基于NB?IoT技术的高压开关温度监测系统

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　　摘  要： 针对电网中高压开关发热监测不及时、測量难度大的问题， 提出一种基于窄带物联网技术（NB?IoT）和输电线路感应取电技术，设计一种高压开关温度监测系统。系统通过输电线路感应取电方式为温度采集系统提供电源，采用低功耗微控制器STM32L151结合NB?IoT、云存储技术和LabVIEW虚拟仪器技术实现对高压开关工作温度的远程实时监测及其数据处理。实验测试结果表明，当有20 A电流流过输电线时，感应取电输出功率为0.257 W，而系统平均消耗功率为0.174 W，能满足长期稳定工作要求。系统温度监测误差平均值为0.32 ℃，温度数据能够在10 s内完成一次刷新，满足监测实时性要求。
　　关键词： 高压开关; 温度监测; NB?IoT; 感应取电; 在线监测; 系统测试
　　Abstract： As the high?voltage switch heat monitoring in the power grid is not timely and difficult， a high?voltage switch heat monitoring system based on narrow?band Internet of Things （NB?IoT） technology and power induction on power transmission line is designed. The system can provide power supply for the temperature acquisition system by means of the power induction on power transmission line. The low?power microcontroller STM32L151 combines with NB?IoT， cloud storage technology and LabVIEW virtual instrument technology to realize the remote real?time monitoring of the working temperature of the high?voltage switch and its data processing. The experimental testing results show that when a current of 20 A flows through the transmission line， the output power of the power induction is 0.257 W， and the average power consumption of the system is 0.174 W， which can meet the long?term stable working requirements. The average temperature error of the system temperature monitoring is 0.32 °C， and the temperature data can be refreshed within 10 seconds， which meets the real?time requirements of monitoring.
　　Keywords： high voltage switch; temperature monitoring; NB?IoT; power induction; on?line monitoring; system testing
　　0  引  言
　　高压开关是高压配电网中的重要设备，是保证电力供应系统正常稳定运行的重要部分，正常稳定运行的前提是及时发现并且排除故障，然而高压开关运行具有电压高、电流大、运行环境恶劣等特点，开关触头在接触不良时开关温度过高造成供电系统故障的情况时有发生[1]。因此，及时发现高压开关发热的缺陷极为重要[2?3]。目前多数变电站对高压开关的温度监测主要有感温蜡测温、红外测温和光纤测温等方法。感温蜡是一种可随温度变化而改变颜色的材料，通过观察它的颜色变化来大致确定温度范围，这种方法测量准确度低，可读性差，无法实现实时测量。红外测温需依靠人力采用红外测温仪监测，部分发达地区也采用机器人定期巡视测温，这种方法在0～200 ℃温度之间的测量误差小，准确度高，但是也不能做到对高压开关的实时监测[4]。光纤测温主要有光纤光栅温度传感器和光纤传输温度信号两种方式，具有耐高压、抗腐蚀、抗干扰等优点，但测量设备与高压开关需要通过光纤连接，安全性较低[5?6]。基于以上情况，文献[7?8]设计了一种基于ZigBee无线传感网技术的高压开关温度实时监测系统，其测量精度高，实时性好，但是ZigBee属于自组网系统，传输距离有限。文献[9?12]结合声表面波传感技术设计了一类高压开关柜温度监测系统，这类系统稳定可靠，监测端不需要增加额外的电源，方便安装，但是仍需要就近安装一系列自组网收集节点，当收集数据节点安装不恰当时，会导致数据丢失或误传。物联网及5G时代的到来使得各行各业迅速发展，在国家智能电网的建设中也得到了实质性的发展。
