基于nRF24L01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(shù)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(nèi)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(jìn)行分接、分支、接續(xù)或轉(zhuǎn)換，在某些場合可斷開運(yùn)行中的電纜線路，以便于電纜線路和電氣設(shè)備的檢修。由于分接箱中電纜接頭施工質(zhì)量不過關(guān)，施工人員對預(yù)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(shí)間、大電流(過負(fù)荷)運(yùn)行條件下容易發(fā)生過熱，導(dǎo)致事故，嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

　　本方案根據(jù)供電企業(yè)的實(shí)際需要，采用無線技術(shù)設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)和電纜電流數(shù)據(jù)，通過近距離微功耗無線技術(shù)將分接箱中的測量數(shù)據(jù)匯集于位于分接箱底部的數(shù)據(jù)集中器，再上傳至監(jiān)控中心的PC，實(shí)現(xiàn)了城市供電電纜分接箱電纜接頭運(yùn)行溫度和電流的低成本在線可靠監(jiān)測。

硬件電路設(shè)計(jì)

測量原理

　　實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)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(gè)突發(fā)的過程，是一個(gè)由量變到質(zhì)變的過程，通常表現(xiàn)為電纜接頭處溫度不斷升高。此外，在電力系統(tǒng)中，電力設(shè)備存在負(fù)載電流與溫度正相關(guān)的規(guī)律:當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)會出現(xiàn)溫度升高，而負(fù)載電流減小時(shí)會出現(xiàn)降溫的現(xiàn)象。

　　分接箱電纜接頭表面溫度是反映其運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)。對電纜接頭溫度進(jìn)行不間斷地監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)分析，可使運(yùn)行人員全面掌握其工作狀況，及時(shí)了解電纜接頭的老化情況，在必要時(shí)結(jié)合生產(chǎn)情況提出檢修計(jì)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(jìn)供電企業(yè)增收節(jié)支，提高經(jīng)濟(jì)效益。

　　根據(jù)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(cè)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(dǎo)體外部為絕緣護(hù)套層，而絕緣護(hù)套層表面實(shí)際上存在著幾百伏至上千伏不等的電壓。電纜接頭導(dǎo)體溫度主要取決于通過導(dǎo)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(diǎn)溫度為接頭導(dǎo)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(dǎo)體部分的實(shí)際溫度，但在現(xiàn)場環(huán)境情況下，它與接頭導(dǎo)體溫度近似成線性關(guān)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(shè)計(jì)

　　監(jiān)測終端供電電路的設(shè)計(jì)思想是，利用特制線圈從電纜感應(yīng)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(yīng)電壓過大導(dǎo)致后端電路燒毀，為電路增加了過電壓保護(hù)電路，起到保護(hù)器件的作用。如圖1所示。

　　該電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要在于，電纜電流較小時(shí)，要盡量保證電源的供應(yīng);而當(dāng)電纜處于大負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，甚至是短路故障電流時(shí)，要給予電源板足夠的保護(hù)，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(hù)電路。

　　供能線圈為特制的小型CT(電流互感器)，利用電磁感應(yīng)從電纜獲得能量。該裝置選用飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較低、導(dǎo)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(hù)電路與監(jiān)測終端固定在鐵芯一側(cè)，便于減小體積和重量。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，確定線圈的匝數(shù)，保證電纜電流在10A以上時(shí)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(hù)電路后，再連接到整流濾波穩(wěn)壓電路。

　　由于高壓電纜上運(yùn)行的電流變化范圍大，且暫態(tài)電流在達(dá)到數(shù)十倍的額定電流時(shí)還要保持電源穩(wěn)定，要保證電流在達(dá)到300A時(shí)電源還能正常工作。電纜電流過大時(shí)感應(yīng)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(guān)系，感應(yīng)電勢變?yōu)轭愃泼}沖波，導(dǎo)致穩(wěn)壓電源模塊輸入電壓過高燒毀，不利于電源的實(shí)現(xiàn)。 本設(shè)計(jì)增加了一個(gè)控制繞組和控制電路，當(dāng)電纜電流過大，獲取能量過多時(shí)，控制供能線圈感應(yīng)電壓在適當(dāng)?shù)墓ぷ鞣秶?/P>

電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。系統(tǒng)核心控制芯片采用時(shí)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(shè)，包括PWM、UART、WDT，Timer等，大容量存儲器，內(nèi)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(diào)試系統(tǒng)，通過標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口，快速診斷復(fù)雜SoC，該調(diào)試系統(tǒng)具有不占用任何硬件資源即可進(jìn)行全速和單步運(yùn)行、支持硬件斷點(diǎn)、軟件斷點(diǎn)、以及觀察內(nèi)部特殊功能寄存器、程序指針和內(nèi)部RAM等功能。上位機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口以及用戶定義指令執(zhí)行在線編程和在線調(diào)試。同時(shí)提供調(diào)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(diǎn)，它工作在2.4GHz自由頻段，支持多點(diǎn)間通信，其最高傳輸速率達(dá)1Mb/s。它采用SoC方法設(shè)計(jì)，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。nRF2401A沒有復(fù)雜的通信協(xié)議，它完全對用戶透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通信。

算法及軟件實(shí)現(xiàn)

溫度監(jiān)測和電流監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)

　　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(jī)預(yù)存這6個(gè)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(zhuǎn)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(nèi)容，最后將溫度寄存器的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)值存入單片機(jī)的緩沖區(qū)內(nèi)。

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

系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)如圖3所示。單片機(jī)首先進(jìn)行端口的初始化，由于使用的單片機(jī)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(shù)據(jù)傳輸過程中，既做輸出又做輸入，因此單片機(jī)的輸入和輸出一定要設(shè)置正確。段式液晶是一種動態(tài)更新段式顯示設(shè)備，具有低功耗的特點(diǎn)。在使用之前，要設(shè)置段式液晶的段數(shù)，公共端口數(shù)，幀速率等，設(shè)置完成后，可在單片機(jī)寄存器中操作液晶的每一段。PWM和AD都是要經(jīng)過主時(shí)鐘分頻的，根據(jù)需要選擇合適的時(shí)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(shè)置操作地址、收發(fā)速率、錯誤校驗(yàn)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(jù)設(shè)置的狀態(tài)進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換和電流采集。數(shù)據(jù)采集完成后，將測量數(shù)據(jù)放入單片機(jī)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后用無線模塊把這些數(shù)據(jù)發(fā)送出去。最后，切換到下一通道測量數(shù)據(jù)，重復(fù)以上過程。

結(jié)語

　　實(shí)際運(yùn)行結(jié)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(yīng)電源供電，無需外接電源，免維護(hù)，監(jiān)測終端與數(shù)據(jù)集中器之間采用近距離微功耗無線通信方式，有效傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高壓隔離，監(jiān)測終端硬件和軟件都采用了超低功耗設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了溫度的精確測量，可以預(yù)見本產(chǎn)品將會有很好的市場前景。