摘要:為實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備薄弱節(jié)點(diǎn)的實(shí)時測溫及解決傳感器使用壽命受限于外置電池容量的問題,設(shè)計(jì)了一款基于電流感應(yīng)取電的無線測溫節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)采用電流感應(yīng)取電模塊作為工作電源;采用NTC熱敏電阻結(jié)合恒壓分段測量法,實(shí)現(xiàn)溫度測量;采用2.4GHZ高頻寬帶無線通訊實(shí)現(xiàn)測溫?cái)?shù)據(jù)傳輸。實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)輸電導(dǎo)線流經(jīng)電流有效值為3.6A時,電流感應(yīng)取電模塊輸出電壓可穩(wěn)定在3.28V;27-100℃測溫范圍內(nèi),測溫誤差值為0.67℃;6m通訊范圍內(nèi),測溫?cái)?shù)據(jù)的無線傳輸成功率達(dá)99%。
關(guān)鍵詞:感應(yīng)取電;無線測溫;NTC熱敏電阻
0引言
電力設(shè)備長期工作于過載或載流量過大的狀態(tài)下,容易導(dǎo)致設(shè)備薄弱節(jié)點(diǎn)溫升過高,從而引發(fā)設(shè)備故障。為保證設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行,檢測電力設(shè)備薄弱節(jié)點(diǎn)的溫升情況已成為該領(lǐng)域研究熱點(diǎn),傳統(tǒng)的紅外測溫及蠟片測溫,實(shí)時性及準(zhǔn)確性較差,且耗費(fèi)大量人力。且現(xiàn)有測溫傳感器多采用外置電池供電,其使用壽命受限于外置電池容量。針對上述問題,本文設(shè)計(jì)了一款基于電流感應(yīng)取電的無線測溫節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)采用NTC(negativetemperatureco-efficient)熱敏電阻實(shí)現(xiàn)溫度測量;采用無線模塊實(shí)現(xiàn)測溫?cái)?shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離、即時傳輸;采用電流感應(yīng)取電模塊作為測溫節(jié)點(diǎn)工作電源,解決節(jié)點(diǎn)使用壽命受限于外置電池容量的問題。
1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
測溫節(jié)點(diǎn)包含電流感應(yīng)取電模塊、測溫模塊、主控模塊及無線模塊,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1結(jié)構(gòu)框圖
電流感應(yīng)取電模塊將取電線圈輸出的交變電動勢經(jīng)整流濾波單元、鉗位儲能單元、穩(wěn)壓單元轉(zhuǎn)化為恒定電壓供給測溫模塊。主控模塊及無線模塊。測溫模塊采用溫度敏感元件作為感溫探頭,經(jīng)轉(zhuǎn)化電路將感溫探頭的物理特性轉(zhuǎn)化為電信號輸出。主控芯片經(jīng)片內(nèi)ADC(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)將測溫模塊輸出的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,再依據(jù)轉(zhuǎn)化公式將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為溫度值。主控模塊將測溫節(jié)點(diǎn)的位置及溫度值裝載成數(shù)據(jù)包,由無線模塊傳輸至顯示終端。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
無線測溫節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)包括:電流感應(yīng)取電模塊、測溫模塊、主控模塊、無線模塊,其電路原理如圖2所示。
圖2測溫節(jié)點(diǎn)電路原理圖
2.1電流感應(yīng)取電模塊
2.1.1電流感應(yīng)取電數(shù)學(xué)模型
將電流感應(yīng)取電模塊簡化為一個環(huán)形低頻變壓器,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3電流感應(yīng)取電結(jié)構(gòu)簡圖
