CN101598605A - 电缆头温度在线监测系统 - Google Patents

Abstract

电缆头温度在线监测系统，包括本地工作站，本地工作站通过485通信与CAN通讯主控站相连接，CAN通讯主控站与CAN总线相连接，CAN总线分别与多个数据集中器相连接，每个数据集中器分别与多个无线温度传感器相连接。本发明监测系统能对电缆沟和桥架内电缆中间头的温升进行实时监测，避免了因电缆中间头温度过高造成的电缆火灾事故。

Description

电缆头温度在线监测系统

技术领域

本发明属于输变电设备状态在线监测技术领域，涉及一种电缆头温度在线监测系统，该系统通过检测电缆头温度，时时了解电缆头的温度，即时报警，避免了因电缆头温度过高，甚至烧毁，造成的停电事故。

背景技术

电力企业中，电缆沟和桥架内常常密集铺设有几十根电缆，随着电力机组的增多，电缆沟和桥架内电缆的数量随之增大，发生故障的机率也相应增加。一旦由于电缆故障引起火灾，将导致电缆大面积烧损，机组被迫停机，给企业造成重大经济损失。通过对众多事故的分析发现，电缆火灾的发生多是由电缆中间头的发热故障引起。即制作电缆中间头时质量不高，如电缆压接头不紧，造成电缆连接处接触电阻过大，在系统长时间运行的情况下，电缆中间头发热过量，烧穿绝缘层，导致电缆火灾的发生。

发明内容

本发明的目的是提供一种电缆头温度在线监测系统，对电缆沟和桥架内电缆中间头的温升进行实时监测，避免因电缆中间头温度过高造成的电缆火灾事故。

本发明所采用的技术方案是，电缆头温度在线监测系统，包括本地工作站，本地工作站通过485通信与CAN通讯主控站相连接，CAN通讯主控站与CAN总线相连接，CAN总线分别与多个数据集中器相连接，每个数据集中器分别与多个无线温度传感器相连接。

本发明的特征还在于，

数据集中器的结构包括：依次连接的微控制器、ZigBee物理层收发芯片和天线，微控制器和ZigBee物理层收发芯片分别与电源模块相连接。

无线温度传感器的结构包括：依次相连接的温度传感器、微控制器、ZigBee物理层收发芯片和天线，微控制器和ZigBee物理层收发芯片分别与电源模块相连接。

微控制器采用MC9S08QG8。

ZigBee物理层收发芯片采用MC13192。

温度传感器采用一线式温度传感器DS18B20。

本发明监测系统具有以下优点：

1.采用ZigBee技术和具有缩减功能的ZigBee协议栈。

2.采用独特的抗干扰技术和高可靠性设计，使系统具有抗干扰能力强和可靠性高的特点，适应复杂环境的应用。

3.采用CAN总线通讯，满足电缆隧道距离狭长、电磁干扰强、实时性要求高的特殊场合，扩展灵活，基本免于维护。

4.系统设计向下兼容，后续更新换代产品可以可前期同系列产品无缝连接，方便系统升级。

5.配置大型LED显示器，进行数字显示，例如温湿度值、当前的时间。

6.采用模块化设计，可以方便的增加和删减各种功能，拓宽了产品的类型，起到给用户量身定做的作用。

附图说明

图1是本发明监测系统的结构示意图；

图2是本发明监测系统中数据集中器的结构示意图；

图3是本发明监测系统中无线温度传感器的结构示意图；

图4是本发明明监测系统中无线温度传感器的程序流程图；

图5是本发明监测系统中数据集中器的程序流程图。

图中，1.本地工作站，2.CAN通讯主控站，3.CAN总线，4.数据集中器，5.无线温度传感器，6.微控制器，7.电源模块，8.ZigBee物理层收发芯片，9.天线，10.温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明监测系统的结构，如图1所示，包括本地工作站1，本地工作站1通过485通信与CAN通讯主控站2相连接，CAN通讯主控站2与CAN总线3相连接，CAN总线3分别与多个数据集中器4相连接，每个数据集中器4分别与多个无线温度传感器5相连接。

