母線接頭溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

席 偉， 陳廣鋒， 管觀洋

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)的用電量迅速增加。眾多的高層建筑和大型廠房車間，往往需要負(fù)荷成百上千安培的強(qiáng)大電流。母線在大電流輸送時(shí)具有很大的優(yōu)越性，應(yīng)用也越來越廣。但連接環(huán)節(jié)的材料、安裝、接觸面積壓力或老化等原因，往往會(huì)引起母線槽連接處的接觸電阻增大，導(dǎo)致接頭的溫升增加。溫升一旦超過了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許值，將引發(fā)供電系統(tǒng)的重大事故[1]。為此，設(shè)計(jì)一套母線接頭溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)母線接頭高溫進(jìn)行預(yù)警，可有效預(yù)防重大事故發(fā)生。

吳曉文等[2]提出了一種基于光纖光柵測(cè)溫技術(shù)的氣體絕緣開關(guān)(GIS)母線溫度在線監(jiān)測(cè)方法，采用工控機(jī)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)自動(dòng)采集、波長(zhǎng)溫度轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及故障預(yù)警；孫國(guó)霞等[3]建立了氣體絕緣母線三維渦流場(chǎng)分析模型，可計(jì)算母線各部分原件的功率損耗，并將其作為熱載荷輸入流場(chǎng)以及溫度場(chǎng)有限元分析模型，可計(jì)算出母線溫度場(chǎng)分布；費(fèi)萬民等[4]設(shè)計(jì)了高耐壓多輸出高頻開關(guān)電源，利用光纖信息傳輸技術(shù)進(jìn)行高壓環(huán)境下母線溫度的測(cè)量。然而，這幾種方式均未實(shí)現(xiàn)用溫度傳感器直接采集數(shù)據(jù)，導(dǎo)致采集誤差較大，也沒有避開布線難的問題。ZigBee無線技術(shù)是一種短距離、架構(gòu)簡(jiǎn)單、低功率損耗的無線通信技術(shù)，該技術(shù)節(jié)點(diǎn)設(shè)備能耗特別低，自組網(wǎng)無需人工干預(yù)，成本低廉，設(shè)備復(fù)雜度低且網(wǎng)絡(luò)容量大[5-6]，可以很好地應(yīng)用在高層建筑或者大型廠房母線接頭的溫度監(jiān)測(cè)方面。本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee無線技術(shù)和以太網(wǎng)通信的母線接頭溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過溫度傳感器可有效監(jiān)測(cè)母線接頭N、 A、 B、 C相溫度，并實(shí)時(shí)反饋給用戶，監(jiān)測(cè)效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于推廣。

1 基于ZigBee協(xié)議的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

母線接頭溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)由上位機(jī)、路由器、中繼器和節(jié)點(diǎn)組成。在一個(gè)工廠內(nèi)一般會(huì)有多條母線，圖中僅列舉4條母線，每條母線上少則幾十個(gè)，多則上百個(gè)接頭。每個(gè)母線接頭為1個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)通過4個(gè)溫度傳感器獲取母線接頭處的溫度。

同時(shí)，每條母線均有1個(gè)中繼器，中繼器的作用是收集該母線上所有節(jié)點(diǎn)傳遞上來的溫度數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析，將溫度數(shù)據(jù)顯示在PC界面上。

圖1 母線接頭溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of busbar joint temperature monitoring system

1.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的基本硬件組成如圖2所示。1個(gè)節(jié)點(diǎn)包含1個(gè)ZigBee模塊(終端設(shè)備)、溫度采集模塊和電源，其中每個(gè)溫度采集模塊有4個(gè)溫度傳感器，分別采集N、 A、 B、 C相的溫度。中繼器包含1個(gè)ZigBee模塊(協(xié)調(diào)器)、Wifi模塊和電源[7]。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)管理該母線上的所有終端設(shè)備。節(jié)點(diǎn)將獲取到的溫度數(shù)據(jù)采用ZigBee無線技術(shù)匯總到中繼器，中繼器中的Wifi模塊通過RS-485接口收集溫度數(shù)據(jù)，并通過路由器發(fā)送給上位機(jī)軟件。上位機(jī)解析路由器傳送回的數(shù)據(jù)，將所有母線各個(gè)接頭的溫度實(shí)時(shí)顯示在界面上。在整個(gè)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)主要功能是采集溫度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到中繼器。中繼器充當(dāng)網(wǎng)關(guān)的功能，負(fù)責(zé)匯總節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并通過路由器發(fā)送給上位機(jī)。各個(gè)終端設(shè)備之間不能相互通信，只能和管理它的協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。

