發(fā)布時(shí)間: 2021-04-14 點(diǎn)擊次數(shù): 822次
孟洋
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801
摘要:在日益增長(zhǎng)的電力負(fù)荷需求下,為保證電力系統(tǒng)的配變電,需要對(duì)10 kV環(huán)網(wǎng)柜電纜接頭的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),解決因電纜接頭溫度過(guò)高而導(dǎo)致故障的問(wèn)題。文中針對(duì)此問(wèn)題,提出了基于單片機(jī)的利用非接觸式傳感器對(duì)電纜接頭進(jìn)行溫度在線監(jiān)測(cè)的方法。在設(shè)計(jì)中,該方案具體使用紅外攝像頭與超聲波模組,還使用電壓電流測(cè)量模組進(jìn)行輔助測(cè)量。根據(jù)相關(guān)函數(shù)關(guān)系由所得數(shù)據(jù)推算出接頭溫度數(shù)據(jù),將溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),該系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確,測(cè)量誤差始終<0.5℃,可實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜接頭及其周邊線路較為準(zhǔn)確的溫度監(jiān)測(cè)。
關(guān)鍵詞:電纜接頭;溫度;紅外攝像頭;超聲波模組;電壓電流
0 引言
隨著科技的發(fā)展,電氣技術(shù)應(yīng)用泛濫,電能已成為目較為清潔環(huán)保的能源之一,被大面積應(yīng)用。但隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,電能需求在不斷提高,用戶負(fù)荷不斷擴(kuò)大,電網(wǎng)系統(tǒng)供電要求的可靠性壓力隨之增加,因此也帶來(lái)一些新的問(wèn)題。
根據(jù)資料文獻(xiàn)得知,電氣系統(tǒng)常出現(xiàn)電氣線路里的一些高壓接頭與一些觸點(diǎn)在正常工作時(shí)溫升過(guò)高的現(xiàn)象,從而加速設(shè)備的老化。同時(shí),也會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的高溫導(dǎo)致一些電纜接頭失效而引發(fā)故障。在電網(wǎng)中,10 kV環(huán)網(wǎng)柜作為小區(qū)域電網(wǎng)配電變電的核心設(shè)備部分,其運(yùn)行對(duì)于電網(wǎng)有較大的意義,尤其在環(huán)網(wǎng)柜電纜接頭位置,易由于高溫出現(xiàn)問(wèn)題。故基于此情況,本文提出了一種10 kV環(huán)網(wǎng)柜電纜接頭溫度在線監(jiān)測(cè)的方案設(shè)計(jì),以此來(lái)減少或者防止此類情況的發(fā)生。
1 網(wǎng)柜接頭溫度監(jiān)測(cè)方案原理設(shè)計(jì)
1.1 檢測(cè)原理和要求
在設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)于 10 kV 環(huán)網(wǎng)柜電纜接頭溫度的在線監(jiān)測(cè)而言,設(shè)計(jì)方案應(yīng)當(dāng)可以滿足對(duì)多個(gè)電纜接頭進(jìn)行實(shí)施的溫度檢測(cè),且還可以將這些溫度的數(shù)據(jù)值傳輸回主站或者操作間的系統(tǒng)進(jìn)行顯示,并由相關(guān)工作人員進(jìn)行查看,將其存儲(chǔ)分析。
環(huán)網(wǎng)柜電纜接頭的溫度值監(jiān)測(cè)其原理是依靠溫度傳感器測(cè)量得到的值與當(dāng)溫度存在一定的線性函數(shù)關(guān)系,對(duì)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行多元線性回歸分析并擬合曲線,得到溫度的函數(shù)公式。同時(shí)根據(jù)系數(shù)計(jì)算出溫度值,將其送入微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
1.2 總體方案設(shè)計(jì)
整體架構(gòu)的原理圖,如圖 1 所示。本次方案設(shè)計(jì)考慮到現(xiàn)場(chǎng)情況與實(shí)際問(wèn)題,且在監(jiān)測(cè)時(shí)不能損傷電纜接頭或者是需要連接過(guò)多線路,這樣均會(huì)對(duì)測(cè)量及系統(tǒng)產(chǎn)生影響。
在本次設(shè)計(jì)中采用非接觸式溫度測(cè)量方法。在測(cè)量中,使用超聲波聲波測(cè)量與紅外成像攝像頭作為傳感器在線溫度測(cè)量。同時(shí),通過(guò)不同溫度下測(cè)得的線路電壓與線路電流大小,對(duì)當(dāng)線路設(shè)備的溫度進(jìn)行輔助判斷。先通過(guò)傳感器采集溫度模擬量,再根據(jù)傳感器內(nèi)部信號(hào)調(diào)理電路輸出數(shù)字量。然后由微控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,使用微控制器將信號(hào)傳輸至工作人員電腦的上位機(jī)中進(jìn)行查看,由工作人員判斷保存并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。