本发明监测系统中数据集中器4的结构，如图2所示，包括依次连接的微控制器6、ZigBee物理层收发芯片8和天线9，微控制器6和ZigBee物理层收发芯片8分别与电源模块7相连接。

数据集中器4是一台ZigBee全功能设备，作为网络协调器，用于采集各温度监测节点的数据，并将采用的数据通过无线通信上传。

本发明监测系统中无线温度传感器5的结构，如图3所示，包括依次相连接的温度传感器10、微控制器6、ZigBee物理层收发芯片8和天线9，微控制器6和ZigBee物理层收发芯片8分别与电源模块7相连接。无线温度传感器5是一台ZigBee精简功能设备。

微控制器6采用Freescale的MC9S08QG8。

ZigBee物理层芯片收发芯片8采用Freescale的MC13192。

微控制器6和ZigBee物理层芯片收发芯片8构成无线模块。

电源模块7由感应线圈和整流滤波模块构成。感应线圈由铁芯和绕线制成，整个感应线圈被浇铸封装在环氧树脂内，再套在电缆上，在交变电流流过电缆时，产生电磁感应，感应线圈(相当于变压器)从一次电流回路取电(经检测，一次回路电流在40A～8000A范围内，该感应线圈均可稳定工作)，产生感应电流，该感应电流送入整流滤波模块，整流滤波模块对输入的电流进行整流滤波处理后，为微控制器6和ZigBee物理层收发芯片8供电，提供3.3V电压。

温度传感器10采用一线式温度传感器DS18B20，该温度传感器的温度测量范围为55～125℃，增量值为0.5℃。本身输出数字信号，无需外部信号放大电路和A/D转换器等。

无线温度传感器5中电源模块7中的整流滤波模块上接有一块DS18B20数字温度计，DS18B20数字温度计通过一根高压屏蔽线连在电源板上，DS18B20数字温度计提供9位温度读数，指示器件的温度。温度信息经过单线接口送入或送出DS18B20数字温度计，因此从微控制器6到DS18B20数字温度计仅需连接一条线(和地)。读、写和完成温度变换所需的电能可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。

电缆头运行在高电压、大电流的状态，且经常出现强烈的电磁暂态过程，产生强电场、磁场及强电磁，对微电子系统及微弱信号的处理产生不利影响。无线温度传感器5直接安装在电缆头上，因此将整个无线温度传感器5浇铸封装在环氧树脂内，固化后的环氧树脂体系是一种具有高介电性能、耐表面漏电和耐电弧的优良绝缘材料，起到很好的隔离作用，此外无线温度传感器5中的温度传感器10从浇铸封装好的环氧树脂中伸出直接固定在待测电缆头上，与测温点处于同一电位，减少电场的影响。为消除随机干扰，利用电缆头温度变化相对缓慢的特点，无线温度传感器5对检测点的温度信号反复接收，多次采集，排除异常数据以保证数据可靠，通过以上综合措施，整机有了较好的抗干扰能力，测量数据稳定可靠。

无线温度传感器5的电源模块7中还包括一个电可擦写可编程只读存储器AT24C02，用来存储无线温度传感器5的地址，方便反复多次擦写修改地址。具体修改地址的方法是每一路发射模块在上电前5s可以接受(这时不向外发送信息)手持编码器的信息，进行无线模块自身信息的修改(其在整个发射模块中的地址)。

无线模块采用缩减功能的ZigBee协议栈，其主要功能包括SPI接口读写操作、ZigBee芯片的初始化、数据发送、数据接收、CCA检测、PHY数据结构生成、MAC层数据结构生成等。该缩减功能的ZigBee协议栈可以组成星形网络，实现基本的数据传送功能。

MC13192芯片硬件本身具有碰撞避免策略，在接收模块的程序上采用了空闲信道能量评估策略，使得在一固定区域内不会发生误收或不收某分路无线温度传感器5发出信息的事故。

本系统只涉及单一的ZigBee网络，只需要一台网络协调器，因此不需要网络层，直接将应用层建立在MAC层上面。

无线温度传感器5的程序流程图，如图4所示，上电后首先进行信道扫描，寻找网络协调器，然后与协调器建立连接。连接成功后，即通过协调器发送的信标与协调器实现同步，开始按周期采集本采集点的温度值，并将测量值传送给协调器。

