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淺談母線測溫監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計及研究應(yīng)用

更新時間：2020-10-13

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霍麗麗

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：針對母線在*工作中易出現(xiàn)溫升過高進而導致火災(zāi)的問題，設(shè)計了一種母線溫度監(jiān)測系統(tǒng)，其由溫度監(jiān)測終端和上位機數(shù)據(jù)中心組成。溫度監(jiān)測終端（ＰＴ１００型溫度傳感）實時采集母線溫度數(shù)據(jù)，并通過ＲＳ４８５有線和ＺｉｇＢｅｅ無線兩種通信方式上傳*位機。為提高溫度采集精度，硬件方面設(shè)計了溫度采集電路和采樣保持電路，軟件方面采用小二乘法分段線性擬合算法和均值濾波算法。經(jīng)試驗驗證測溫精度可達０．１ ℃，滿足系統(tǒng)要求。

關(guān)鍵詞：母線；ＰＴ１００溫度傳感器；小二乘；線性擬合；濾波

0 引言

隨著當今社會的發(fā)展和用電量的急劇上升，新型母線因方便、節(jié)能的優(yōu)點逐漸取代傳統(tǒng)電纜，成為發(fā)電廠、變電站高壓開關(guān)柜的重要設(shè)備。母線采用銅排緊壓的方式，要求散熱和絕緣性能更高，若母線觸點溫度過高，將會加速其絕緣老化，甚至可能引發(fā)火災(zāi)。因此供電系統(tǒng)中任意一個觸點發(fā)生熱故障，都將可能引發(fā)重大安全事故。為避免此類事故的發(fā)生，有必要建立母線溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)，觸點發(fā)生溫升過快時能夠迅速報警以便工作人員及時處理。

目前對母線溫度的監(jiān)測大多依賴人工手持紅外測溫儀或分布式光纖測溫，存在效率低、精度差、安裝困難、無法適應(yīng)母線復雜的應(yīng)用環(huán)境等問題。本文建立的母線溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，結(jié)合多種通信方式，將母線狀態(tài)信息直接傳輸至監(jiān)控中心，實現(xiàn)多點溫度遠程實時監(jiān)測，可應(yīng)用于廠房、小區(qū)、商場等多種場所。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

在母線溫度監(jiān)測系統(tǒng)中，單片機作為下位機負責數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集處理等，ＰＣ（ｐｅｒｓｏｎａｌｃｏｍｐｕｔｅｒ）機作為上位機負責數(shù)據(jù)的集中處理控制等。系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖１所示。具體過程為：采用ＰＴ１００型溫度傳感器直接測量母線溫度；測出的溫度數(shù)據(jù)通過Ｚｉｇｂｅｅ無線通信方式傳輸給集中器，在鋪設(shè)有專線時也可以采用ＲＳ４８５的通信方式上傳溫度信息以降低硬件成本；集中器將各個溫度檢測終端數(shù)據(jù)整理打包，并利用現(xiàn)有電力線通過電力載波方式發(fā)送給中繼器；安裝在監(jiān)控室監(jiān)控主機附近的中繼器再將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)端口上傳到監(jiān)控主機，從而逐級完成數(shù)據(jù)交換。ＰＣ機到單片機的數(shù)據(jù)傳輸過程也是如此，從而實現(xiàn)母線溫度的監(jiān)控與預警。

圖１系統(tǒng)架構(gòu)

2 硬件設(shè)計

使用單片機和Ｚｉｇｂｅｅ模塊完成智能母線溫度控制器的開發(fā)。Ｚｉｇｂｅｅ溫度監(jiān)測終端控制器方案如圖２所示。

圖２溫度監(jiān)測終端方案框圖

該終端直接從母線取電，避免了因供電不足而需定期更換電池的問題。終端通過ＰＴ１００型溫度傳感器探頭直接測量母線溫度，且運行時會根據(jù)上位機命令，通過ＲＳ４８５總線或Ｚｉｇｂｅｅ模塊發(fā)送監(jiān)測觸點的狀態(tài)。