上位機(jī)與微控制器之間采用串口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本方案微控制器采用STC89C51單片機(jī),其內(nèi)部有較多存儲(chǔ)機(jī)構(gòu),可將信號(hào)值存儲(chǔ)進(jìn)自己的128 kB RAM中。再由微控制器通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)電路內(nèi)的傳感器、控制器件繼電器或是接觸器做出故障切除操作,完成遠(yuǎn)程控制操作。同時(shí),微控制器會(huì)觸發(fā)報(bào)警電路,從而達(dá)到溫度監(jiān)測(cè)的效果。
2 接頭電纜頭溫度在線監(jiān)測(cè)各組件設(shè)計(jì)
2.1超聲波聲波測(cè)量模組
本次設(shè)計(jì)采用HC-SR04超聲波模組,該超聲波模組是通過(guò)聲波的傳遞時(shí)間和速度來(lái)監(jiān)測(cè)線路上一些器件的指標(biāo),如環(huán)網(wǎng)柜的10 kV電纜接頭溫度,其工作機(jī)理如圖2所示
2.2紅外攝像頭成像模組
此設(shè)計(jì)采用OV7725攝像頭模組,該攝像頭顯示模組主要是對(duì)電纜接頭溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)或者人工判斷。因?yàn)榇鎯?chǔ)圖像需要用到攝像頭模塊,其可通過(guò)紅外成像拍照和視頻的方式對(duì)電纜接頭溫度進(jìn)行檢測(cè)判斷。
對(duì)于該模塊的使用主要是根據(jù)時(shí)序圖進(jìn)行編程,處理好時(shí)鐘脈沖與其他數(shù)據(jù)信號(hào)的關(guān)系。設(shè)計(jì)中先存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù);其次讀取圖像數(shù)據(jù)。本次設(shè)計(jì)中使用的是OV7725攝像頭模塊,在設(shè)置時(shí)代碼先初始化OV7725相關(guān)的IO口(包括SCCB_Init),按照廠家提供參考配置序列配置多個(gè)OV7725寄存器,完成寄存器值的初始化即可。
2.3電壓電流傳感器檢測(cè)模組
本設(shè)計(jì)采用PT,CT電壓電流測(cè)量模組。該電壓模塊需要并聯(lián)到被測(cè)線路中,電流模塊串聯(lián)進(jìn)被測(cè)線路內(nèi)。檢測(cè)方式為PT和CT電壓電流一二次側(cè)傳感監(jiān)測(cè)。
在進(jìn)行電壓和電流的采集后,需通過(guò)一些由運(yùn)放組成的信號(hào)調(diào)理電路去對(duì)電壓與電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)理,運(yùn)放芯片可以采用成本較為低廉的 LM358。其電壓電流信號(hào)的采樣電路主要是通過(guò) LM358放大器搭建的比例積分電路實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)中對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行壓流轉(zhuǎn)換,易于采集。
在運(yùn)放調(diào)理后的電壓電流信號(hào)輸出到微控制器ADC上識(shí)別采集。由于微控制器的ADC上限采集電壓為3.3 V,所以在模擬采樣電路輸出口加一組反并聯(lián)二極管,防止系統(tǒng)異常時(shí)采樣電路輸出點(diǎn)電壓過(guò)高而損壞微控制器。電流采樣則是將電流霍爾傳感器輸出的電流信號(hào)經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后,在通過(guò)電壓跟隨電路與濾波電路調(diào)理后送入微控制器的ADC模塊。
2.4接觸器切除模組
本次設(shè)計(jì)采用的執(zhí)行結(jié)構(gòu)是開(kāi)關(guān)接頭常用的接觸器模組[15-16]。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)電路內(nèi)的接觸器,如當(dāng)監(jiān)測(cè)到環(huán)網(wǎng)柜的電纜接頭溫度過(guò)高時(shí),就需要切除相關(guān)的線路并進(jìn)行檢修或換;或者先直接切除環(huán)網(wǎng)柜電纜接頭的兩段線路,將電纜接頭獨(dú)立出來(lái),防止給整個(gè)電網(wǎng)帶來(lái)危害。
在控制過(guò)程中需要通過(guò)驅(qū)動(dòng)給接觸器中的控制線圈高電平控制時(shí),控制線圈產(chǎn)生電磁力,使得接觸線圈內(nèi)部控制電磁鐵被吸合,帶動(dòng)接觸器的投切觸頭進(jìn)行閉合,電路接通;相反則會(huì)使接觸線圈內(nèi)部控制的電磁鐵被松開(kāi)。在控制中,微控制器判斷故障后便可通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)給IO口,使其控制接觸器的端口電平有高低的變化,進(jìn)行電路的關(guān)斷控制。
3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試分析