数据集中器4是ZigBee协调器，需要先开始工作，其程序流程图，如图5所示，上电后，首先初始化协议栈，然后进行能量检测，选择合适的信道，启动协调器；此后即可允许ZigBee设备与其连接，接收ZigBee设备传输的各节点的温度值，并将接收到的数据传输给本地工作站1。

现有电缆头温度在线监测系统中大多采用有线方式，在各点安放温度传感器。但在有些情况下，监测点较多，布线、维护困难，容易导致损坏；或者有时布线困难。相对于其它无线传输方式，ZigBee技术具有成本低、功耗小(两节五号电池即可实现达6个月到2年的使用时间)、可靠(采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突)、时延短(针对时延敏感的应用作了优化)、网络容量大(可支持多达65000个节点)、安全(ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加法算法采用通用的AES-128)、高保密性(64位出厂编号和支持AES-128加密)。

本发明监测系统的工作流程：

本监测系统为三层总线结构，上层为CAN总线，将本地工作站1的计算机与分布于电缆沟内的各数据集中器4连接起来。中层采用ZigBee网络，ZigBee网络中的无线温度传感器5(由无线模块和温度传感器10构成)将采集的温度信息发送给数据集中器4(即协调器)。下层为“1线总线”，将无线模块与分布其周围的温度传感器10连接起来。在整个系统中CAN通信主控站2是整套系统的核心，是连接智能数据集中器4和上位机的纽带，完成收集、处理、显示各个现场智能数据采集站采集的数据，并将这些数据打包后，通过远程通信的方式送到上位机，同时将上位机下达的控制命令分送至相关各现场智能数据集中器4。在“1线总线”中，无线模块作为主机，各温度传感器10作为从机。电缆头的温度由数字式温度传感器采集，以数字量的形式通过“1线总线”传递给无线模块，无线模块在通过ZigBee网络传递给数据集中器4，数据集中器4通过CAN总线将接收到的温度信息传递给本地工作站1的计算机上。最后由软件对数据进行分析、存储、显示和报警。

整个专家软件管理平台运行在中心计算机上，其兼容多种操作系统，并可完成各汇聚节点数据的收集、存储、查询和报表输出，方便地支持用户二次开发。上位机将CAN通讯主控站2送来的数据进行实时显示，同时生成数据库。上位机具备强大的数据和图形处理功能，能生成各个监测点的温度历史趋势图以及用户需要的各类图形和统计报表。操作人员能十分方便地完成历史曲线查询和故障追忆，进行报表打印和远程控制操作，同时具有大型LED彩色显示屏的接口及与企业网络相连的接口。本系统还可以配备语音转换卡和自动拨号软件，自动完成电话报警呼叫等功能。

Claims (6)

1.电缆头温度在线监测系统，其特征在于，包括本地工作站(1)，本地工作站(1)通过485通信与CAN通讯主控站(2)相连接，CAN通讯主控站(2)与CAN总线(3)相连接，CAN总线(3)分别与多个数据集中器(4)相连接，每个数据集中器(4)分别与多个无线温度传感器(5)相连接。

2.按照权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述数据集中器(4)的结构包括：依次连接的微控制器(6)、ZigBee物理层收发芯片(8)和天线(9)，微控制器(6)和ZigBee物理层收发芯片(8)分别与电源模块(7)相连接。

3.按照权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述无线温度传感器(5)的结构包括：依次相连接的温度传感器(10)、微控制器(6)、ZigBee物理层收发芯片(8)和天线(9)，微控制器(6)和ZigBee物理层收发芯片(8)分别与电源模块(7)相连接。

4.按照权利要求2或3所述的监测系统，其特征在于，所述的微控制器(6)采用MC9S08QG8。

5.按照权利要求2或3所述的监测系统，其特征在于，所述的ZigBee物理层收发芯片(8)采用MC13192。

6.按照权利要求3所述的监测系统，其特征在于，所述的温度传感器(10)采用一线式温度传感器DS18B20。

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