圖2 系統(tǒng)的基本硬件組成Fig.2 Basic hardware components of the system

1.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組成

ZigBee網(wǎng)絡(luò)依據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，定義了兩種類型的物理設(shè)備，即全功能設(shè)備(FFD)和簡(jiǎn)化功能設(shè)備(RFD)。FFD擁有足夠的存儲(chǔ)空間來存放路由信息，處理控制能力較強(qiáng)，可作為協(xié)調(diào)器或設(shè)備使用，并可與任何設(shè)備進(jìn)行通信。RFD內(nèi)存小、功耗低，在網(wǎng)絡(luò)中作為源節(jié)點(diǎn)，只發(fā)送與接收信號(hào)，并不能起到轉(zhuǎn)發(fā)器或路由器的作用。RFD不能作為協(xié)調(diào)器，只能和全功能設(shè)備通信，消耗資源和存儲(chǔ)極少[8]。本系統(tǒng)中，一根母線上所有的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，而在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只需要一個(gè)協(xié)調(diào)器收集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，其他節(jié)點(diǎn)設(shè)備既可以是RFD，也可以是FFD。RFD的價(jià)格要比FFD便宜得多，其占用系統(tǒng)資源極少[9]。考慮以上因素，本系統(tǒng)所有的終端設(shè)備均采用RFD，而協(xié)調(diào)器采用FFD設(shè)備。

星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)是由1個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器和1個(gè)或多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。ZigBee協(xié)調(diào)器位于網(wǎng)絡(luò)的中心位置，負(fù)責(zé)建立和維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點(diǎn)分布在ZigBee協(xié)調(diào)器的覆蓋范圍內(nèi)，直接與ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。本系統(tǒng)中的各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)不能通信，只能和網(wǎng)絡(luò)中心的協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，因此本系統(tǒng)可選擇簡(jiǎn)單易行的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。將終端設(shè)備Panid、Current channel、Profile ID的參數(shù)修改成與協(xié)調(diào)器一致，終端設(shè)備與協(xié)調(diào)器即可通信。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Topology of the system

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件的總體設(shè)計(jì)

上位機(jī)作為服務(wù)器，可通過路由器向各個(gè)客戶端(中繼器)發(fā)送相應(yīng)的指令，每一個(gè)中繼器也會(huì)將收集到的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)反饋給上位機(jī)。指令的發(fā)送和返回采用Modbus協(xié)議，數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

表1 Modbus數(shù)據(jù)幀格式

啟動(dòng)上位機(jī)軟件后，軟件向中繼器循環(huán)發(fā)送采集溫度的指令，指令發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。隨后中繼器將這些指令發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)將節(jié)點(diǎn)采集的溫度數(shù)據(jù)返回給上位機(jī)，返回?cái)?shù)據(jù)幀格式如表1所示。上位機(jī)通過數(shù)據(jù)分析處理，在軟件界面上對(duì)應(yīng)母線的接頭處顯示溫度數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)的上位機(jī)軟件采用C#語(yǔ)言編寫。為了防止非專業(yè)人員誤操作，系統(tǒng)軟件設(shè)置了2種登錄模式，系統(tǒng)軟件功能模塊如圖4所示，分別是管理員模式和普通用戶模式。管理員模式是專業(yè)人員的登錄模式，其具有全部的權(quán)限，可以對(duì)軟件的所有功能進(jìn)行操作，包括通信設(shè)置、溫度顯示、報(bào)警信息、編輯母線/節(jié)點(diǎn)和歷史數(shù)據(jù)查詢功能。用戶模式僅僅對(duì)普通用戶開放了通信設(shè)置、溫度顯示和報(bào)警信息查詢等功能。

圖4 系統(tǒng)軟件功能模塊圖Fig.4 Functional block diagram of the system software

在通信設(shè)置界面，上位機(jī)循環(huán)向在線客戶端(中繼器)發(fā)送指令，并顯示返回的指令，返回的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成溫度顯示在界面上。如果有母線接頭的溫度超過了設(shè)定的報(bào)警溫度，溫度顯示界面會(huì)彈出報(bào)警提示框，并將警報(bào)信息顯示在報(bào)警頁(yè)面上。當(dāng)母線或者母線接頭信息發(fā)生變化時(shí)，可以在軟件的編輯母線/節(jié)點(diǎn)界面對(duì)母線和接頭信息進(jìn)行及時(shí)更新。在歷史數(shù)據(jù)查詢界面可以根據(jù)母線類別、檢測(cè)時(shí)間、報(bào)警溫度等單個(gè)條件或者組合條件查詢溫度數(shù)據(jù)。

由于一條母線上有數(shù)百甚至上千個(gè)接頭，為了便于用戶快速地找到溫度報(bào)警的接頭，在上位機(jī)界面上繪制了母線的大致形狀，并標(biāo)出了節(jié)點(diǎn)位置，母線形狀如圖5所示。圖5中的實(shí)線代表母線，母線上帶數(shù)字的圓代表接頭，接頭的溫度會(huì)實(shí)時(shí)顯示在上面。當(dāng)某一處接頭溫度超過警報(bào)溫度時(shí)，用戶可以根據(jù)界面上母線接頭的位置，很快定位到現(xiàn)場(chǎng)，快速排查故障，有效避免安全事故的發(fā)生。

