杨翠
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801
摘要：在日益增长的电力负荷需求下，为保证电力系统的配变电，需要对10 kV环网柜电缆接头的温度进行监测，解决因电缆接头温度过高而导致故障的问题。文中针对此问题，提出了基于单片机的利用非接触式传感器对电缆接头进行温度在线监测的方法。在设计中，该方案具体使用红外摄像头与超声波模组，还使用电压电流测量模组进行辅助测量。根据相关函数关系由所得数据推算出接头温度数据，将温度数据进行处理。与实际测试数据结果进行对比发现，该系统温度监测准确，测量误差始终＜0.5℃，可实现对电缆接头及其周边线路较为准确的温度监测。
关键词：电缆接头；温度；红外摄像头；超声波模组；电压电流
0 引言
随着科技的发展，电气技术应用泛滥，电能已成为目前较为清洁环保的能源之一，被大面积应用。但随着经济的快速发展，电能需求在不断提高，用户负荷不断扩大，电网系统供电要求的可靠性压力随之增加，因此也带来一些新的问题。
根据资料文献得知，电气系统常出现电气线路里的一些高压接头与一些触点在正常工作时温升过高的现象，从而加速设备的老化。同时，也会因为长时间的高温导致一些电缆接头失效而引发故障。在电网中，10 kV环网柜作为小区域电网配电变电的核心设备部分，其运行对于电网有较大的意义，尤其在环网柜电缆接头位置，易由于高温出现问题。故基于此情况，本文提出了一种10 kV环网柜电缆接头温度在线监测的方案设计，以此来减少或者防止此类情况的发生。
1 网柜接头温度监测方案原理设计
1.1 检测原理和要求
在设计时，对于 10 kV 环网柜电缆接头温度的在线监测而言，设计方案应当可以满足对多个电缆接头进行实施的温度检测，且还可以将这些温度的数据值传输回主站或者操作间的系统进行显示，并由相关工作人员进行查看，将其存储分析。
环网柜电缆接头的温度值监测其原理是依靠温度传感器测量得到的值与当前温度存在一定的线性函数关系，对监测值进行多元线性回归分析并拟合曲线，得到温度的函数公式。同时根据系数计算出温度值，将其送入微控制器进行数据处理。
1.2 总体方案设计
整体架构的原理图，如图 1 所示。本次方案设计考虑到现场情况与实际问题，且在监测时不能损伤电缆接头或者是需要连接过多线路，这样均会对测量及系统产生影响。
在本次设计中采用非接触式温度测量方法。在测量中，使用超声波声波测量与红外成像摄像头作为传感器在线温度测量。同时，通过不同温度下测得的线路电压与线路电流大小，对当前线路设备的温度进行辅助判断。首先通过传感器采集温度模拟量，再根据传感器内部信号调理电路输出数字量。然后由微控制器对信号进行处理，使用微控制器将信号传输至工作人员电脑的上位机中进行查看，由工作人员判断保存并对数据进行查看。
上位机与微控制器之间采用串口通信进行数据传输。本方案微控制器采用STC89C51单片机，其内部有较多存储机构，可将信号值存储进自己的128 kB RAM中。再由微控制器通过控制网络对电路内的传感器、控制器件继电器或是接触器做出故障切除操作，完成远程控制操作。同时，微控制器会触发报警电路，从而达到温度监测的效果。
2 接头电缆头温度在线监测各组件设计
2.1超声波声波测量模组
本次设计采用HC-SR04超声波模组，该超声波模组是通过声波的传递时间和速度来监测线路上一些器件的指标，如环网柜的10 kV电缆接头温度，其工作机理如图2所示
2.2红外摄像头成像模组
此设计采用OV7725摄像头模组，该摄像头显示模组主要是对电缆接头温度进行实时监测或者人工判断。因为存储图像需要用到摄像头模块，其可通过红外成像拍照和视频的方式对电缆接头温度进行检测判断。
对于该模块的使用主要是根据时序图进行编程，处理好时钟脉冲与其他数据信号的关系。设计中首先存储图像数据；其次读取图像数据。本次设计中使用的是OV7725摄像头模块，在设置时代码先初始化OV7725相关的IO口（包括SCCB_Init），按照厂家提供参考配置序列配置多个OV7725寄存器，完成寄存器值的初始化即可。
2.3电压电流传感器检测模组