圖3中,兩次側(cè)繞組(一次側(cè)繞組為輸電導(dǎo)線,二次側(cè)繞組為取電線圈)內(nèi)阻壓降及繞組漏感均不計(jì),進(jìn)行全耦合電磁感應(yīng)。交變電流流經(jīng)一次側(cè)繞組,在取電鐵芯上產(chǎn)生交變磁通,則兩次側(cè)繞組分別產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e1和e2,依據(jù)電磁感應(yīng)定律可得:
式中∶NM,=1;N,為2次側(cè)繞組匝數(shù);④為電鐵芯的有效磁通量,磁通未飽和時,①=①,sin?t,①,為電鐵芯磁通量幅值,Wb。
且由能量守恒原理可得∶
式中;I,為一次側(cè)繞組電流幅值,A;E,為一次側(cè)繞組感應(yīng)電動勢幅值,V;I,為二次側(cè)繞組電流幅,A;E,為二次側(cè)繞組感應(yīng)電動勢幅值,V。
由基本電磁定律可知:
式中:Bm
為取電鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值,T;S為取電鐵芯有效橫截面積,m2;μ為取電鐵芯磁導(dǎo)率,H/m;Hm為磁場強(qiáng)度幅值,A/m。
則二次側(cè)繞組輸出平均功率P為:
式中:f為輸電導(dǎo)線供電頻率,Hz。
依據(jù)磁路基爾霍夫定律可知:
式中:l為磁路中心線長度,m;Iμ為勵磁電流幅值,A。
由可知:當(dāng)Iμ=2I1/2時,Hm取值。則在其他條件相同時,將式(5)帶入式(4)可得二次側(cè)輸出功率Pmax為:
將式(3)、式(5)帶入式(1)可得二次側(cè)繞組感應(yīng)電動勢幅值Emax為∶
當(dāng)輸電導(dǎo)線供電頻率f、取電鐵芯磁導(dǎo)率μ、磁路中心線長度L恒定時,由式(6)可知,二次側(cè)輸出功率p由取電鐵芯有效橫截面積S及一次側(cè)繞組電流幅值I,共同決定;由式(7)可知,二次側(cè)繞組感應(yīng)電動勢幅值Emax,由二次側(cè)繞組匝數(shù)N2及取電鐵芯有效橫截面積S共同決定。
2.1.2取電線圈匝數(shù)設(shè)計(jì)
電流感應(yīng)取電模塊二次側(cè)繞組匝數(shù)確定原則如下∶當(dāng)二次側(cè)輸出功率等于節(jié)點(diǎn)工作所需功率時,可求滿足節(jié)點(diǎn)工作要求的一次側(cè)繞組電流幅值I1max;當(dāng)一次側(cè)繞組電流幅值為滿足節(jié)點(diǎn)工作要求的值時,二次側(cè)繞組感應(yīng)電動勢幅值應(yīng)高于系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)定值,可求二次側(cè)繞組的匝數(shù);當(dāng)一次側(cè)繞組電流幅值為滿足節(jié)點(diǎn)工作要求值時,二次側(cè)繞組電流幅值應(yīng)高于設(shè)定值,可求二次側(cè)繞組匝數(shù)。
測溫節(jié)點(diǎn)采用可調(diào)電源供電,采用萬用表測量無線測溫節(jié)點(diǎn)工作電流,經(jīng)換算可得測溫節(jié)點(diǎn)平均功率低于0.1W,所需直流電壓高于2.6V。為擴(kuò)大感應(yīng)取電模塊工作范圍,考慮整流壓降及穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換效率∶取二次側(cè)輸出功率值為實(shí)測無線測溫節(jié)點(diǎn)平均功率3倍,則P≥0.3W;取二次側(cè)繞組感應(yīng)電動勢幅值值為所需直流電壓兩倍,則E_..≥5.2V;取二次側(cè)繞組電流幅值I,≥0.014A,得如下不等式∶
且已知f=50Hzμ=37.5mH/m(坡莫合金)、S=420mm2、I=0.215m,由式(8)可得∶
滿足節(jié)點(diǎn)工作要求的一次側(cè)繞組電流幅值I1min=5.11A,二次側(cè)繞組匝數(shù)N2=365。
2.2測溫模塊
測溫模塊采用恒壓分段測量法,來適應(yīng)NTC熱敏電阻在大范圍測溫下的高精度要求,其簡化電路如圖4所示。
圖4測溫模塊電路簡圖
依據(jù)測溫模塊簡化電路可得:
式中∶Urt為NTC熱敏電阻兩端電壓值,V;Uref內(nèi)部基準(zhǔn)電壓值,V;ADC,為供電電壓(Vcc)的ADC采樣值;ADCrt為NTC熱敏電阻ADC采樣值;U。為串聯(lián)電阻兩端電壓值;n=12為ADC位數(shù)。
依據(jù)歐姆定律及式(10)可得∶
式中∶R,為NTC熱敏電阻計(jì)算阻值,Ω;R為串聯(lián)電阻阻值,Ω。
考慮ADC采樣精度,場效應(yīng)管壓降、串聯(lián)電阻精度及NTC熱敏電阻精度,可得NTC熱敏電阻計(jì)算阻值的相對誤差值約為∶