圖5 母線形狀Fig.5 Busbar shape

2.2 發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)

上位機(jī)向中繼器發(fā)送指令和獲取節(jié)點(diǎn)返回?cái)?shù)據(jù)的流程如圖6所示。系統(tǒng)軟件通過以太網(wǎng)向中繼器發(fā)送指令，中繼器的Wifi模塊通過RS-485接口將上位機(jī)指令傳給ZigBee協(xié)調(diào)器。ZigBee協(xié)調(diào)器將這些指令采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分別發(fā)送給它所管理的ZigBee終端設(shè)備。節(jié)點(diǎn)中的溫度采集模塊實(shí)時(shí)采集溫度，并通過RS-485接口將數(shù)據(jù)傳給終端設(shè)備。終端設(shè)備獲取到從機(jī)號(hào)匹配成功的指令后對(duì)該指令進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)成功后將溫度數(shù)據(jù)返回給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器進(jìn)而傳送給上位機(jī)。經(jīng)上位機(jī)CRC校驗(yàn)成功后，溫度數(shù)據(jù)顯示在界面上，并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖6 上位機(jī)發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)流程Fig.6 Process of PC sending commands and receiving data

2.3 軟件濾波算法設(shè)計(jì)

在硬件系統(tǒng)中，傳感器采集到的溫度信號(hào)很可能受到系統(tǒng)噪聲、隨機(jī)干擾或者周期性干擾等多種因素的影響，收集到的數(shù)據(jù)有可能偏離正常值，其穩(wěn)定度和精度無法保證，因此必須對(duì)采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。相對(duì)于硬件濾波，軟件濾波具有無須增加硬件設(shè)備，可靠性高、穩(wěn)定性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且可以根據(jù)不同的信號(hào)，采用不同的濾波算法或參數(shù)，具有靈活、方便、功能強(qiáng)的特點(diǎn)?？紤]到軟件濾波的優(yōu)勢(shì)，本系統(tǒng)對(duì)采集到的溫度數(shù)據(jù)采用軟件濾波的方式進(jìn)行濾波處理。

Kalman濾波算法是一種線性無偏最小方差估計(jì)算法，能夠考慮信號(hào)與觀測(cè)值的基本統(tǒng)計(jì)特性[10]。即使并不知道模型的確切性質(zhì)，Kalman濾波算法也可以估計(jì)信號(hào)的過去、當(dāng)前和將來的狀態(tài)，得到最優(yōu)并且最有用的結(jié)果。本系統(tǒng)采用基于Kalman濾波的軟件濾波算法對(duì)采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波[11]處理。

根據(jù)Kalman濾波算法，溫度信號(hào)域內(nèi)的狀態(tài)方程[12]為

X(k)=AX(k-1)+BU(k)+W(k)

(1)

式中：X(k)為k時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)；U(k)為k時(shí)刻的狀態(tài)控制量；A和B為系統(tǒng)參數(shù)矩陣；W(k)為過程噪聲。

根據(jù)Kalman濾波算法，溫度信號(hào)域內(nèi)的測(cè)量方程[12]為

Z(k)=HX(k)+V(k)

(2)

式中：Z(k)為k時(shí)刻的溫度測(cè)量值；H為測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)矩陣；V(k)為測(cè)量的噪聲[13]。

Kalman濾波的算法流程如圖7所示。X(k/k-1)為狀態(tài)一步預(yù)測(cè)，X(k/k-1)為上一狀態(tài)最優(yōu)的結(jié)果，P(k/k-1)為一步預(yù)測(cè)均方誤差；測(cè)量更新方程中，Kg(k)為濾波增益，P(k/k)為估計(jì)均方誤差，X(k/k)為狀態(tài)估計(jì)，Z(k)為觀測(cè)值，Q為系統(tǒng)噪聲驅(qū)動(dòng)。當(dāng)溫度為緩慢變化的信號(hào)，且相鄰采樣時(shí)刻間隔非常短時(shí)，可假定相鄰時(shí)刻的溫度值相等，故取A為1，H為1。本文測(cè)溫系統(tǒng)為開環(huán)，故控制量U(k)為0，經(jīng)過計(jì)算得出系統(tǒng)噪聲的方差值Q為0.1，觀測(cè)噪聲的方差R為0.75。X(0)為溫度傳感器第一次采集到的溫度值。

