摘 要

      針對小區內密集型母線(xiàn)槽與插接箱相連接的觸點(diǎn)位置容易發(fā)生老化而導致老化部位異常升溫的問(wèn)題，設計了一種非接觸式密集型母線(xiàn)槽測溫系統。通過(guò)非接觸式紅外測溫模塊進(jìn)行母線(xiàn)溫度的采集，再由4G數據傳輸模塊將數據上傳至服務(wù)器，并在客戶(hù)端中的可視化界面進(jìn)行溫度監測預警、設備管理等操作。經(jīng)過(guò)實(shí)際使用檢驗，該系統能對整個(gè)小區內各位置的插接箱進(jìn)行溫度監測，并能遠程進(jìn)行監控管理，具有實(shí)用性和拓展性。

關(guān)鍵詞 ：密集型母線(xiàn)槽 ；紅外測溫系統 ；實(shí)時(shí)監控 ；4G 數據傳輸 0 引言         在密集型母線(xiàn)槽系統中，密集型母線(xiàn)槽通過(guò)母排與插接箱后板上的金屬彈片進(jìn)行插接而相連，由于安裝環(huán)境狹窄，安裝過(guò)程不易把控，很難保證接觸良好，容易使插接點(diǎn)接觸電阻過(guò)大。再加上長(cháng)時(shí)間大電流運行以及空氣的氧化等多種因素的影響，插接點(diǎn)母線(xiàn)易發(fā)生老化，使得接觸電阻繼續變大。該處電流的熱效應變大，從而導致母線(xiàn)溫度的升高。母線(xiàn)溫度超過(guò)了一定閾值時(shí)，將會(huì )對電力系統設備造成危害，甚至發(fā)生火災。在某樓盤(pán)的施工、運維和廠(chǎng)家現場(chǎng)測試中，47個(gè)插接箱有6個(gè)點(diǎn)的接觸電阻達到毫歐級，高的達到數十毫歐級。按照接觸電阻為10 mΩ，通過(guò)電流為250 A來(lái)計算，接觸點(diǎn)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(jiàn)一旦接觸電阻過(guò)大將導致溫度迅速上升。因此對母線(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)監測預警是十分有必要的。         插接箱數量多，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(shí)也不具備實(shí)時(shí)性。 目前大多采用溫度傳感器測量母線(xiàn)溫度以及通過(guò)各種通信設備將溫度數據匯總傳輸到客戶(hù)端的方案來(lái)實(shí)現對母線(xiàn)的實(shí)時(shí)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(xiàn)槽測溫系統，測溫系統結構框圖如圖1所示。       在插接箱中每根母線(xiàn)上方各放置一個(gè)MLX90614紅外測溫傳感器模塊，每個(gè)測溫模塊將測得的溫度數據通過(guò)I2 C總線(xiàn)發(fā)送給MCU，MCU將接收到的溫度數據進(jìn)行處理后發(fā)送給 4G 數據傳輸模塊，4G 數據傳輸模塊將收到的溫度數據發(fā)送到云端服務(wù)器，每個(gè)插接箱中放置這樣一個(gè)負責監測和發(fā)送數據的部分系統，若干個(gè)這樣的部分系統連接在云端服務(wù)器上就組成以云端服務(wù)器為中心節點(diǎn)、插接箱內部分系統為子節點(diǎn)的星形網(wǎng)絡(luò )結構。云端服務(wù)器負責將接收到的所有溫度信息展現在客戶(hù)端，在客戶(hù)端進(jìn)行母線(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)監測及預警，形成了插接箱溫度的采集、傳輸、可視化監控的測溫系統。從插接箱火線(xiàn)與零線(xiàn)之間取電作為輸入電壓，由電源模塊降壓處理得到穩定的輸出電壓為整個(gè)系統各個(gè)模塊進(jìn)行供電。 
2 硬件設計電路       在每個(gè)插接箱中都存在一個(gè)終端測溫傳輸硬件系統，采用STM32F103x8作為主控芯片設計外圍電路。STM32F103x8內核為32位高性能 ARM Cortex-M3處理器，時(shí)鐘頻率高達72 MHz，能夠以足夠高的頻率對各溫度數據進(jìn)行采集。其還具有2個(gè)I2 C接口、5 個(gè)串口和S P I接口，有足夠的對外部設備進(jìn)行相互通信的接口。STM32F103x8讀取各個(gè)測溫模塊的溫度值，進(jìn)行比較處理，將處理好的溫度數據發(fā)送給4G數據傳輸模塊。 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(shí)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(xiàn)的火線(xiàn)和零線(xiàn)引出電壓連接到P2端子，串入保險絲保護電路，高電壓通過(guò)鐵芯變壓器( T1)和A P12N12芯片進(jìn)行降壓，再經(jīng)過(guò)電容C 10、C 11 進(jìn)行濾波，得到穩定的 12 V 電壓為4G數據傳輸模塊提供工作電壓，12V電壓再經(jīng)過(guò) A S M1117 芯片降壓以及 C 2、C 9 進(jìn)行濾波，得到系統穩定運行所需要的 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)，此系統非接觸式測溫的要求。