式中;串聯(lián)電阻精度引起的相對誤差δ。=0.1%;ADC采樣引起的相對誤差δp=0.098%;場效應(yīng)管壓降引起的相對誤差δ..=0.396%;NTC熱敏電阻精度引起的相對誤差δ.=1%,則NTC熱敏電阻計(jì)算阻值的相對誤差δn,=1.594%。
由可知,NTC熱敏電阻R-T校正方程如下∶
由式(13)可得測溫誤差值為;
式中;R-T校正方程的平均誤差ξ=0.2863℃,由測溫誤差曲線圖5可得,當(dāng)NTC熱敏電阻阻值約為1056Q,測溫誤差值為0.75℃。
圖5測溫誤差曲線圖
2.3其他模塊
2.3.1主控模塊
測溫節(jié)點(diǎn)主控模塊選用,其優(yōu)點(diǎn)在于:具備動態(tài)停機(jī)模式,實(shí)測停機(jī)電流僅為1μA;芯片內(nèi)置高精度RC振蕩電路,可簡化外圍電路設(shè)計(jì),降低節(jié)點(diǎn)功耗;片載串行外設(shè)接口(SPI),通信速率可達(dá)8Mbit/s,降低與無線模塊通信耗時;片內(nèi)集成12位ADC,滿足節(jié)點(diǎn)測溫要求。
2.3.2無線模塊
無線模塊采用工作于工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)(ISM)頻段的低功耗、自組網(wǎng)無線收發(fā)芯片nRF24L01。其優(yōu)點(diǎn)在于:采用2.4GHZ高頻寬帶通信技術(shù),通信帶寬為1MHZ,相較于433MHZ等低頻窄帶通信技術(shù),可防止因晶振的溫漂及老化而產(chǎn)生工作頻點(diǎn)漂移,從而導(dǎo)致通信失敗的問題;具備增強(qiáng)型ARQ(停等式自動重傳請求)協(xié)議,可設(shè)置重傳等待時間和重傳次數(shù),有效提升數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性。
3系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)選用IAREWforSTM8作為開發(fā)環(huán)境,采用C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì),其過程如圖6所示。當(dāng)電流感應(yīng)取電模塊輸出電壓達(dá)節(jié)點(diǎn)工作電壓時,主控模塊上電,配置系統(tǒng)時鐘,開啟RTC(實(shí)時時鐘)停機(jī)喚醒中斷,設(shè)置喚醒間隔為6.89S。主控模塊關(guān)閉無關(guān)外設(shè)時鐘,配置無線模塊及測溫模塊進(jìn)入掉電狀態(tài),降低功耗,隨后節(jié)點(diǎn)進(jìn)入活躍停機(jī)模式,等待觸發(fā)喚醒中斷。若節(jié)點(diǎn)觸發(fā)喚醒中斷,則無線模塊及測溫模塊上電,無線模塊配置為發(fā)送模式,測溫模塊測量外部溫度,并由無線模塊發(fā)送。若發(fā)送成功,則節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低功耗配置,而后進(jìn)入活躍停機(jī)模式,等待觸發(fā)下次喚醒中斷。若發(fā)送失敗,則重新進(jìn)行溫度測量,并發(fā)送。
圖6節(jié)點(diǎn)程序流程圖
4系統(tǒng)測試
為驗(yàn)證電流感應(yīng)取電模塊的取電線圈匝數(shù)合理性,測溫模塊的測溫精度及無線模塊的無線通訊可靠性,搭建如圖7所示測試場景。
圖7測試場景圖
4.1電流感應(yīng)取電模塊
當(dāng)1次側(cè)繞組流經(jīng)電流有效值為3.6A(幅值為5.1A)、頻率為50Hz時,采用DS1104B數(shù)字示波器采樣2次側(cè)繞組感應(yīng)電動勢曲線、儲能單元儲能曲線及穩(wěn)壓單元輸出曲線。
由圖8可知,當(dāng)1次側(cè)繞組流經(jīng)電流有效值為3.6A時,2次側(cè)繞組感應(yīng)電動勢幅值為5.12V,與理論計(jì)算值基本相符。
圖8二次側(cè)繞組感應(yīng)電動勢曲線圖
由圖9可知,當(dāng)儲能曲線達(dá)到點(diǎn)B,時,主控模塊達(dá)到工作電壓1.76V。節(jié)點(diǎn)上電消耗電能。當(dāng)儲能曲線達(dá)到點(diǎn)B,時,主控模塊完成低功耗配置,并進(jìn)入活躍停機(jī)模式,降低功耗。儲能曲線達(dá)到點(diǎn)B,、B。、B,時,節(jié)點(diǎn)觸發(fā)喚醒中斷,平均觸發(fā)間隔為6.73s,觸發(fā)后的平均工作時間為0.07s.與設(shè)計(jì)值相符。節(jié)點(diǎn)工作期間儲能單元的平均壓降為1.12V,滿足使用要求。當(dāng)輸電導(dǎo)線流經(jīng)電流有效值為4.8A時,儲能元件儲能電壓值約為4.96V。
