器的設計

通訊集中器采用高度集成的ARM處理器為核心部件，具有4路隔離串口和兩路快速以太網(wǎng)接口，可以實現(xiàn)串口設備到以太網(wǎng)的自動信息采集和通信協(xié)議轉換，以及基于以太網(wǎng)的通信管理，滿足計算機監(jiān)控系統(tǒng)中的多種通信需求。

通訊集中器主要是作為現(xiàn)場控制的通信擴展 設備。該裝置既可以通過串口也可以通過以太網(wǎng)接口實現(xiàn)與上級系統(tǒng)或與下級設備通信的功能，根據(jù)需要進行組合，給實際工程應用帶來了極大的靈活性。

四、軟件設計

4.1溫度讀取器軟件

溫度讀取軟件主要分為數(shù)據(jù)收發(fā)、診斷分析、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)回放及信息顯示模塊。模塊結構如下。

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊：該模塊主要負責測點數(shù)據(jù)的讀取。

診斷分析模塊：根據(jù)讀取的測點信息進行診斷分析，判斷當前的測點狀態(tài)，給出判斷結果，當達到預設的告警值時，裝置進行聲光告警。

數(shù)據(jù)保存模塊：為方便查看，所有的溫度信息都進行保存。

數(shù)據(jù)回放模塊：可以通過查看保存的歷史溫度信息來判斷開關柜運行情況。

數(shù)據(jù)顯示模塊：通過界面實時查看當前各測點信息及當前各點狀態(tài)，輔助現(xiàn)地人員對開關柜運行狀態(tài)進行基本判斷。

4.2通訊集中器軟件

通訊集中器主要完成讀取溫度數(shù)據(jù)、轉發(fā)與上送功能。軟件采用CS架構與溫度讀取器進行交互，采用標準Modbus/ TCP協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互?；谝蕴W(wǎng)技術和標準TCP/IP技術發(fā)展起來的Modbus/TCP，直接安插于ISO七層結構中的第四層的TCP/UDP上，其工作原理就是Modbus協(xié)議幀嵌入到TCP/IP下層的協(xié)議幀中，在物理層進行傳輸[5]。

為更好的進行數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)展示，所有的測溫數(shù)據(jù)都集中到集中器進行統(tǒng)一上送，統(tǒng)一上送的數(shù)據(jù)既可以作為遠端監(jiān)控，也為部署在遠程的云數(shù)據(jù)平臺進行大數(shù)據(jù)分析提供基礎數(shù)據(jù)支撐。

4.3數(shù)據(jù)展示

監(jiān)測計算器在接收到集中器上送的數(shù)據(jù)后，首先把數(shù)據(jù)存入實時數(shù)據(jù)庫進行保存，最后對集中器數(shù)據(jù)進行比較、展示，方便用戶查看。

五、結語

采用SAW測溫傳感器安全性高、抗干擾能力強，使用Modbus/TCP技術，傳輸速度高且實施價格低廉，可更容易地實現(xiàn)實時監(jiān)控與現(xiàn)場設備的通信。開關柜運用在線測溫裝置可有效檢測開關柜內(nèi)部溫度，預防開關柜內(nèi)部過熱事故的產(chǎn)生。

參 考 文 獻

[1] 孫健秧，郭建釗，姚良鑄.中壓智能開關柜技術綜述及解決方案的探討[J].華東電力， 2012， 40（4）：684-686.

[2] 劉柳，陳建政.高壓開關柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].無線互聯(lián)科技， 2015（4）：38-40.

[3]黃新波.變電設備在線監(jiān)測與故障診斷[M].北京：中國電力出版社，2012.

[4] 韓韜，施文康.聲表面波器件在無線傳感系統(tǒng)中的應用[J].光學精密工程， 2001， 9（6）：576-579.

[5] 翁建年，張浩，彭道剛，李輝 .基于嵌入式ARM的Modbus/TCP協(xié)議的研究與實現(xiàn)[J].計算機軟件與應用， 2009， 26（10）：36-38.