基于无线通信的高压设备温度监测系统的设计

基于无线通信的高压设备温度监测系统的设计摘要：在对现有高压设备温度监测技术进行分析研究的基础上，研制了基于无线通信的高压设备温度监测系统。该系统的高压侧单片机通过高压侧无线发射接收模块与低压侧的无线发射接收模块进行无线双向通信，实现了高压设备的温度监测信号向低压侧传送。本文针对该系统的关键问题，重点介绍了以PCB板铜箔为介质的无线通信天线设计的基本方法与计算式，设计了无线发射模块的PCB板铜箔环形天线参数；介绍了高压侧以太阳能电池为主的专用电源的设计，该电源由处于低压侧的单片机系统控制的聚光灯为高压侧的太阳能电池提供能量，通过低功耗稳压模块输出稳定电压3.3V；介绍了综合性能较好的温度传感器及其特性处理方式。实验室运行验证了该系统通信的可靠性。关键词：高压设备；无线通信；太阳能电池；温度监测Designoftemperaturemonitoringsystemforhigh-voltageequipmentbasedonwirelesscommunicationAbstract：Basedontheanalysisofcurrenttemperaturemonitoringtechnologiesforhigh-voltageequipment,thisarticledevelopsasystemonthebasisofwirelesscommunications.Inthissystem,theMCUonthehighpotentialsidecommunicatesinteractivelywiththelowpotentialsidebymeansofthewirelesstransceivermodulesonbothsides,sothatthetemperaturesignalofthehigh-voltageequipmentcanbesenttothelowpotentialside.Thisarti-clefocusesonthefollowingkeytechniques:thedesignoftheantennamadeofPCBinwirelesscommunications;thepowersourcebasedonsolarcellsinthehigh-voltageequipment,forwhichenergyisprovidedbytheMCU-controlledspotlightonthelowpotentialside,whichsteadilyproducesa3.3Vvoltagethroughthelowpowervoltagecontrolmodule;andtheparametersandtheprocessingmethodofawell-performedtemperaturesensor.Thetestsinlaboratoryindicatethereliabilityofthissystemincommunication.Keywords：high-voltageequipment;wirelesscommunication;solarcell;temperaturemonitoring1引言在电力系统运行中，过电流将导致电器、母线等过热；母排、触头、电缆等接头导电部分接触不良也将导致过热。设备过热又将导致绝缘损坏并产生绝缘老化甚至造成短路故障。电力系统中的大部分故障都与发热有关。因此，高压设备的温度监测关系到整个系统的可靠与安全运行。由于高电压系统的高电压、强磁场等特殊问题，常规的测温方法是不适用的。毫无疑问，保证高电压设备的温度监测系统的安全、可靠与监测的准确度，该系统必须重点解决信号的提取，高压侧信号转换与发射电路的电源以及信号的可靠隔离与传输。因此，上述三个问题是高电压设备的温度监测系统设计的关键问题[1-2]。本文基于高压设备测温技术领域的现状，对其进行了详细的分析研究。在无线通信与太阳能电池研究的基础上，设计了高压设备温度在线监测系统。本文还给出了具体的模块、电路与有关参数。2背景技术的分析研究目前，高低压侧被测信号的隔离与传输有通过采用光纤、红外辐射、红外信号空间传送、无线通信等方式[3-6]。光纤是很好的信号传输介质，在一般情况下具有很高的绝缘性能。但是，光纤毕竟属于有线传输介质。在梅雨季节或潮湿的气候条件下，其绝缘强度将大幅度减小。因此，光纤的实际应用场合受到限制。红外辐射测温的准确度低,设备昂贵。特别是由于红外信号无法穿透障碍物，无论是红外辐射或红外信号空间传送方案的应用都将受到很大制约，而难以获得实际应用。由于无线通信技术的快速发展，采用无线通信的方式进行各种物理参数的监测也越来越引起人们的关注。毫无收稿日期：2008-10ReceivedDate：2008-10疑问，无线通信技术在高电压系统的重要参数如电压量、电流量、温度量等在线监测中将发挥重要作用，并具主导地位。该方案的思路是：在高压侧，单片机将监测到的温度信号通过无线收发模块传送到处于低压侧的无线收发模块，在低压测，可以就地显示温度或再通过总线（如RS485）上传至上位机（计算机）。由于高电压设备的特殊性，无线通信的天线设计是必须解决的关键问题。目前，高压侧信号传感转换单元的电源主要有几种形式：电池供电；高压侧电流互感器供电；太阳能电池供电[7]。电池供电的主要问题是电池的使用寿命有限。当电池寿命终结时无法更换位于高电位的电池是该方案难以克服的问题。因此，一般不采用该方案。目前实际运行的电源主要是通过高压侧电流互感器从母线电流获取能量的方案。虽然这种方案的原理比较简单，但要保证在高压侧小电流时能输出满足要求的电源电压，势必在额定电流时或过载时，产生太大的电压，可能在过流或短路时损坏电源甚至整个监测系统。