摘 要

     針對小區(qū)內(nèi)密集型母線槽與插接箱相連接的觸點位置容易發(fā)生老化而導致老化部位異常升溫的問題，設計了一種非接觸式密集型母線槽測溫系統(tǒng)。通過非接觸式紅外測溫模塊進行母線溫度的采集，再由4G數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)上傳至服務器，并在客戶端中的可視化界面進行溫度監(jiān)測預警、設備管理等操作。經(jīng)過實際使用檢驗，該系統(tǒng)能對整個小區(qū)內(nèi)各位置的插接箱進行溫度監(jiān)測，并能遠程進行監(jiān)控管理，具有實用性和拓展性。

關鍵詞 ：密集型母線槽 ；紅外測溫系統(tǒng) ；實時監(jiān)控 ；4G 數(shù)據(jù)傳輸

0 引言

       在密集型母線槽系統(tǒng)中，密集型母線槽通過母排與插接箱后板上的金屬彈片進行插接而相連，由于安裝環(huán)境狹窄，安裝過程不易把控，很難保證接觸良好，容易使插接點接觸電阻過大。再加上長時間大電流運行以及空氣的氧化等多種因素的影響，插接點母線易發(fā)生老化，使得接觸電阻繼續(xù)變大。該處電流的熱效應變大，從而導致母線溫度的升高。母線溫度超過了一定閾值時，將會對電力系統(tǒng)設備造成危害，甚至發(fā)生火災。在某樓盤的施工、運維和廠家現(xiàn)場測試中，47個插接箱有6個點的接觸電阻達到毫歐級，高的達到數(shù)十毫歐級。按照接觸電阻為10 mΩ，通過電流為250 A來計算，接觸點的發(fā)熱功率 P =I 2 R =250 A×250 A×10 mΩ=625W，相當于一臺家用電熱器的功率，可見一旦接觸電阻過大將導致溫度迅速上升。因此對母線溫度的實時監(jiān)測預警是十分有必要的。

       插接箱數(shù)量多，且處在一種高壓、大電流的環(huán)境中，采用人工去定期檢查的方法具有工作量巨大、危險性高以及不全面性，同時也不具備實時性。 目前大多采用溫度傳感器測量母線溫度以及通過各種通信設備將溫度數(shù)據(jù)匯總傳輸?shù)娇蛻舳说姆桨竵韺崿F(xiàn)對母線的實時測溫[5]。

1 整體設計方案

本文介紹一種非接觸式密集型母線槽測溫系統(tǒng)，測溫系統(tǒng)結(jié)構框圖如圖1所示。

在插接箱中每根母線上方各放置一個MLX90614紅外測溫傳感器模塊，每個測溫模塊將測得的溫度數(shù)據(jù)通過I2 C總線發(fā)送給MCU，MCU將接收到的溫度數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)送給 4G 數(shù)據(jù)傳輸模塊，4G 數(shù)據(jù)傳輸模塊將收到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到云端服務器，每個插接箱中放置這樣一個負責監(jiān)測和發(fā)送數(shù)據(jù)的部分系統(tǒng)，若干個這樣的部分系統(tǒng)連接在云端服務器上就組成以云端服務器為中心節(jié)點、插接箱內(nèi)部分系統(tǒng)為子節(jié)點的星形網(wǎng)絡結(jié)構。云端服務器負責將接收到的所有溫度信息展現(xiàn)在客戶端，在客戶端進行母線溫度的實時監(jiān)測及預警，形成了插接箱溫度的采集、傳輸、可視化監(jiān)控的測溫系統(tǒng)。從插接箱火線與零線之間取電作為輸入電壓，由電源模塊降壓處理得到穩(wěn)定的輸出電壓為整個系統(tǒng)各個模塊進行供電。

