浅谈无线测温监测系统在高压开关柜的设计应用

【摘要】针对高压开关柜需要实时监测温度的需求，设计了一种无线测温系统.该系统采用STM32F103为主控芯片，利用nRF24L01无线模块和RS485通讯接口传输、接收和存储温度数据.测试结果表明，所设计系统较好地实现了温度的实时监测.

0引言

在电力系统中，高压开关柜将断路器、互感器及相关的控制电器、辅助设备等组合起来，封闭在金属柜内，对供电系统的电能进行接受和分配。然而，当电路中电流过大时，这种封闭式结构就会导致热量集结，温升加剧。若得不到有效散热，长期在此环境下运行，就会导致温升告警、跳闸停电等事故，造成电力系统经济损失，据统计，每年约有40%的电力事故是由开关设备温升异常造成的，因此，需要采取措施监测高压开关柜的温度。目前，常用的测温方法中人工红外测温具有局限性，示温蜡片不能及时跟踪温度。此外，开关柜内环境恶劣，测温系统需克服大电流、强磁场等环境干扰。针对现有测温手段的缺陷，设计了一种高压开关柜无线温度监测系统，该系统能够实现开关柜内温度实时在线监测，可以实现设备温升检测的实时性、有效性，能够及时发现温度异常部位，有效避免事故发生。

1系统概述

通常温度采集器安装在高压开关柜需要测温的节点部位，包括开断节点、母线触头及接点等，由6~12个温度采集器构成1个测量集群，每个测量集群采用功耗低、传输速率高的nRF24L01无线发射模块，将采集到的节点温度传输到仪表控制终端，通过RS485通讯接口上传到上位机.因此，高压开关柜无线测温系统主要包括温度采集模块和仪表控制终端两大部分，由温度传感器、nRF24L01无线通信、RS485通信等组成，系统结构如图1所示.温度传感器采集各测试点温度，通过无线发射模块nRF24L01将温度数据汇集，实时显示在仪表控制终端界面上.仪表控制终端采用STM32F103嵌入式芯片和RS485通信网络，对温度数据进行传输、接收和存储，同时具有设备自检功能，对超温数据发出警报。

安科瑞万鑫18202180327

2硬件设计

2.1温度测量模块

温度传感器采用DS18B20，测量温度范围从-20℃到120℃，通过主控制器将监测到的温度值传输到nRF24L01无线通信模块.DS18B20的接口电路如图2所示.这部分MCU的主要功能是温度采集和数据传输，数据量小，程序内容较简单，因此选择STM8L051F3P6单片机实现数据存储和传输控制。

2.2无线收发模块

目前，短距离无线通信技术主要有蓝牙、ZigBee、Wi-Fi、CC1101以及nRF24L01等。考虑到高压开关柜高压、大电流和强磁场等特殊的运行环境，以及控制模块低功耗、低成本、小型化等技术要求，无线模块采用Nordic公司的nRF24L01芯片进行设计。STM8单片机与nRF24L01无线模块接口电路如图3所示，二者之间通过SPI接口进行双向通信。

2.3仪表控制终端模块

控制终端电路采用STM32F103为核心进行设计，主要包括LCD显示、数据存储与报警、无线通信和RS485通信，如图1所示。显示模块采用2.8寸液晶显示屏，控制芯片为ILI9341，存储芯片采用AT24C64，选用带隔离的RS485通信芯片，能够有效增强设备的抗干扰能力，保证设备的稳定运行。

控制终端模块主要功能包括：

（1）12路无线温度显示；

报警温度限值设置；

记录*近12次很高温报警数据，所有数据均带有时标记录；

通讯地址和波特率设定功能；

设备具有自检和自动恢

复功能；

（6）数据通讯功能，通过数据总线将数据上传到上一级采集器或者上传到后台.

3软件设计

3.1温度采集与发送模块程序流程如图4所示：

（1）温度达到快速发送模式（报警温度-20℃）时，温度数据30s发送一次；

（2）温度没有达到快速发送模式时，30s进行一次温度采样，当温升超过5℃时，才将数据发送给仪表控制终端。

3.2控制终端模块

仪表控制端程序流程如图5所示.

无线模块接收到采集模块的温度数据，则进行温度显示，若温度达到设置的报警值，则记录过温时间，继电器动作报警；

控制终端接收到系统设置的报文，则对仪表端控制参数进行设置；

（3）若是接收到温度查询报文，则把温度值送到仪表控制终端

4测试结果

由于在系统设置界面中测温点数设置为12，因此，实时温度显示界面对应有12路温度输出.如图6（a）~（c）所示为系统仪表控制终端显示界面。此外，系统设置界面还可以对配对码、温度上下限、通信地址、波特率以及系统时间等进行设置。设置温度报警值为90℃，若实时温度值超过这一温度上限时，将在事件记录界面记录此次事件发生的时间、温度值以及持续时间。事件记录界面共有4页，可以记录12次报警事件，图6（c）显示的是其中的第1页。

5安科瑞温度在线监测系统解决方案

5.1概述

电气接点在线测温装置适用于高低压开关柜内电缆接头、断路器触头、刀闸开关、高压电缆中间头、干式变压器、低压大电流等设备的温度监测，防止在运行过程中因氧化、松动、灰尘等因素造成接点接触电阻过大而发热成为安全隐患，提高设备安全保障，及时、持续、准确反映设备运行状态，降低设备事故率。

Acrel-2000T无线测温监控系统通过RS485总线或以太网与间隔层的设备直接进行通讯，系统设计遵循国际标准Modbus-RTU、Modbus-TCP等传输规约，安全性、可靠性和开放性都得到了较大地提高。该系统具有遥信、遥测、遥控、遥调、遥设、事件报警、曲线、棒图、报表和用户管理功能，可以监控无线测温系统的设备运行状况，实现快速报警响应，预防严重故障发生。

5.2应用场所

适合在泛在电力物联网、钢厂、化工、水泥、数据中心、医院、机场、电厂、煤矿等厂矿企业、变配电所等电力设备的温度监测。

5.3系统结构

温度在线监测系统结构图

5.4系统功能

测温系统主机Acrel-2000T安装于值班监控室，可以远程监视系统内所有开关设备运行温度状态。系统具有以下主要功能：

温度显示：显示配电系统内每个测温点的实时值，也可实现电脑WEB/手机APP远程查看数据。

温度曲线：查看每个测温点的温度趋势曲线。

运行报表：查询及打印各测温点指定时间的温度数据。

实时告警：系统能够对各测温点异常温度发出告警。系统具有实时语音报警功能，能够对所有事件发出语音告警，告警方式有弹窗、语音告警等，还可以短信/APP推送告警消息，及时提醒值班人员。

历史事件查询：能够温度越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析等。

5.5系统硬件配置

温度在线监测系统主要由设备层的温度传感器和温度采集/显示单元，通讯层的边缘计算网关以及站控层的测温系统主机组成，实现变配电系统关键电气部位的温度在线监测。

6结论

系统采用STM32F103作为控制核心，无线模块采用nRF24L01芯片，利用RS485接口的MODBUSRTU协议在主机和终端设备之间通讯。实验结果表明，该系统能够实时检测12路温度数据，能够对报警温度限值、通讯地址和波特率等参数进行设置，对于*近12次很高温报警数据，能够显示并带有时标记录。测试结果验证了该系统的可行性，提高了开关柜设备运行的安全性和可靠性。