由圖10可知,點(diǎn)Cu、C,可印證圖9結(jié)論,節(jié)點(diǎn)啟動電壓為1.76V,啟動時間約為0.6s。當(dāng)輸電導(dǎo)線流經(jīng)電流有效值為4.8A時,穩(wěn)壓單元輸出電壓可穩(wěn)定在3.28V。
圖9儲能單元儲能曲線圖
圖10穩(wěn)壓單元輸出曲線圖
4.2測溫模塊
環(huán)境溫度26.7℃,采用恒溫加熱臺作為熱源,K型熱電偶采樣溫度作為標(biāo)稱值。恒溫加熱臺從27-100℃加熱過程中,測溫節(jié)點(diǎn)隨機(jī)采樣21組數(shù)據(jù),計(jì)算與標(biāo)稱值之間的誤差,并繪制曲線如圖11所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)熱電偶標(biāo)稱溫度值為86℃時,節(jié)點(diǎn)測溫誤差值為0.67℃,在測溫誤差0.75℃范圍內(nèi)。
圖11實(shí)測溫度曲線圖
4.3無線模塊
模擬測溫節(jié)點(diǎn)實(shí)際工作環(huán)境,在測溫節(jié)點(diǎn)與顯示終端之間,放置若干的遮擋物,無間斷進(jìn)行100次測溫?cái)?shù)據(jù)傳輸測試,測試結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在遮擋物位置及體積不變情況下,無線傳輸?shù)某晒β孰S傳輸距離的增加,略有降低,但該基本滿足應(yīng)用需求。
表1無線模塊測試表
5安科瑞無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)及在線測溫產(chǎn)品介紹
5.1概述
開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)是基于470MHz無線測溫技術(shù)開發(fā)的針對開關(guān)柜進(jìn)行測溫的系統(tǒng),可對開關(guān)柜分別為母線排、上下觸頭、電纜接頭,柜體表面等部位溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,方便運(yùn)維人員及遠(yuǎn)程監(jiān)控中心掌握現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行情況。
5.2應(yīng)用場所
變電所,配電室,箱變等
5.3系統(tǒng)架構(gòu)
開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)由無線溫度傳感器、測溫通訊終端(溫度顯示儀)、溫度監(jiān)測預(yù)警工作站三部分組成,
5.4系統(tǒng)功能
5.4.1實(shí)時監(jiān)測
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控軟件人機(jī)界面友好,能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)及有關(guān)故障、告警等信息。
5.4.2溫度查詢
溫度歷史曲線(1分鐘、5分鐘、60分鐘可選):
5.4.3運(yùn)行報表
查詢各回路設(shè)備運(yùn)行溫度報表。
5.4.4實(shí)時報警
壁掛式無線測溫監(jiān)控設(shè)備具有實(shí)時報警功能,設(shè)備能夠?qū)囟仍较薜仁录l(fā)出警告。設(shè)備提供以下幾種告警方式:
1)彈出事件報警窗口。
2)實(shí)時語音報警功能,能夠?qū)λ惺录l(fā)出語音告警。
3)短信警告??梢韵虬l(fā)送告警信息短信(需選配)。
5.4.5歷史告警查詢
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ懈婢录涗涍M(jìn)行存儲和管理,方便用戶對系統(tǒng)和告警等事件進(jìn)行歷史追溯,查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。
5.4.6用戶權(quán)限管理
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作(如數(shù)據(jù)庫修改等)??梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限,為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。