每個(gè)插接箱內的 4 個(gè)測溫模塊連接圖如圖3所示。      每個(gè)MLX90614紅外測溫模塊都通過(guò)SCL和SDA并聯(lián)在I2 C 總線(xiàn)上，其供電接口VSS 和 VDD并聯(lián)在電源線(xiàn)上，在每個(gè)模塊的VSS和VDD之間都接入了一個(gè)100nF的電容進(jìn)行濾波，使模塊能夠穩定的工作。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(guò) I2 C協(xié)議向4個(gè)不同 I2 C 地址的MLX90614 紅外測溫模塊進(jìn)行溫度數據的讀取。 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數據傳輸模塊的信號傳輸容易受到電磁干擾。為實(shí)現STM32F103x8的TTL電平與4G數據傳輸模塊的RS -485 接口信號之間的穩定轉換，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(gè)器件中都具有一個(gè)驅動(dòng)器和一個(gè)接收器，驅動(dòng)器具有短路電流限制，并可以通過(guò)熱關(guān)斷電路將驅動(dòng)器輸出置為高阻狀態(tài)，防止過(guò)度的功率損耗。接收器輸入具有失效保護特性，當輸入開(kāi)路時(shí)，可以確保邏輯高電平輸出。S T M32F103x8 通過(guò) M A X3485與4G數據傳輸模塊進(jìn)行穩定的數據傳輸，端子P3的 1、2、3 接口分別與 4G 數據傳輸模塊的 A、B、 G N D 相連接，4、5 接口與4G數據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(shí)間電路       為了給系統提供準確的時(shí)間進(jìn)行間隔 5 m i n 發(fā)送一次數據到客戶(hù)端，采用 D S1302 芯片設計時(shí)間電路，DS1302是一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，可以提供秒、分、小時(shí)、日、月、年等信息，并且還有軟件自動(dòng)調整的能力。其采用SPI通信為STM32F103x8提供準確的時(shí)間信息，時(shí)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(gè)100nF電容C 3 ～ C 8 進(jìn)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數據傳輸模塊)        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(wèn)題。為了解決通信問(wèn)題，采用了4G-DTU( 數據傳輸模塊 )，在有4G網(wǎng)的地方都能實(shí)現通信功能，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(dòng)、聯(lián)通、電信4G網(wǎng)絡(luò )，以“透傳"作為功能核心，具有高度易用性，可實(shí)現STM32F103x8串口到網(wǎng)絡(luò )云端服務(wù)器的雙向數據透明傳輸，具有高速率、低延時(shí)的特點(diǎn)。設計中選擇其網(wǎng)絡(luò )透傳模式 (NET)，在此模式下，STM32F103x8可以通過(guò)串口連接USR-DR504發(fā)送溫度數據到的HTTP服務(wù)器，其數據傳輸示意圖如圖7所示。3 系統軟件設計 3.1 溫度采集、處理、發(fā)送軟件設計       系統溫度采集、處理、發(fā)送軟件設計流程圖如圖8所示。在系統上電后開(kāi)始工作，然后對I2C通信、 實(shí)時(shí)時(shí)間、GPIO口等進(jìn)行初始化，再通過(guò)I2C通信讀取各測溫模塊的溫度數據，一次讀取10組數據，將10組數據采用濾波算法處理，避免出現錯誤數據導致系統誤判，將濾波后的溫度數據與設置的溫度閾值進(jìn)行比較。若溫度值高于設定的閾值，則立即向 4G 數據傳輸模塊發(fā)送預警信號以及對應測溫模塊的溫度數據，若溫度值低于設定的閾值，則判斷距離上次 4G 數據傳輸模塊正常發(fā)送溫度的時(shí)間是否已經(jīng)到達5min，若已到達則向4G數據傳輸模塊發(fā)送各個(gè)模塊測得的溫度數據，若未到達，則重新回到溫度數據讀取步驟。3.2 客戶(hù)端軟件設計       系統設計了一個(gè)可視化的溫度監測管理遠程客戶(hù)端，其對4G數據傳輸模塊發(fā)送到服務(wù)器的數據進(jìn)行分類(lèi)管理，主要功能包括數據大屏可視化、配置管理、日志記錄三大部分。數據大屏可視化的界面將各樓層位置和溫度數據可視化顯示，方便查看。 配置管理包括通信終端管理、監測設備管理、溫度探頭管理、位置管理，方便在客戶(hù)端上對各插接箱內溫度探頭和設備進(jìn)行管理。