以揚(yáng)中市某母線生產(chǎn)廠家為試驗(yàn)依托，在Windows操作系統(tǒng)下的.NET平臺(tái)進(jìn)行軟硬件現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試。對(duì)母線接頭每隔1 s采集1次溫度數(shù)據(jù)，采集1 000組數(shù)據(jù)作為1個(gè)樣本，即采樣時(shí)間(s)對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)數(shù)。由于ZigBee模塊有一定的丟包率，為了模擬丟包率引起的某段時(shí)間的數(shù)據(jù)丟失，在測(cè)試數(shù)據(jù)上隨機(jī)剔除了其中30 s數(shù)據(jù)，并將這段時(shí)間的溫度值全部賦0，存于原時(shí)間序列中[14]。不同采樣點(diǎn)的母線接頭溫度如圖8(a)所示。

給定初始估計(jì)值、觀測(cè)值和各自的方差，應(yīng)用Kalman濾波方法對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行迭代，得到的溫度數(shù)據(jù)結(jié)果如圖8(b)所示。從圖8(b)可以看出，Kalman濾波方法不僅可以精確地從噪聲中提取出真實(shí)的溫度值，平滑不良檢測(cè)數(shù)據(jù)，還可以預(yù)測(cè)出缺失的觀測(cè)值，并還原出最真實(shí)最精確的觀測(cè)值，消除偶然因素和隨機(jī)噪聲，由此證明了此方法理論的正確可行性。

圖7 Kalman濾波算法流程Fig.7 Kalman filtering algorithm flow

(a) 未添加Kalman濾波

(b) 添加Kalman濾波

3 溫度預(yù)測(cè)算法設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)對(duì)母線接頭的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雖然能達(dá)到較好的監(jiān)控效果，但是等到測(cè)出溫度后再發(fā)出報(bào)警，很容易造成母線接頭過熱，對(duì)母線和接頭均造成損壞。為彌補(bǔ)此項(xiàng)不足，對(duì)母線接頭的溫度預(yù)測(cè)十分重要。

本文將經(jīng)過Kalman濾波算法處理后的溫度數(shù)據(jù)放入預(yù)測(cè)程序通道，采用最小二乘直線趨勢(shì)外推法進(jìn)行接頭的溫度預(yù)測(cè)[15]。該方法是根據(jù)最小平方法原理，配合長(zhǎng)期趨勢(shì)直線，進(jìn)而利用趨勢(shì)直線方程來外推預(yù)測(cè)未來趨勢(shì)的變化。預(yù)測(cè)程序從數(shù)據(jù)庫(kù)中選取當(dāng)前時(shí)刻前60 s的溫度數(shù)據(jù)作為預(yù)測(cè)樣本，獲得的溫度數(shù)據(jù)相關(guān)指標(biāo)如表2所示，溫度預(yù)測(cè)程序測(cè)試結(jié)果如圖10所示。Kalman算法濾波后的溫度數(shù)據(jù)同時(shí)會(huì)進(jìn)入預(yù)警處理程序通道，通過判斷溫度數(shù)據(jù)的變化，用點(diǎn)亮報(bào)警燈和操作界面接頭按鈕顏色變化的形式進(jìn)行報(bào)警。溫度報(bào)警與處理方式如表3所示。

表2 預(yù)測(cè)算法檢驗(yàn)溫度數(shù)據(jù)

圖10 溫度預(yù)測(cè)程序測(cè)試結(jié)果Fig.10 Test results of temperature prediction program

由表2可知，溫度最大絕對(duì)誤差、最大相對(duì)誤差、平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差分別為0.87 ℃、 4.33%、 0.38 ℃和1.09%，數(shù)值均較小，在可接受范圍內(nèi)，預(yù)測(cè)效果較為理想。由圖10可知，母線接頭的溫度曲線有下降趨勢(shì)，這是由于母線通電一段時(shí)間后整體趨于穩(wěn)定，且環(huán)境溫度下降所導(dǎo)致，符合技術(shù)指標(biāo)要求。

表3 溫度報(bào)警與處理方式

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的母線接頭溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)母線在使用過程中接頭處溫度的變化，對(duì)溫度的數(shù)值和曲線變化趨勢(shì)均予以較為準(zhǔn)確的顯示，并提供報(bào)警功能。采用ZigBee模塊作為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的無線傳輸，運(yùn)用以太網(wǎng)通信的方式將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，較好地解決了有線網(wǎng)絡(luò)存在的布線、維護(hù)和擴(kuò)展性等眾多問題。提出了基于Kalman濾波算法的軟件濾波算法，對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波，消除現(xiàn)場(chǎng)的噪聲或者隨機(jī)干擾的影響。采用最小二乘直線趨勢(shì)外推法對(duì)接頭溫度進(jìn)行提前預(yù)測(cè)，對(duì)可能出現(xiàn)的超限溫度進(jìn)行報(bào)警。應(yīng)用結(jié)果表明，該溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以很好地完成母線接頭溫度數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理和儲(chǔ)存任務(wù)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。