2 硬件設計電路

     在每個插接箱中都存在一個終端測溫傳輸硬件系統(tǒng)，采用STM32F103x8作為主控芯片設計外圍電路。STM32F103x8內(nèi)核為32位高性能 ARM Cortex-M3處理器，時鐘頻率高達72 MHz，能夠以足夠高的頻率對各溫度數(shù)據(jù)進行采集。其還具有2個I2 C接口、5 個串口和S P I接口，有足夠的對外部設備進行相互通信的接口。STM32F103x8讀取各個測溫模塊的溫度值，進行比較處理，將處理好的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給4G數(shù)據(jù)傳輸模塊。

2.1 終端測溫傳輸硬件設計

     終端測溫傳輸硬件設計電路主要由降壓供電電路、紅外測溫部分電路、串口發(fā)送電路、時間電路、濾波和指示電路組成。

2.1.1 降壓供電電路

     降壓供電電路如圖 2 所示。從插接箱母線的火線和零線引出電壓連接到P2端子，串入保險絲保護電路，高電壓通過鐵芯變壓器( T1)和A P12N12芯片進行降壓，再經(jīng)過電容C 10、C 11 進行濾波，得到穩(wěn)定的 12 V 電壓為4G數(shù)據(jù)傳輸模塊提供工作電壓，12V電壓再經(jīng)過 A S M1117 芯片降壓以及 C 2、C 9 進行濾波，得到系統(tǒng)穩(wěn)定運行所需要的 3.3 V 電壓。

2.1.2 紅外測溫部分電路

文中所選用的測溫器件是MLX90614紅外測溫模塊。M L X90614 紅外測溫模塊采用標準的I2 C通信協(xié)議，其體積小、成本低，溫度測量范圍在-70 ～ 380℃之間，溫度測量誤差在±0.5 ℃(室溫下)，此系統(tǒng)非接觸式測溫的要求。每個插接箱內(nèi)的 4 個測溫模塊連接圖如圖3所示。

每個MLX90614紅外測溫模塊都通過SCL和SDA并聯(lián)在I2 C 總線上，其供電接口VSS 和 VDD并聯(lián)在電源線上，在每個模塊的VSS和VDD之間都接入了一個100nF的電容進行濾波，使模塊能夠穩(wěn)定的工作。將P12端子的1、2 引腳分別連接到3.3 V和GND，將 3、4 引腳分別連接到 STM32F103x8芯片的SCL和SDA引腳，STM32F103x8通過 I2 C協(xié)議向4個不同 I2 C 地址的MLX90614 紅外測溫模塊進行溫度數(shù)據(jù)的讀取。

2.1.3 串口發(fā)送電路

由于插接箱處在高電壓、大電流的環(huán)境中，STM32F103x8與4G數(shù)據(jù)傳輸模塊的信號傳輸容易受到電磁干擾。為實現(xiàn)STM32F103x8的TTL電平與4G數(shù)據(jù)傳輸模塊的RS -485 接口信號之間的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換，選用MAX3485芯片設計串口發(fā)送電路。 MAX3485是用于RS-485通信的3.3V低功耗收發(fā)器，每個器件中都具有一個驅(qū)動器和一個接收器，驅(qū)動器具有短路電流限制，并可以通過熱關斷電路將驅(qū)動器輸出置為高阻狀態(tài)，防止過度的功率損耗。接收器輸入具有失效保護特性，當輸入開路時，可以確保邏輯高電平輸出。S T M32F103x8 通過 M A X3485與4G數(shù)據(jù)傳輸模塊進行穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，端子P3的 1、2、3 接口分別與 4G 數(shù)據(jù)傳輸模塊的 A、B、 G N D 相連接，4、5 接口與4G數(shù)據(jù)傳輸模塊的電源接口相連接。串口發(fā)送電路如圖4所示。

2.1.4 時間電路

為了給系統(tǒng)提供準確的時間進行間隔 5 m i n 發(fā)送一次數(shù)據(jù)到客戶端，采用 D S1302 芯片設計時間電路，DS1302是一個實時時鐘芯片，可以提供秒、分、小時、日、月、年等信息，并且還有軟件自動調(diào)整的能力。其采用SPI通信為STM32F103x8提供準確的時間信息，時間電路圖如圖5所示。