本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主要是從電纜接頭溫度測(cè)量背景、測(cè)量方案、具體方案實(shí)施選型與設(shè)計(jì)等3個(gè)方面對(duì)10 kV電纜接頭的在線溫度監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)。針對(duì)當(dāng)環(huán)網(wǎng)柜電纜頭溫度在線監(jiān)測(cè)的問(wèn)題,綜合使用了3種測(cè)溫方法,并根據(jù)線監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)組成完成了溫度采集傳輸、控制以及電源供電與執(zhí)行模塊等的設(shè)計(jì)。制作完成了環(huán)網(wǎng)柜電纜頭溫度在線監(jiān)測(cè)裝置。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比,溫度測(cè)量誤差<0.5oC,測(cè)量較準(zhǔn)確。且綜合使用3種測(cè)量方法,使得系統(tǒng)可靠性較高。
在線下實(shí)際測(cè)試中,如表1和圖9所示。根據(jù)在線測(cè)量結(jié)果與實(shí)際測(cè)量相比較,經(jīng)分析,在外部環(huán)境溫度變化的情況下,通過(guò)表1的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),其監(jiān)測(cè)溫度存在誤差。但是誤差始終<0.5oC,上限誤差為0.3oC,在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)使用*可以滿足精度要求。由圖9可以發(fā)現(xiàn),在實(shí)施中(環(huán)網(wǎng)柜接頭測(cè)量溫度恒定為50oC),環(huán)境溫度變化范圍高達(dá)25oC。但測(cè)量精度不受影響,是一條恒定直線,誤差上下限僅相差0.1oC,因此*可靠使用。
4 安科瑞無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)介紹與選型
安科瑞無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)當(dāng)無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的要求,在廣泛征求用戶和家意見(jiàn)的基礎(chǔ)上,充分吸收當(dāng)內(nèi)外廠家的成功案例,并結(jié)合安科瑞多年來(lái)的豐富經(jīng)驗(yàn),采用面向?qū)ο蟮姆謱臃植际皆O(shè)計(jì)思想,結(jié)合自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)而設(shè)計(jì)的一款無(wú)線測(cè)溫軟件。
4.1 Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)RS485總線或以太網(wǎng)與間隔層的設(shè)備直接進(jìn)行通信(如圖4),系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規(guī)約,可靠性和開(kāi)放性都得到了很大地提高。
Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)具有遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)、遙設(shè)、事件報(bào)警、曲線、棒圖、報(bào)表和用戶管理功能。可以監(jiān)控?zé)o線測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行狀況,實(shí)現(xiàn)快速報(bào)警響應(yīng),預(yù)防嚴(yán)重故障發(fā)生。
Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)主要特點(diǎn)是開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu),硬件兼容性強(qiáng),軟件移植性好,應(yīng)用功能豐富。該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的處理能力,快速的事件響應(yīng),友好的人機(jī)界面,方便的擴(kuò)充手段。其軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)軟件工程的設(shè)計(jì)規(guī)范,模塊劃分合理,接口簡(jiǎn)捷明了,主要包括主控模塊、人機(jī)界面、圖形組態(tài)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、通信管理等幾大模塊。
4.2 Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)功能
■實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
Acrel-2000T無(wú)線測(cè)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(cè)溫節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)及有關(guān)故障、告警等信息
■溫度查詢
溫度歷史曲線(1分鐘、5分鐘、60分鐘可選)
■運(yùn)行報(bào)表
查詢各回路設(shè)備運(yùn)行溫度報(bào)表.
■實(shí)時(shí)報(bào)警
壁掛式無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控設(shè)備具有實(shí)時(shí)報(bào)警功能,設(shè)備能夠?qū)囟仍较薜仁录l(fā)出告警。
■設(shè)備提供以下凡種方式:
a.彈岀事件報(bào)驚窗口.
b.實(shí)時(shí)語(yǔ)音報(bào)警功能,能夠?qū)λ惺录l(fā)出語(yǔ)音告警.
