基于NRF的電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)終端的研究

引言

　　城市中高壓供電電纜大約每300米就存在一處電纜接頭，很多情況下為了降低技術與施工的難度，將電纜接頭安裝在供電電纜分接箱中。電纜分接箱是一種戶內或戶外裝置，通常安裝于街邊、路旁或者小區(qū)等地，用于對電纜線路進行分接、分支、接續(xù)或轉換，在某些場合可斷開運行中的電纜線路，以便于電纜線路和電氣設備的檢修。由于分接箱中電纜接頭施工質量不過關，施工人員對預制式電纜附件的施工工藝不熟悉等一系列原因，使得電纜接頭在長時間、大電流(過負荷)運行條件下容易發(fā)生過熱，導致事故，嚴重影響了電力系統(tǒng)的安全可靠運行，造成了巨大的經濟損失。

　　本方案根據供電企業(yè)的實際需要，采用無線技術設計了一種新型電纜接頭溫度監(jiān)測系統(tǒng)終端。它位于各電纜接頭處采集溫度數據和電纜電流數據，通過近距離微功耗無線技術將分接箱中的測量數據匯集于位于分接箱底部的數據集中器，再上傳至監(jiān)控中心的PC，實現了城市供電電纜分接箱電纜接頭運行溫度和電流的低成本在線可靠監(jiān)測。

　　硬件電路設計

　　測量原理

　　實際運行經驗和理論分析均表明，電纜接頭處發(fā)生的各類故障并不是一個突發(fā)的過程，是一個由量變到質變的過程，通常表現為電纜接頭處溫度不斷升高。此外，在電力系統(tǒng)中，電力設備存在負載電流與溫度正相關的規(guī)律:當負載電流增大時會出現溫度升高，而負載電流減小時會出現降溫的現象。

　　分接箱電纜接頭表面溫度是反映其運行狀態(tài)的重要參數。對電纜接頭溫度進行不間斷地監(jiān)測和統(tǒng)計分析，可使運行人員全面掌握其工作狀況，及時了解電纜接頭的老化情況，在必要時結合生產情況提出檢修計劃，避免或減少故障的發(fā)生，提高供電系統(tǒng)安全性、可靠性，從而促進供電企業(yè)增收節(jié)支，提高經濟效益。

　　根據分接箱電氣安全規(guī)程，相與相接頭之間空間距離不小于1cm，接頭與分接箱側壁和頂部的空間距離不小于15cm，各接頭與三芯電纜分裂處垂直距離不小于70cm。分接箱電纜接頭導體外部為絕緣護套層，而絕緣護套層表面實際上存在著幾百伏至上千伏不等的電壓。電纜接頭導體溫度主要取決于通過導體中的電流I、接觸電阻R和環(huán)境溫度TE，在通過電流和環(huán)境溫度變化不大的情況下，主要受接觸電阻的影響。測點溫度為接頭導體溫度T和環(huán)境溫度TE的分溫，通過它雖不能直接測出接頭導體部分的實際溫度，但在現場環(huán)境情況下，它與接頭導體溫度近似成線性關系。因此，對于分接箱電纜接頭溫度的監(jiān)測，主要測量電纜接頭表面溫度與通過電纜接頭的電流，以及分接箱環(huán)境溫濕度等。

　　供電系統(tǒng)設計

　　監(jiān)測終端供電電路的設計思想是，利用特制線圈從電纜感應出一定功率的交流電壓，通過整流、濾波和穩(wěn)壓之后，提供給監(jiān)測終端。電流大致在10A~300A范圍的中高壓電纜上的交流電壓，之后利用整流、濾波電路將交流變?yōu)橹绷?，利用穩(wěn)壓電路將約為5V的直流電壓變?yōu)?3.3V的直流恒壓供給監(jiān)測終端。另外，為了防止在電纜大電流情況下，特制線圈感應電壓過大導致后端電路燒毀，為電路增加了過電壓保護電路，起到保護器件的作用。如圖1所示。

　　該電路設計的難點主要在于，電纜電流較小時，要盡量保證電源的供應;而當電纜處于大負荷運行狀態(tài)，甚至是短路故障電流時，要給予電源板足夠的保護，不能損壞器件。
該電源包括供能線圈，整流濾波穩(wěn)壓電路，控制線圈，控制電路以及防雷保護電路。

　　供能線圈為特制的小型CT(電流互感器)，利用電磁感應從電纜獲得能量。該裝置選用飽和磁感應強度較低、導磁率較高的硅鋼片制作鐵芯。供能線圈/控制線圈以及整流濾波穩(wěn)壓電路，控制電路和防雷保護電路與監(jiān)測終端固定在鐵芯一側，便于減小體積和重量。根據電磁感應原理，確定線圈的匝數，保證電纜電流在10A以上時可提供穩(wěn)定的3.3V穩(wěn)壓輸出。供能線圈的輸出接防雷保護電路后，再連接到整流濾波穩(wěn)壓電路。