2.1.5 濾波和指示電路

在3.3V 和GND之間并聯(lián)6個100nF電容C 3 ～ C 8 進行濾波平滑電壓。指示燈U6為電壓正常測試指示燈，指示燈U5為測試程序指示燈，為后期檢修、調(diào)試提供方便。濾波和指示電路原理圖如圖6所示。

2.2 USR-DR504(4G數(shù)據(jù)傳輸模塊)

由于各插接箱相距較遠，所在的樓層位置不同，造成了通信傳輸困難的問題。為了解決通信問題，采用了4G-DTU( 數(shù)據(jù)傳輸模塊 )，在有4G網(wǎng)的地方都能實現(xiàn)通信功能，不受地理位置和環(huán)境的限制。 USR-DR504 是一款導軌式4G-DTU，支持移動、聯(lián)通、電信4G網(wǎng)絡，以“透傳"作為功能核心，具有高度易用性，可實現(xiàn)STM32F103x8串口到網(wǎng)絡云端服務器的雙向數(shù)據(jù)透明傳輸，具有高速率、低延時的特點。設計中選擇其網(wǎng)絡透傳模式 (NET)，在此模式下，STM32F103x8可以通過串口連接USR-DR504發(fā)送溫度數(shù)據(jù)到的HTTP服務器，其數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 溫度采集、處理、發(fā)送軟件設計

系統(tǒng)溫度采集、處理、發(fā)送軟件設計流程圖如圖8所示。在系統(tǒng)上電后開始工作，然后對I2C通信、 實時時間、GPIO口等進行初始化，再通過I2C通信讀取各測溫模塊的溫度數(shù)據(jù)，一次讀取10組數(shù)據(jù)，將10組數(shù)據(jù)采用濾波算法處理，避免出現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)導致系統(tǒng)誤判，將濾波后的溫度數(shù)據(jù)與設置的溫度閾值進行比較。若溫度值高于設定的閾值，則立即向 4G 數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送預警信號以及對應測溫模塊的溫度數(shù)據(jù)，若溫度值低于設定的閾值，則判斷距離上次 4G 數(shù)據(jù)傳輸模塊正常發(fā)送溫度的時間是否已經(jīng)到達5min，若已到達則向4G數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送各個模塊測得的溫度數(shù)據(jù)，若未到達，則重新回到溫度數(shù)據(jù)讀取步驟。

3.2 客戶端軟件設計

系統(tǒng)設計了一個可視化的溫度監(jiān)測管理遠程客戶端，其對4G數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送到服務器的數(shù)據(jù)進行分類管理，主要功能包括數(shù)據(jù)大屏可視化、配置管理、日志記錄三大部分。數(shù)據(jù)大屏可視化的界面將各樓層位置和溫度數(shù)據(jù)可視化顯示，方便查看。 配置管理包括通信終端管理、監(jiān)測設備管理、溫度探頭管理、位置管理，方便在客戶端上對各插接箱內(nèi)溫度探頭和設備進行管理。日志記錄是指溫度監(jiān)控記錄以及管理者的操作記錄。

4 系統(tǒng)測試與分析

讓系統(tǒng)開始運行，在客戶端中查看一個插接箱在一天內(nèi)各個時間點的每個測溫模塊的溫度數(shù)據(jù)。收集到的數(shù)據(jù)繪制成溫度變化趨勢圖如圖9所示，在一天時間里均勻地取80個時間點的數(shù)據(jù)作為參考。由圖 9 可以看出，整個系統(tǒng)正常運行，能夠?qū)崟r監(jiān)測插接箱內(nèi)各母線的溫度。每一個探頭所測得的溫度大致都在2℃的范圍內(nèi)波動，這是因為測溫探頭所處在的插接箱中的環(huán)境類似于恒溫狀態(tài)，受外界溫度影響較小，這也為測溫系統(tǒng)提供了一個良好的測量環(huán)境，提高了溫度監(jiān)測的準確性。