C.短信吿警,可以向發(fā)送吿警信息短信(需選配).
■歷史告警査詢
Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ袇叹录涗涍M(jìn)行存儲(chǔ)和管理,方便用戶對(duì)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。
■用戶權(quán)限管理
Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)為保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。
通過(guò)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(kù)修改等)??梢远x不同級(jí)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)、管理提供可靠的保障。
■定值設(shè)置
用于修改高溫定值、超溫定值。
■WEB(可選)
展示頁(yè)面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測(cè)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。頁(yè)顯示場(chǎng)站的變壓器數(shù)量、回路個(gè)數(shù)、有功功率、無(wú)功功率、用電量、事件記錄等概況信息,可通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線可監(jiān)測(cè)各個(gè)回路的測(cè)點(diǎn)溫度、電壓、電流、功率曲線信息。
接線圖頁(yè)面通過(guò)一次圖實(shí)時(shí)反映電氣參數(shù)變化,包括測(cè)量量、信號(hào)量等信息(信號(hào)量 需要斷路器提供輔助觸點(diǎn)支持)。
能耗統(tǒng)計(jì)頁(yè)面顯示各回路的功率峰值和用電量峰值,功率、電能趨勢(shì)曲線,電能環(huán)比,用電。
運(yùn)維管理\通信狀態(tài)顯示監(jiān)測(cè)接入系統(tǒng)設(shè)備的通信狀態(tài)。
■手機(jī)APP(可選)
設(shè)備數(shù)據(jù)員面顯示各設(shè)備的電參量數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)以及曲線。
4.3 安科瑞ARTM系列無(wú)線測(cè)溫終端產(chǎn)品選型
安科瑞電氣接點(diǎn)無(wú)線測(cè)溫方案由無(wú)線溫度傳感器、收發(fā)器、顯示單元組成。溫度傳感器直接安裝于斷路器動(dòng)觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發(fā)熱接點(diǎn),將測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線射頻技術(shù)傳至接收裝置,再由接收器485通訊至測(cè)溫終端或無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)(如圖5)。
4.3.1 安科瑞無(wú)線溫度傳感器
無(wú)線溫度傳感器共有5種,分別對(duì)應(yīng)螺栓固定、表帶固定、扎帶捆綁、合金片固定等安裝方式。針對(duì)不同的變電站要求,可根據(jù)傳感器供電方式以及安裝位置的不同,考慮安裝方便的因素,選擇相匹配的傳感器。
4.3.2 安科瑞無(wú)線收發(fā)器
無(wú)線測(cè)溫收發(fā)器共有3種,通過(guò)無(wú)線射頻方式接收溫度數(shù)據(jù)。收發(fā)器根據(jù)不同的傳感器型號(hào)進(jìn)行匹配,同時(shí)傳感器的傳輸距離決定接收裝置能否多柜接收。
4.3.3 安科瑞顯示終端
顯示裝置通過(guò)RS485連接收發(fā)器,可嵌入式安裝于柜體上,若柜體開(kāi)孔不便,也可選擇壁掛式安裝于配電室內(nèi)。方便操作人員現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)查看電氣節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度的同時(shí),也可以通過(guò)RS485或以太網(wǎng)通訊的方式在后臺(tái)系統(tǒng)查看現(xiàn)場(chǎng)情況。
5 結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)過(guò)初步調(diào)試運(yùn)行,本文設(shè)計(jì)的環(huán)網(wǎng)柜電纜頭溫度在線監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)可靠,測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)傳輸、誤差值滿足使用要求,達(dá)到了所需功能。實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)網(wǎng)柜電纜頭溫度的在線監(jiān)測(cè),能夠進(jìn)行大規(guī)模的工程應(yīng)用推廣,具有一定價(jià)值和實(shí)用意義。且隨著微控制器與傳感技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,使用的溫度在線監(jiān)測(cè)方案會(huì)越發(fā)簡(jiǎn)單,測(cè)量也會(huì)加準(zhǔn)確。
【參考文獻(xiàn)】
[1]陳紅友,王曉冬.基于單片機(jī)的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2017(4):112-113.
[2]秦?zé)?譚競(jìng),王永清,王梓健,孫淼.10KV環(huán)網(wǎng)柜電纜接頭溫度在線監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì).
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06版.