　　本文提出基于NB?IoT技术的高压开关温度监测系统，系统采用间接供电方式，通过输电线路感应取电为温度采集系统供电，储能锂电池使温度监测系统实现持续稳定工作。系统采用低功耗嵌入式芯片STM32L151作为温度采集系统的主控芯片，结合DS18B20温度传感器实现对高压开关的温度监测，通过NB?IoT通信模块采用窄带物联网通信技术将温度数据经过蜂窝网络上传至云服务器和后台数据处理平台，最后在LabVIEW监测平台实现对高压开关工作温度的远程实时监测。 　　1  系统总体设计
　　基于NB?IoT技术的高压开关温度监测系统主要包括温度数据采集、数据传输、数据处理三部分。由温度数据采集模块、数据传输终端模块、NB?IoT云平台和远程数据监测平台等功能部分构成，根据其实现的功能作用可以概括为感知层、传输层和应用层。温度监测系统组网如图1所示，采集终端采用NB?IoT通信技术通过移动蜂窝基站将采集到的温度数据发送至NB?IoT云平台，用户应用平台可以在远程获取温度数据进行下一步处理。
　　2  感知层硬件设计
　　高压开关温度监测系统的感知层由感应取电模块、储能电池模块和测温系统模块组成。温度监测系统的感知层硬件设计如图2所示，输电线路感应取电模块通过输电线获取电能并向储能电池充电，而测温系统通过储能电池获取电能能够持续工作。
　　图2中，测温系统采用STM32L151微控制器作为主控芯片，数据发送部分由NB?IoT模块BC95构成，测温的温度传感器为DS18B20。STM32L151是基于Cortex?M3内核的微控制器，其内置了128 KB的FLASH，16 KB的RAM， 具有JTAG接口，利于调试程序，3个USART可方便地与通信模块对接，并且支持时钟控制机制和四种超低功耗模式[13]。
　　DS18B20的通信接口为单总线， 既可通过串行口线，也可通过其他I/O口线与微机接口，无须经过其他变换电路，直接输出被测温度的9～12位二进制数字信号[14]。每片DS18B20内部的ROM都刻了惟一的64位编码，在多点测温系统中，可实现对各测温点的定位和识别;另外，DS18B20测量范围为-55～125 ℃，精度为±0.5 ℃，静态功耗<3 μA。由于DS18B20测量温度范围宽，测量精度高，并且其结构简单，使用方便灵活，体积非常小，非常适合在空间有限的高压开关柜内灵活布置。本文研发的无线测温实物如图3所示。
　　根据电磁感应原理，当交变电流流过输电线时，输电线周围产生交变的磁场，放置在输电线附近的互感装置输出同频交流电压，经过全桥整流、滤波、稳压电路变化后实现为后端的监测系统供电[15?16]。感应取电又分为直接供电方式和间接供电方式，这两种方式的区别在于取电系统中是否有储能电池。本设计采用间接供电感应方式，此方式可以为系统提供稳定的电源和较大的瞬时电流，即使在用电低谷期也能使温度监测系统正常工作。感应取电电源通过互感器装置从高压输电线中感应获取电能，一旦输电线路发生单相短路、两相短路等线路故障，或者遇到直击雷等产生巨大的冲击电流时，感应取电装置将输出非常大的电压值。充电电路和电源稳压电路如图4所示。充电电路采用国产芯片TPA4056，该芯片为专门为锂电池线性充电芯片，具有电池极性接反保护功能。稳压电路采用DC/DC稳压芯片完成电池到3.3 V的转换。该芯片性能优异，当输入电压低于3.3 V时，其主动变为升压模式，当输入电压高于3.3 V时，其主动变为降压模式。这种模式有利于充分利用锂电池的能源和系统持续稳定工作。
　　NB?IoT通信模组采用上海移远通信的BC95通信模组，BC95是一款高性能、低功耗的NB?IoT无线通信模块，紧凑的尺寸能最大限度地满足终端设备对小尺寸模块产品的需求，并且具有超低功耗和超高灵敏度的特点，与本文设计的测温系统所需要模块极大相符。BC95功能框架如图5所示，其主要阐述了模块射频部分、电源管理部分和外围接口部分的功能。
　　BC95模块通过串口通信方式与MCU通信，MCU可以通过AT指令控制NB?IoT模块BC95，实现NB?IoT的组网以及将系统所采集到的数据信息经过AT指令控制BC95通信模块实现数据的无线收发。