2.1溫度傳感器

相對于價格昂貴且可能造成污染的光纖溫度傳感器，ＰＴ１００型鉑電阻更符合本文的需求。ＰＴ１００型鉑電阻廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，具有采集信號穩(wěn)定、精度高、測溫范圍廣、安裝方便等優(yōu)點［４］。其電阻將隨溫度的升高而增加，在０ ℃時電阻值為１００．０Ω，在１００ ℃時電阻值約為１３８．５Ω。ＰＴ１００型電阻的阻值與溫度ｔ的關(guān)系式如式（１）所示。

式中：Ｒｔ為溫度ｔ時的電阻值；Ｒ０為０ ℃時的電阻值；

ａ＝３．９０８３×１０－３ ℃－１；ｂ＝－５．７７５×１０－７ ℃－２；ｃ＝－４．１８３×１０－１２ ℃－４。

根據(jù)式（１）可知，ＰＴ１００型鉑電阻在０～６５０ ℃時與溫度呈非線性關(guān)系。非線性化關(guān)系將導致在實際應(yīng)用中標定溫度時精度大，調(diào)試步驟復雜，因此需對其作線性化處理。用兩點法直接進行線性化處理，如式（２）所示。

因此鉑電阻的非線性測溫δ為

在測量范圍為０～２００ ℃時，利用微積分計算可得，當ｔ＝９９．８ ℃ 時，大，此時δ＝０．７６ Ω，由ＰＴ１００熱電阻分度表可知其相當于鉑電阻２ ℃ 的變化量，即可知在０～２００ ℃時鉑電阻大非線性為±２ ℃。

實際應(yīng)用中還需要考慮鉑電阻出廠時存在差異等問題，實際可能更大。因此為減小此并提高精度，需要重新建立數(shù)學模型。

2.2溫度采集電路

鉑電阻的接線方式通常分為二線制、三線制和四線制。二線制無法消除引線電阻，測量精度差。三線制在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用，測量精度較高。四線制雖然測量精度更高，但電路復雜、造價高。因此本文采用三線制接線方式。

三線制一般配合電橋使用，溫度采集電路如圖３所示，由Ｒ１、Ｒ２、Ｒｔ和Ｒｓ組成電橋。其中，Ｒ１、Ｒ２、Ｒｓ、Ｒ４、Ｒ５為精密電阻，Ｒｔ為鉑電阻；ＶＣＣ為輸入電壓；ＧＮＤ為接地線；ＲＴＤ０＋、ＲＴＤ０－分別為傳感器正負接入端；Ｃ１為精密電容。當溫度變化時，鉑電阻阻值發(fā)生變化，通過電橋電路轉(zhuǎn)化成輸出電壓，再經(jīng)運算放大器ＬＭ　３５８和濾波電路接入ＡＤ轉(zhuǎn)換器，由ＡＤ轉(zhuǎn)換器將電壓信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。

圖３溫度采集電路

2.3采樣保持電路

由于鉑電阻的阻值變化很微小，輸出電壓在毫伏級別，因此電壓發(fā)生波動時會造成很大影響。為避免電路中的高頻干擾信號，以確保數(shù)據(jù)的精確性，采用采樣保持電路，如圖４所示。

圖４采樣保持電路

由圖４可知，電容Ｃ２與Ｃ３直接相連形成一個充放電回路，其中，電容Ｃ２放電，電容Ｃ３充電。如果采樣的時間不夠，Ｃ２和Ｃ３上的電壓都無法達到穩(wěn)定，這將造成Ｃ３的采樣電壓較大，導致整體電路精度下降。為盡量減小采樣時間不夠造成的，需增大Ｃ２的容值。因此，要求Ｃ２的容值遠大于Ｃ３，以保證電壓變化在精度允許范圍內(nèi)