本设计采用PT，CT电压电流测量模组。该电压模块需要并联到被测线路中，电流模块串联进被测线路内。检测方式为PT和CT电压电流一二次侧传感监测。
在进行电压和电流的采集后，需通过一些由运放组成的信号调理电路去对电压与电流信号进行调理，运放芯片可以采用成本较为低廉的 LM358。其电压电流信号的采样电路主要是通过 LM358放大器搭建的比例积分电路实现。设计中对电流信号进行压流转换，易于采集。
在运放调理后的电压电流信号输出到微控制器ADC上识别采集。由于微控制器的ADC上限采集电压为3.3 V，所以在模拟采样电路输出口加一组反并联二极管，防止系统异常时采样电路输出点电压过高而损坏微控制器。电流采样则是将电流霍尔传感器输出的电流信号经采样电阻转换为电压信号后，在通过电压跟随电路与滤波电路调理后送入微控制器的ADC模块。
2.4接触器切除模组
本次设计采用的执行结构是开关接头常用的接触器模组[15-16]。该执行机构通过电路内的接触器，如当监测到环网柜的电缆接头温度过高时，就需要切除相关的线路并进行检修或更换；或者先直接切除环网柜电缆接头的两段线路，将电缆接头独立出来，防止给整个电网带来危害。
在控制过程中需要通过驱动给接触器中的控制线圈高电平控制时，控制线圈产生电磁力，使得接触线圈内部控制电磁铁被吸合，带动接触器的投切触头进行闭合，电路接通；相反则会使接触线圈内部控制的电磁铁被松开。在控制中，微控制器判断故障后便可通过控制网络输出信号给IO口，使其控制接触器的端口电平有高低的变化，进行电路的关断控制。
3 系统实现与测试分析
本系统实现主要是从电缆接头温度测量背景、测量方案、具体方案实施选型与设计等3个方面对10 kV电缆接头的在线温度监测装置进行了设计。针对当前环网柜电缆头温度在线监测的问题，综合使用了3种测温方法，并根据线监测装置的结构组成完成了温度采集传输、控制以及电源供电与执行模块等的设计。制作完成了环网柜电缆头温度在线监测装置。与传统设计相比，温度测量误差＜0.5oC，测量较准确。且综合使用3种测量方法，使
得系统可靠性较高。
在线下实际测试中，如表1和图9所示。根据在线测量结果与实际测量相比较，经分析，在外部环境温度变化的情况下，通过表1的数据可以发现，其监测温度存在误差。但是误差始终＜0.5oC，上限误差为0.3oC，在实际现场使用完全可以满足精度要求。由图9可以发现，在实施中（环网柜接头测量温度恒定为50oC），环境温度变化范围高达25oC。但测量精度不受影响，是一条恒定直线，误差上下限仅相差0.1oC，因此完全可靠使用。
4 安科瑞无线测温系统介绍与选型
安科瑞无线测温监控系统是根据当前无线测温系统的要求，在广泛征求用户和家意见的基础上,充分吸收当前国内外厂家的成功案例，并结合安科瑞多年来的丰富经验，采用面向对象的分层分布式设计思想，结合自动化技术、计算机技术、网络技术、通信技术而设计的一款无线测温软件。
4.1 Acrel-2000T无线测温系统结构
Acrel-2000T无线测温监控系统通过RS485总线或以太网与间隔层的设备直接进行通信（如图4），系统设计遵循国际标准Modbus-RTU, Modbus TCP等传输规约，可靠性和开放性都得到了很大地提高。
Acrel-2000T无线测温监控系统具有遥信、遥测、遥控、遥调、遥设、事件报警、曲线、棒图、报表和用户管理功能。可以监控无线测温系统的设备运行状况，实现快速报警响应，预防严重故障发生。
Acrel-2000T无线测温监控系统主要特点是开放式系统结构，硬件兼容性强，软件移植性好，应用功能丰富。该系统具有强大的处理能力，快速的事件响应，友好的人机界面，方便的扩充手段。其软件系统的设计依据软件工程的设计规范,模块划分合理，接口简捷明了，主要包括主控模块、人机界面、图形组态、数据库管理系统、通信管理等几大模块。
4.2 Acrel-2000T无线测温系统功能
■实时监测
Acrel-2000T无线测温监控软件人机界面友好，能够以配电一次图的形式直观显示各测温节点的温度数据及有关故障、告警等信息
■温度查询
温度历史曲线（1分钟、5分钟、60分钟可选）
■运行报表
查询各回路设备运行溫度报表.