5.4系統(tǒng)功能

測溫系統(tǒng)主機Acrel-2000T安裝于值班監(jiān)控室，可以遠程監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)所有開關設備運行溫度狀態(tài)。系統(tǒng)具有以下主要功能：

1）溫度顯示：顯示配電系統(tǒng)內(nèi)每個測溫點的實時值，也可實現(xiàn)電腦WEB/手機APP遠程查看數(shù)據(jù)。

2）溫度曲線：查看每個測溫點的溫度趨勢曲線。

3）運行報表：查詢及打印各測溫點時間的溫度數(shù)據(jù)。

4）實時告警：系統(tǒng)能夠?qū)Ω鳒y溫點異常溫度發(fā)出告警。系統(tǒng)具有實時語音報警功能，能夠?qū)λ惺录l(fā)出語音告警，告警方式有彈窗、語音告警等，還可以短信/APP推送告警消息，及時提醒值班人員。

5）歷史事件查詢：能夠溫度越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析等。

5.5系統(tǒng)硬件配置

溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由設備層的溫度傳感器和溫度采集/顯示單元，通訊層的邊緣計算網(wǎng)關以及站控層的測溫系統(tǒng)主機組成，實現(xiàn)變配電系統(tǒng)關鍵電氣部位的溫度在線監(jiān)測。

6安科瑞AMB300系列母線槽紅外測溫解決方案

安科瑞AMB300系列母線槽紅外測溫解決方案，這是一款非接觸式紅外測溫裝置，能夠解決母線槽溫升過高的問題，實時把連接器中每相溫度數(shù)據(jù)上傳后臺，提示管理人員應對報警點予以重視或采取必要的預防措施

此母線槽紅外測溫解決方案由人機HMI觸摸屏，紅外測溫模塊，紅外采集器，電源模塊組成。該系統(tǒng)通過RS485線與本地觸摸屏和后臺監(jiān)控進行通信（如下圖），系統(tǒng)設計遵循際標準Modbus-RTU傳輸規(guī)約，安全性、可靠性和開放性都得到了很大地提高。RS-485作為一種串行通信的接口具有傳輸距離長、速度較高、電平兼容性好、使用靈活方便、成本低廉和可靠度高等特點，與無線通信方式相比，具有價格低、抗共模干擾能力強等優(yōu)點。

AMB300紅外測溫組網(wǎng)示意圖

AMB300紅外測溫系統(tǒng)拓撲圖

AMB300紅外測溫原理示意圖

7 結(jié)語

本文設計了一套非接觸式密集型母線槽測溫系統(tǒng)，其用于對小區(qū)內(nèi)與密集型母線槽插接箱內(nèi)的各母線的溫度進行監(jiān)測和預警，并在遠程客戶端界面上實時管理以及監(jiān)控。系統(tǒng)的設計包含了硬件電路設計和客戶端軟件設計。使用非接觸的測溫模塊，提高了測溫系統(tǒng)的安全性、準確性，同時也不會影響電力系統(tǒng)的運行。采用 4G 數(shù)據(jù)傳輸模塊將溫度數(shù)據(jù)上傳到服務器，解決了安裝在不同位置的插接箱溫度數(shù)據(jù)的傳輸問題，避免去重新布線傳輸數(shù)據(jù)，并且沒有距離限制，便于隨時添加、更改設備。另外由于所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比較簡單，所以產(chǎn)生的流量費用在可接受范圍內(nèi)。在客戶端上開發(fā)的可視化軟件能夠快捷地查詢到所有的溫度數(shù)據(jù)，并且具有報警提示功能，能夠及時對溫度異常情況進行處理。目前該系統(tǒng)已經(jīng)投入小區(qū)實際使用，從客戶端顯示的數(shù)據(jù)來看，各母線溫度變化趨勢十分平穩(wěn)。實踐表明此系統(tǒng)是實用、可行的，能夠?qū)崿F(xiàn)設計的功能，并且還具有很大的可拓展性。

參考文獻

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