3 算法設(shè)計

本系統(tǒng)測溫范圍為０～２００ ℃，鉑電阻的變化范圍為１００．００～１７５．８６Ω。電橋電路的輸出電壓公式如式（４）所示，分別將Ｒｓ＝１００Ω、Ｒｔ＝１７５．８６Ω代入式（４），得到Ｕ０＝０～２９３．２００�。埃恚�。ＡＤ的基準電壓為５�。埃埃埃恚�，而５�。埃埃� ｍＶ／２９３．２００　０ｍＶ≈１７倍，由ＰＴ１００熱電阻分度表可知，鉑電阻變化率平均為０．０３８５Ω／０．１ ℃，換算成電壓為０．１５９１ｍＶ／０．１ ℃，經(jīng)放大后為27mv/0.1℃而ＡＤ為１２位轉(zhuǎn)換器，由５０００ｍＶ／２１２ ≈１．２ｍＶ，因此理論上可以實現(xiàn)0.１℃的精度

式中：Ｕ０為輸出電壓，ｍＶ；Ｅ為采集電路輸入電壓，Ｖ；Ｒ１＝Ｒ２＝１0００Ω，Ｒｓ＝Ｒ０＝１００Ω。

3.1小二乘法

由式（４）可知，鉑電阻和輸出電壓成非線性關(guān) 系，曲線成上凸形式，而ＰＴ　１００電阻與溫度曲線也呈上凸趨勢，導致結(jié)果增大。如采用硬件修正，電路將變得復雜且難以控制。本文采用軟件修正建模。

數(shù)據(jù)建模一般分為插值和擬合兩種。插值方法需要嚴格遵守數(shù)據(jù)，無法在插值時通過增加節(jié)點約束來弱化數(shù)據(jù)波動而造成的差異，適合數(shù)據(jù)量較小的情形；擬合方法允許函數(shù)在數(shù)據(jù)節(jié)點有，但要求節(jié)點的總體上達到小化，適合數(shù)據(jù)量較大的情形。

由于當前模型數(shù)據(jù)量較大，為減小，直接將電壓和對應(yīng)溫度數(shù)據(jù)采用小二乘法進行擬合，已知ｘ１、ｘｎ以及ｙｉ＝ｆ（ｘｉ）（ｉ＝１，２，…，ｎ），由小二乘法求得ｆ（ｘ）的擬合直線φ ｘ（）＝ａ＋ｂｘ，具體計算如式（５）所示。根據(jù)式（５）通過Ｍａｔｌａｂ軟件編寫程序并進行計算。

由于模型的數(shù)據(jù)范圍較廣，如果直接進行大范圍擬合，會使得每段的擬合精度下降，為保證精度，需作分段處理。將０～２００ ℃分為０～５０ ℃、５０～１００ ℃、１００～１５０ ℃ 和１５０～２００ ℃。然后根據(jù)ＰＴ　１００型熱電阻分度表，分別得到每段的１０個不同溫度對應(yīng)的電阻值，代入式（４）得到電壓值，將輸出電壓和對應(yīng)溫度數(shù)據(jù)進行線性擬合，得出線性方程，然后就可以將其直接應(yīng)用到溫度求解算法中。這種方法既無須設(shè)計復雜的電路，也避免多次計算帶來的，同時保證了精度，提高了運算速度。

在０～５０℃區(qū)間內(nèi)，溫度與對應(yīng)電阻、輸出電壓的計算結(jié)果如表１所示。

表1 ０～５０ ℃區(qū)間內(nèi)溫度對應(yīng)電阻和輸出電壓

利用Ｍａｔｌａｂ軟件對以上溫度和對應(yīng)電壓值進行線性擬合，得到線性方程如式(6)所示。

利用式（６）計算出理想溫度并與實際溫度進行對比，得到如圖５所示。

圖５�。啊担啊娴膱D

由圖５可以看出，端點處溫度的大，約為０．１８℃。

根據(jù)此原理可同樣計算得到５０～１００℃、１００～１５０℃和１５０～２００ ℃的溫度和對應(yīng)電壓的線性方程，如式（7）所示。

3.2濾波算法

A/D轉(zhuǎn)換器會將電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，如果每次都只取新的采樣值，將無法過濾掉高頻信號的干擾，易于造成較大�；瑒訛V波均值法可有效過濾高頻信號，提高采樣精度。具體方法是：把連續(xù)取得的Ｎ個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為Ｎ，每次采樣到一個新數(shù)據(jù)放入隊尾，并扔掉原來隊首的一個數(shù)據(jù)，把隊列中的Ｎ個數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均運算，獲得新的濾波結(jié)果。濾波公式如式（8）所示