■实时报警
壁挂式无线测温监控设备具有实时报警功能，设备能够对温度越限等事件发出告警。
■设备提供以下凡种告警方式：
a.弹岀事件报驚窗口.
b.实时语音报警功能，能够对所有事件发出语音告警.
C.短信吿警，可以向指定手机号码发送吿警信息短信（需选配短信猫）.
■历史告警査询
Acrel-2000T无线测温监控系统能够对所有吿警事件记录进行存储和管理，方便用户对系统和告警等事件进行历史追溯，查询统计、事故分析。
■用户权限管理
Acrel-2000T无线测温监控系统为保障系统稳定运行，设置了用户权限管理功能。
通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如数据库修改等）。可以定义不同级别用户的 登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的保障。
■定值设置
用于修改高温定值、超温定值。
■WEB（可选）
展示页面显示变电站数量、变压器数量、监测点位数量等概况信息， 设备温度、通信状态，用电分析和事件记录。首页显示场站的变压器数量、回路个数、有功功率、无功功率、用电量、事件记录等概况信息，可通过实时监控、变压器、通信模块切换到需要查看的界面。
实时数据曲线可监测各个回路的测点温度、电压、电流、功率曲线信息。
接线图页面通过一次图实时反映电气参数变化，包括测量量、信号量等信息（信号量 需要断路器提供辅助触点支持）。
能耗统计页面显示各回路的功率峰值和用电量峰值，功率、电能趋势曲线，电能环比，用电排名。
运维管理\通信状态显示监测接入系统设备的通信状态。
■手机APP（可选）
设备数据员面显示各设备的电參量数据、温度数据以及曲线。
4.3 安科瑞ARTM系列无线测温终端产品选型
安科瑞电气接点无线测温方案由无线温度传感器、收发器、显示单元组成。温度传感器直接安装于断路器动触头、静触头、电缆接头、母排等发热接点，将测温数据通过无线射频技术传至接收装置，再由接收器485通讯至测温终端或无线测温系统（如图5）。
4.3.1 安科瑞无线温度传感器
无线温度传感器共有5种，分别对应螺栓固定、表带固定、扎带捆绑、合金片固定等安装方式。针对不同的变电站要求，可根据传感器供电方式以及安装位置的不同，考虑安装方便的因素，选择相匹配的传感器。
4.3.2 安科瑞无线收发器
无线测温收发器共有3种，通过无线射频方式接收温度数据。收发器根据不同的传感器型号进行匹配，同时传感器的传输距离决定接收装置能否多柜接收。
4.3.3 安科瑞显示终端
显示装置通过RS485连接收发器，可嵌入式安装于柜体上，若柜体开孔不便，也可选择壁挂式安装于配电室内。方便操作人员现场及时查看电气节点实时温度的同时，也可以通过RS485或以太网通讯的方式在后台系统查看现场情况。
5 结束语
经过初步调试运行，本文设计的环网柜电缆头温度在线监测装置监测可靠，测温数据传输、误差值满足使用要求，达到了所需功能。实现对环网柜电缆头温度的在线监测，能够进行大规模的工程应用推广，具有一定价值和实用意义。且随着微控制器与传感技术的进一步发展，使用的温度在线监测方案会越发简单，测量也会更加准确。
【参考文献】
[1]陈红友,王晓冬.基于单片机的温度监测系统设计[J].物联网技术,2017(4):112-113.
[2]秦焕鑫,谭国竞,王永清,王梓健，孙淼.10KV环网柜电缆接头温度在线监测方案设计.
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版.
作者简介：杨翠，女，安科瑞电气股份有限公司，主要从事无线测温系统的研发与应用，Email: 2885268959@qq.com，手机：18721098078（同微信），QQ:2885268959