日志記錄是指溫度監控記錄以及管理者的操作記錄。  4 系統測試與分析       讓系統開(kāi)始運行，在客戶(hù)端中查看一個(gè)插接箱在一天內各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的每個(gè)測溫模塊的溫度數據。收集到的數據繪制成溫度變化趨勢圖如圖9所示，在一天時(shí)間里均勻地取80個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數據作為參考。由圖 9 可以看出，整個(gè)系統正常運行，能夠實(shí)時(shí)監測插接箱內各母線(xiàn)的溫度。每一個(gè)探頭所測得的溫度大致都在2℃的范圍內波動(dòng)，這是因為測溫探頭所處在的插接箱中的環(huán)境類(lèi)似于恒溫狀態(tài)，受外界溫度影響較小，這也為測溫系統提供了一個(gè)良好的測量環(huán)境，提高了溫度監測的準確性。 5安科瑞溫度在線(xiàn)監測系統解決方案5.1概述     電氣接點(diǎn)在線(xiàn)測溫裝置適用于高低壓開(kāi)關(guān)柜內電纜接頭、斷路器觸頭、刀閘開(kāi)關(guān)、高壓電纜中間頭、干式變壓器、低壓大電流等設備的溫度監測，防止在運行過(guò)程中因氧化、松動(dòng)、灰塵等因素造成接點(diǎn)接觸電阻過(guò)大而發(fā)熱成為安全隱患，提高設備安全保障，及時(shí)、持續、準確反映設備運行狀態(tài)，降低設備事故率。Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測溫監控系統通過(guò)RS485總線(xiàn)或以太網(wǎng)與間隔層的設備直接進(jìn)行通訊，系統設計遵循國際標準Modbus-RTU、Modbus-TCP等傳輸規約，安全性、可靠性和開(kāi)放性都得到了較大地提高。該系統具有遙信、遙測、遙控、遙調、遙設、事件報警、曲線(xiàn)、棒圖、報表和用戶(hù)管理功能，可以監控無(wú)線(xiàn)測溫系統的設備運行狀況，實(shí)現快速報警響應，預防嚴重故障發(fā)生。 5.2應用場(chǎng)所     適合在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)、鋼廠(chǎng)、化工、水泥、數據中心、醫院、機場(chǎng)、電廠(chǎng)、煤礦等廠(chǎng)礦企業(yè)、變配電所等電力設備的溫度監測。 5.3系統結構 5.4系統功能       測溫系統主機Acrel-2000T安裝于值班監控室，可以遠程監視系統內所有開(kāi)關(guān)設備運行溫度狀態(tài)。系統具有以下主要功能：1）溫度顯示：顯示配電系統內每個(gè)測溫點(diǎn)的實(shí)時(shí)值，也可實(shí)現電腦WEB/手機APP遠程查看數據。2）溫度曲線(xiàn)：查看每個(gè)測溫點(diǎn)的溫度趨勢曲線(xiàn)。3）運行報表：查詢(xún)及打印各測溫點(diǎn)時(shí)間的溫度數據。4）實(shí)時(shí)告警：系統能夠對各測溫點(diǎn)異常溫度發(fā)出告警。系統具有實(shí)時(shí)語(yǔ)音報警功能，能夠對所有事件發(fā)出語(yǔ)音告警，告警方式有彈窗、語(yǔ)音告警等，還可以短信/APP推送告警消息，及時(shí)提醒值班人員。 5）歷史事件查詢(xún)：能夠溫度越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析等。5.5系統硬件配置      溫度在線(xiàn)監測系統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(guān)以及站控層的測溫系統主機組成，實(shí)現變配電系統關(guān)鍵電氣部位的溫度在線(xiàn)監測。 6安科瑞AMB300系列母線(xiàn)槽紅外測溫解決方案      安科瑞AMB300系列母線(xiàn)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(xiàn)槽溫升過(guò)高的問(wèn)題，實(shí)時(shí)把連接器中每相溫度數據上傳后臺，提示管理人員應對報警點(diǎn)予以重視或采取必要的預防措施。      此母線(xiàn)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。該系統通過(guò)RS485線(xiàn)與本地觸摸屏和后臺監控進(jìn)行通信（如下圖），系統設計遵循際標準Modbus-RTU傳輸規約，安全性、可靠性和開(kāi)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(cháng)、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(diǎn)，與無(wú)線(xiàn)通信方式相比，具有價(jià)格低、抗共模力強等優(yōu)點(diǎn)。AMB300紅外測溫組網(wǎng)示意圖AMB300紅外測溫系統拓撲圖AMB300紅外測溫原理示意圖