根據(jù)式（８）得到的濾波對比效果圖如圖６所示。

圖６　濾波對比效果圖

由圖６可以看出，經(jīng)濾波后來自高頻干擾信號的影響明顯減小，數(shù)據(jù)波動較濾波前更加穩(wěn)定。３．３　算法模型測試以０～１００℃為例，溫度終端算法流程圖如圖７所示。

圖７　溫度終端算法流程圖

溫度終端將采集到電壓值通過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換為數(shù) 字量，再經(jīng)濾波后得到輸出電壓值，代入式（６）和（７）得到溫度值。將測溫終端放入高低溫試驗箱內(nèi)進行測試，并將測試得到溫度數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果如表２所示。

表２　實際溫度與測試溫度對比

由表２可知，溫度大為０．５５ ℃，小為０．１４℃。為了避免ＰＴ１００型溫度傳感器出廠時可能存在系統(tǒng)，進一步保證系統(tǒng)的測量精度，有必要對溫度進行標定。根據(jù)表２出現(xiàn) 的，對每個溫度區(qū)間進行補償。溫度補償后實際溫度與測試溫度對比如表３所示。

表３　溫度補償后實際溫度與測試溫度對比

由表３可以看出，補償后的溫度在０．１ ℃以內(nèi)，*系統(tǒng)的要求。

4 軟件模塊

4.1下位機

下位機工作流程圖如圖８所示。下位機會采集實時溫度數(shù)據(jù)，當節(jié)點溫度超過閾值時，會通知上位機處理；當收到上位機查詢狀態(tài)和修改閾值等命令時，會根據(jù)命令進行相關(guān)操作。

圖８　下位機工作流程

4.2上位機

智能母線溫度監(jiān)測軟件主要通過Ｚｉｇｂｅｅ無線網(wǎng)絡(luò)或以太網(wǎng)兩種通信方式實現(xiàn)主機與溫度監(jiān)測模塊通信，智能母線監(jiān)測軟件架構(gòu)如圖９所示。在用戶模式下可以在線獲取母線各節(jié)點的溫度，并對數(shù) 據(jù)進行處理、分析和保存；管理員模式可以對各個節(jié) 點信息進行添加、刪除、編輯等。

圖９　智能母線溫度監(jiān)測軟件架構(gòu)

5 安科瑞無線測溫系統(tǒng)介紹與選型

安科瑞無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)當前無線測溫系統(tǒng)的要求，在廣泛征求用戶和專家意見的基礎(chǔ)上,充分吸收當前國內(nèi)外廠家的成功案例，并結(jié)合安科瑞多年來的豐富經(jīng)驗，采用面向?qū)ο蟮姆謱臃植际皆O(shè)計思想，結(jié)合自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)而設(shè)計的一款專業(yè)的無線測溫軟件。

5.1 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)通過RS485總線或以太網(wǎng)與間隔層的設(shè)備直接進行通信（如圖10），系統(tǒng)設(shè)計遵循標準Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規(guī)約，安全性、可靠性和開放性都得到了很大地提高。

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)具有遙信、遙測、遙控、遙調(diào)、遙設(shè)、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能。可以監(jiān)控無線測溫系統(tǒng)的設(shè)備運行狀況，實現(xiàn)快速報警響應(yīng)，預防嚴重故障發(fā)生。

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)主要特點是開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件兼容性強，軟件移植性好，應(yīng)用功能豐富。該系統(tǒng)具有強大的處理能力，快速的事件響應(yīng)，友好的人機界面，方便的擴充手段。其軟件系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)軟件工程的設(shè)計規(guī)范,模塊劃分合理，接口簡捷明了，主要包括主控模塊、人機界面、圖形組態(tài)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、通信管理等幾大模塊。

圖10 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5.2 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)功能

■實時監(jiān)測

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控軟件人機界面友好，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）

■運行報表

查詢各回路設(shè)備運行溫度報表.