　　表1中AT指令是实现NB?IoT模块BC95组网以及无线收发功能流程的指令及其含义。
　　应用层数据解析处理流程如图6所示。系统启动时先进行NB?IoT的组网，完成组网后才能继续进行对高压开关的温度监测，在上传DS18B20所采集的数据之前设置一个数据终端判断，判断当前终端号和数据是否符合规定。系统具有闲时休眠的功能，设置一定时间休眠间隔使系统达到节能功能，因此每次上传数据时先进行休眠判断，若在休眠期内则进行休眠等待，休眠期结束后再进行上传。在完成数据上传后，将会收到上传成功信号，在未接收到成功信号时则重复上传，直到上传数据成功为止。
　　3  传输层数据通信协议
　　NB?IoT网络主要由用户终端设备、运营商基站、NB?IoT云平台和用户应用平台组成，用户通过安装在终端设备上的物联网网卡接入NB?IoT网络，并通过运营商基站进行数据信息的发送和接收。本系统的运输层协议为UDP，主要原因是要区别于TCP协议的“三次握手”建立连接和“四次挥手”释放连接的时延损耗，以实现数据收发的实时性。在应用层采用CoAP协议与传输层的UDP協议配套使用更是弥补了UDP通信协议数据传输不可靠的缺陷，实现数据的可靠传输。传输层通信数据协议如图7所示，本系统中主要是实现将感知层采集到的温度数据通过NB?IoT透传到云平台上，在用户应用平台上实现对高压开关工作温度的实时监测。表2为数据格式协议定义。
　　4  应用层软件设计
　　物联网应用层是物联网三层结构中的最顶层，它可以对感知层采集到的数据进行计算、处理和知识挖掘，从而实现对物理世界的实时控制、精确管理和科学决策。在本文中应用层设计主要实现对感知层温度采集系统采集到的温度数据进行处理、显示，进而实现对高压开关工作温度的实时监测和对高压开关设备的科学管理。本文应用层高压开关温度监测平台是在美国国家仪器（NI）公司的程序开发环境LabVIEW设计完成，LabVIEW具有强大的数据处理功能，可按需定制各种仪器，是开发测量和控制系统的理想选择。本设计温度监测平台主要实现对高压开关工作温度和工作状态的实时显示，温度监测平台界面如图8所示。如图9所示，亦可查询一段时间的历史数据。 　　温度监测平台具有通信参数配置、监测开关点位置显示、实时温度、实时温度曲线、实时报警和历史数据查询的功能。监测平台数据处理流程如图10所示。监测平台从NB?IoT云平台获取到数据，解析数据并判断设备号是否正确，如果正确，则进入归类处理和数据显示，同时判断是否需要进行门限报警。
　　5  数据测试与分析
　　5.1  电源供电测试
　　为了测试电源的取电能力和稳定性，在实验室搭建了实验测试平台。电子负载JT6348A吸收掉传输线的电能，而取电感应装置挂载在传输线上，将另一电子负载接在电源输出端，分别测量其输出电流和电压，当测试电流分别为10 A，20 A，30 A，40 A时，电源输出的电流和电压如表3所示。输出均为直流形式的电流和电压，通过功率计算公式可得流过输电线各个电流值的电源输出功率值。
　　在感知层硬件设计时，将硬件系统分为发送数据模式和休眠模式。发送数据模式时所有器件都工作，这时功耗最大;休眠模式时，单片机进入低功耗休眠模式，而NB?IoT模块BC95也进入休眠模式，此时只有单片机的定时器在工作。系统功耗可以用下列公式进行定义：
　　式中：T为工作时间;V为供电电压;[Iwork]和[Iidle]分别为工作电流和休眠电流，根据测试得[Iwork]和[Iidle]分别为0.1 A和0.005 A。因此，根据可计算得平均功耗为0.174 W，当电力线的电流达为20 A时，电源输出功率为0.257 W，只要有蓄电池存储能量，无论是用电高峰期还是低谷期，系统都能够保持长期稳定运行。
　　5.2  采集温度测试
　　在实验室中对设计的模块进行测温实验，首先将无线测温系统调试好，接着将温度传感器放置在标定的温度环境中模拟高压开关的测温过程，然后通过LabVIEW对读取到的温度数据进行分析，经过实验测试得到四个温度传感器的测温数据，分别如表4～表7所示，可得，误差算术平均值为0.32 ℃，相对误差约为0.18%。
　　6  结  论
　　本文提出一种基于NB?IoT技术的高压开关温度监测系统，该系统可以实现对高压开关的实时监测，有效减轻电力工人的工作难度和工作强度。系统采用当前流行的窄带物联网通信技术，具有低功耗、低成本、信号强、抗干扰、网络容量大等优点，采用间接供电的输电线感应取电技术实现了高压开关监测系统的真正无源工作，同时实现在复杂环境中的稳定工作。经实验测试，高压开关温度监测系统运行稳定，实现了高精度实时温度监测。
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