安科瑞系統平臺界面

7 結語(yǔ) 

本文設計了一套非接觸式密集型母線(xiàn)槽測溫系統，其用于對小區內與密集型母線(xiàn)槽插接箱內的各母線(xiàn)的溫度進(jìn)行監測和預警，并在遠程客戶(hù)端界面上實(shí)時(shí)管理以及監控。系統的設計包含了硬件電路設計和客戶(hù)端軟件設計。使用非接觸的測溫模塊，提高了測溫系統的安全性、準確性，同時(shí)也不會(huì )影響電力系統的運行。采用 4G 數據傳輸模塊將溫度數據上傳到服務(wù)器，解決了安裝在不同位置的插接箱溫度數據的傳輸問(wèn)題，避免去重新布線(xiàn)傳輸數據，并且沒(méi)有距離限制，便于隨時(shí)添加、更改設備。另外由于所需傳輸的數據比較簡(jiǎn)單，所以產(chǎn)生的流量費用在可接受范圍內。在客戶(hù)端上開(kāi)發(fā)的可視化軟件能夠快捷地查詢(xún)到所有的溫度數據，并且具有報警提示功能，能夠及時(shí)對溫度異常情況進(jìn)行處理。目前該系統已經(jīng)投入小區實(shí)際使用，從客戶(hù)端顯示的數據來(lái)看，各母線(xiàn)溫度變化趨勢十分平穩。實(shí)踐表明此系統是實(shí)用、可行的，能夠實(shí)現設計的功能，并且還具有很大的可拓展性。

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【4】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022年05版.

作者簡(jiǎn)介 

韓歡慶，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事配電監測的研究與應用。