5.4.7定值設(shè)置
用于修改高溫定值、超溫定值。
WEB,手機(jī)APP(可選):
通過和手機(jī)APP展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)量等概況信息,設(shè)備溫度、通信狀態(tài),用電分析和事件記錄。
5.5.產(chǎn)品選型
5.5.1無線測溫傳感器選型
5.5.2收發(fā)器選型
5.5.3測溫通訊終端(溫度顯示儀)選型
5.6典型配置方案
5.6.1高低壓柜內(nèi)電氣接點(diǎn)無線測溫(單柜就地顯示)
a)配置方案
說明:ARTM-Pn通過RS485接口連接ATC實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示,可接收60只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。
b)安裝實(shí)例
5.6.2高壓柜內(nèi)電氣接點(diǎn)無線測溫帶操顯功能(單柜就地顯示)
a)配置方案
說明:ASD320通過RS485接口連接ATC實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示,可接收12只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。
b)安裝實(shí)例
a)配置方案
說明:觸摸屏通過RS485接口連接ATC實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示,可接收240只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。如果現(xiàn)場不需要就地顯示,可以直接通過ATC的RS485接口,把數(shù)據(jù)傳送到值班室的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)。
b)安裝實(shí)例
5.6.4就地壁掛式集中顯示方案(適用于改造,不方便在柜子上加裝顯示屏的現(xiàn)場)
方案一:Acrel-2000T/A就地集中顯示:
說明:Acrel-2000/A通過RS485接口連接ATC實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示,可接收240只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。
方案二:Acrel-2000T/B就地集中顯示:
說明:Acrel-2000T/B不僅可以通過RS485連接多種ATC收發(fā)器接收所有型號傳感器實(shí)現(xiàn)集中顯示,還可以通訊連接配電室內(nèi)無線測溫相關(guān)就地顯示裝置實(shí)現(xiàn)集中顯示,同時還可以連接配電室內(nèi)智能操控、微機(jī)保護(hù)、電力儀表等電力監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。
5.6.5低壓電氣接點(diǎn)有線測溫、變壓器繞組測溫
a)配置方案
說明:ARTM-8溫度巡檢儀可配8路Pt100傳感器,有線連接,Pt100傳感器客戶自配,測量低壓電氣接點(diǎn)時Pt100傳感器需做好絕緣處理。
b)安裝實(shí)例
6結(jié)束語
電流感應(yīng)取電技術(shù)解決了傳感器工作壽命受限于外置電池容量的問題,無線傳感技術(shù)解決了傳統(tǒng)測溫實(shí)時性較差問題。本文基于電流感應(yīng)取電技術(shù)及無線傳感技術(shù)設(shè)計(jì)了一款無源無線測溫節(jié)點(diǎn),對其結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行詳細(xì)分析,給出了二次側(cè)繞組匝數(shù)計(jì)算方法及NTC熱敏電阻測溫理論誤差計(jì)算方法,并通過實(shí)驗(yàn)對其可行性進(jìn)行證明。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)一次側(cè)繞組流經(jīng)電流有效值為3.6A時,該電流感應(yīng)取電模塊輸出電壓值可穩(wěn)定在3.28V;測溫模塊的測溫誤差值為0.67℃;無線模塊通訊較為穩(wěn)定,具備較高的可靠性。
參考文獻(xiàn)
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作者簡介:侯文莉,女,安科瑞電氣股份有限公司,主要從事無線測溫系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用