　　由于高壓電纜上運行的電流變化范圍大，且暫態(tài)電流在達到數十倍的額定電流時還要保持電源穩(wěn)定，要保證電流在達到300A時電源還能正常工作。電纜電流過大時感應線圈的鐵芯處于磁飽和狀態(tài)。鐵芯飽和后，磁化曲線呈非線性關系，感應電勢變?yōu)轭愃泼}沖波，導致穩(wěn)壓電源模塊輸入電壓過高燒毀，不利于電源的實現。 本設計增加了一個控制繞組和控制電路，當電纜電流過大，獲取能量過多時，控制供能線圈感應電壓在適當的工作范圍。

　　電路設計

　　系統(tǒng)硬件結構圖如圖2所示。系統(tǒng)核心控制芯片采用時代民芯MXT8051，XT8051是以高速單指令周期8051為核的MCU。電路擁有豐富的外設，包括PWM、UART、WDT，Timer等，大容量存儲器，內嵌32Kx8可在線編程flash，10位AD，8位DA，若干OP，36x4 LCD driver、POR以及可編程增益放大器(PGA)等模擬電路。電路集成片上調試系統(tǒng)，通過標準JTAG接口，快速診斷復雜SoC，該調試系統(tǒng)具有不占用任何硬件資源即可進行全速和單步運行、支持硬件斷點、軟件斷點、以及觀察內部特殊功能寄存器、程序指針和內部RAM等功能。上位機通過標準JTAG接口以及用戶定義指令執(zhí)行在線編程和在線調試。同時提供調試和編程軟件包，該CPU可輕松滿足系統(tǒng)控制要求。

　　nRF24L01芯片是挪威Nordic公司推出的2.4GHz單片無線收發(fā)芯片，該芯片具有接收靈敏度高、外圍電路少、發(fā)射功率低、傳輸速率高、低功耗等優(yōu)點，它工作在2.4GHz自由頻段，支持多點間通信，其最高傳輸速率達1Mb/s。它采用SoC方法設計，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。nRF2401A沒有復雜的通信協(xié)議，它完全對用戶透明，同種產品之間可以自由通信。

　　算法及軟件實現

　　溫度監(jiān)測和電流監(jiān)測的實現

　　系統(tǒng)需監(jiān)測電流和溫度。溫度監(jiān)測使用了DS18B20芯片，這是一種單總線溫度傳感器。本系統(tǒng)共有6路溫度信號，需要6只溫度傳感器，它們掛在一條總線上。操作過程為：單片機預存這6個溫度傳感器的序列號，首先初始化總線上所有的溫度傳感器，尋找第一路溫度傳感器，發(fā)出溫度轉換命令，500ms后，再次匹配此溫度傳感器，匹配正確后，讀溫度暫存器的內容，最后將溫度寄存器的內容轉換成十進制數值存入單片機的緩沖區(qū)內。

　　電流監(jiān)測采用CT實現，先用100比1的CT從電纜上得到一個交變電流，在二次回路側加入一只0.01Ω的采樣電阻，將電流值轉變成電壓值，此電壓值經過運放LM358比例變換成單片機AD可采集的范圍，信號送入單片機。單片機采集到信號后，乘以比例變系數，并轉換成有效值后顯示。

系統(tǒng)功能的實現

　　系統(tǒng)功能實現如圖3所示。單片機首先進行端口的初始化，由于使用的單片機是雙向輸出，所以在使用以前要確定此端口是輸入還是輸出，是否使能上拉電阻等，尤其是對于SDA接口，在數據傳輸過程中，既做輸出又做輸入，因此單片機的輸入和輸出一定要設置正確。段式液晶是一種動態(tài)更新段式顯示設備，具有低功耗的特點。在使用之前，要設置段式液晶的段數，公共端口數，幀速率等，設置完成后，可在單片機寄存器中操作液晶的每一段。PWM和AD都是要經過主時鐘分頻的，根據需要選擇合適的時鐘。使外部存儲器、溫度傳感器、無線模塊工作在就緒狀態(tài)，要設置操作地址、收發(fā)速率、錯誤校驗等。初始化完成后，系統(tǒng)讀取存儲器配置，以確定系統(tǒng)工作在哪種狀態(tài)，然后根據設置的狀態(tài)進行溫度轉換和電流采集。數據采集完成后，將測量數據放入單片機的數據緩沖區(qū)，然后用無線模塊把這些數據發(fā)送出去。最后，切換到下一通道測量數據，重復以上過程。

　　結語

　　實際運行結果表明，本方案提出的新型電纜接頭在線監(jiān)測終端采用了感應電源供電，無需外接電源，免維護，監(jiān)測終端與數據集中器之間采用近距離微功耗無線通信方式，有效傳輸數據的同時實現了高壓隔離，監(jiān)測終端硬件和軟件都采用了超低功耗設計，實現了溫度的精確測量，可以預見本產品將會有很好的市場前景。