■實時報警

壁掛式無線測溫監(jiān)控設(shè)備具有實時報警功能，設(shè)備能夠?qū)囟仍较薜仁录l(fā)出告警。

■設(shè)備提供以下凡種告警示式：

a.彈岀事件報驚窗口.

b.實時語音報警功能，能夠?qū)λ惺录l(fā)出語音告警.

C.短信吿警，可以向號碼發(fā)送吿警信息短信.

■歷史告警査詢

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ袇叹录涗涍M行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)和告警等事件進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

■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)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)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

■定值設(shè)置

用于修改高溫定值、超溫定值。

■WEB（可選）

展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(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。首頁顯示場站的變壓器數(shù)量、回路個數(shù)、有功功率、無功功率、用電量、事件記錄等概況信息，可通過實時監(jiān)控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。

實時數(shù)據(jù)曲線可監(jiān)測各個回路的測點溫度、電壓、電流、功率曲線信息。

接線圖頁面通過一次圖實時反映電氣參數(shù)變化，包括測量量、信號量等信息（信號量需要斷路器提供輔助觸點支持）。

能耗統(tǒng)計頁面顯示各回路的功率峰值和用電量峰值，功率、電能趨勢曲線，電能環(huán)比，用電排名。

運維管理\通信狀態(tài)顯示監(jiān)測接入系統(tǒng)設(shè)備的通信狀態(tài)。

■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。

5.3 安科瑞ARTM系列無線測溫終端產(chǎn)品選型

安科瑞電氣接點無線測溫方案由無線溫度傳感器、收發(fā)器、顯示單元組成。溫度傳感器直接安裝于斷路器動觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發(fā)熱接點，將測溫數(shù)據(jù)通過無線射頻技術(shù)傳至接收裝置，再由接收器485通訊至測溫終端或無線測溫系統(tǒng)（如圖11）。

圖11 電氣接點在線測溫結(jié)構(gòu)圖

5.3.1 安科瑞無線溫度傳感器

無線溫度傳感器共有5種，分別對應(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。

5.3.2 安科瑞無線收發(fā)器

無線測溫收發(fā)器共有3種，通過無線射頻方式接收溫度數(shù)據(jù)。收發(fā)器根據(jù)不同的傳感器型號進行匹配，同時傳感器的傳輸距離決定接收裝置能否多柜接收。

5.3.3 安科瑞顯示終端

顯示裝置通過RS485連接收發(fā)器，可嵌入式安裝于柜體上，若柜體開孔不便，也可選擇壁掛式安裝于配電室內(nèi)。方便操作人員現(xiàn)場及時查看電氣節(jié)點實時溫度的同時，也可以通過RS485或以太網(wǎng)通訊的方式在后臺系統(tǒng)查看現(xiàn)場情況。

6 結(jié)語

本文研發(fā)的智能母線監(jiān)測系統(tǒng)可有效提高母線的工作性能和可靠性。數(shù)據(jù)信息可通過多種傳輸方式逐級上傳到ＰＣ機，保證了信息的實時性和準確性，可有效解決電路設(shè)計復雜、母線槽內(nèi)布線困難、數(shù)據(jù)易受干擾等問題。針對溫度采集模塊，設(shè)計了電橋電路，且軟件中采用小二乘擬合法和均值濾波法，試驗測試結(jié)果表明有效提高了溫度采集模塊的精度。該系統(tǒng)可應(yīng)用于多個領(lǐng)域，具有較強的實用性。

【參考文獻】

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[2]張海洋，孫志軍，朱文龍，閆浩東.母線溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計及研究.

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2019.11版.

作者簡介：霍麗麗，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，