因此，这种方案在电流较小时，无法保证监测系统的正常运行。以紧贴在高压侧信号转换与发射单元的太阳能电池为主的专用电源不仅安全可靠，而且安装非常方便。因此，太阳能供电是优于电池供电与高压侧电流互感器供电的方案。在诸如大量运行的高压开关柜等高压设备，太阳能电池供电实际上是利用低压侧的小容量聚光灯向处于高压侧的太阳能电池提供能量。在该电源系统中还配有光源检测电路，以确保光源的正常运行。3高压设备温度监测系统总体框图本系统总体硬件框图如图1所示。由于所用的nRF905为集发送、接收为一体的芯片，该系统高低压侧单片机通过高压侧无线发射接收模块、无线通信天线、低压侧无线发射接收模块进行无线双向通信，不仅实现了由温度传感器感受的高压侧被测温度信号向低压侧的传送，而且低压侧的单片机可以发送各种命令要求处于高压侧的单片机执行相关命令，如根据需要改变采样间隔时间等。因此，该系统具有其独特的灵活性。低压侧的单片机还具有检测、控制小容量聚光灯的功能，并通过通信接口与上位机进行信息交换。处于高压侧的单片机由太阳能电池板供电。图1整个系统硬件框图Fig.1Hardwareblockdiagram4信号无线传输的天线设计在小功率短距离无线通信系统中，通信的可靠性与天线密切相关，天线设计是系统设计重点之一。通常有二种天线，一种是柱形，一种是环形。处于高电压系统附近的柱形天线尖端侧的电荷特别密集，其附近空气中的电场特别强,使得空气中少量离子加速运动。这些高速运动的离子撞击空气分子，便有更多的分子电离。这时空气成为导体，于是就产生了尖端放电现象。因此在在高电压系统中不能选用柱形天线。同样也不能用普通的环形天线。这里选择以PCB板铜箔形成的环形天线，因此要按照天线设计的要求仔细设计，否则将无法通信或通信不可靠。如图2所示的粗线部分为环形天线，图3为PCB示意图，其等值线路(发送模式)如图4所示[8]。基于无线通信的高压设备温度监测系统的设计1971图2nRF905与天线连接图Fig.2DiagramofaloopantennaconnectedtonRF905图3环形天线PCB示意图Fig.3GeometryofrectangularloopantennamadeofPCB图4环形天线(发送模式)等效线路图Fig.4Loopantennaequivalentcircuit(transmissionmode)图3中a1、a2为天线的长、宽，b1、b2为PCB铜箔的厚度与宽度。令12=aaa，环形天线的面积A=a2。而矩形铜箔可用圆形导线等效，等效的圆形导线的半径b=0.35×b1+0.24×b2图4中的输入阻抗ZIN由下式给出：0()(2π()IRLXAIZRRRjfLL(1)式中：RR，RL，RX分别为辐射电阻、损耗电阻和附加电阻(电容CP的等效串联电阻等)；LA，LL分别为环形天线的电感和回路电感。RR可以从下式得到：2431171()RAR(2)这里A为环形天线的面积，0cf，c为光速，c=3×108，f0为谐振频率，这里取433MHz。损耗电阻RL可按正式计算：120012πLSlaafRRPbb(3)式中：l、P、Rs、σ分别为天线金属导体的长度、天线的周长、天线铜表面电阻和铜的电导率。附加损耗Rx按下式计算：02π()ALXRLfLLRRRQ(4)式中：Q为环形天线的品质因数，它主要由电容Cp的等效电阻决定。在共振的条件下，输入阻抗'INZ由下式计算：2'2π()ALINRLXRLXfLLZRRRRRR(5)回路电感LA，回路导体电感LL计算式由式(6)、(7)计算：02ln()0.774πAaaLb(6)02LALa(7)据以上各式计算，可得到如图5所示的天线尺寸及相关元件参数。图5最后设计的PCB板的环形天线Fig.5Dimensiondiagramoftheloopantenna通过实验表明，本文设计的以PCB板构成的环形天线满足设计要求，在开阔场地100m的范围内通信可靠，在室内可以相隔三四个控制室进行正常通信。这将为今后建立高电压系统的各种参数的在线监测网络奠定基础。5太阳能电池供电电源系统设计电源是高电压温度监控器的重要部分，它的性能与可靠性甚至关系到温度监控器设计的成败。本系统采用太阳能电池供电，显然，在高电压电器系统中，能直接应用太阳能的情况不多，这里采用在低压侧的聚光灯射向处于高压侧的太阳能电池板为处于高压侧信号转换与发射单元供电的方案。太阳能电池是一种把光能转换为电能的一种装置。根据所用材料，太阳能电池可分为硅系太阳能电池和非硅系太阳能电池，而硅系太阳能电池是目前发展最成熟的,在应用中居主导地位。在硅系太阳能电池中又分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。1972仪器仪表学报第30卷太阳能电池实际上是一个大面积的平面二极管，在光线的照射下便可产生直流电。考虑到太阳能电池的转换效率，太阳能电池的实际的等效电路如图6所示。IL为光生电流，并联电阻RP为电池边缘漏电或耗尽区内的复合电流引起的，串联电阻RS主要包括正面金属电极与半导体材料的接触电阻、半导体材料的体电阻和电极电阻[9]。图6太阳能电池的等效线路图Fig.6Equivalentcircuitofthesolarcell由图6的等效电路图可得相应的太阳能电池的伏安特性计算公式：()exp1SSLDPqURIURIIIInKTR(8)式中：q为单位电荷(1.6×10–19k(S·A))；K为玻耳兹曼常数(1.38×10–23J/K)；T是绝对温度(K)；n为二极管指数，取1~2。图7为在光照和无光照下的硅太阳能电池的输出特性曲线。从中可以看到在有光照下，电池有一个最大的输出功率PMAX，对应于此功率时的电压UMP和IMP，太阳能电池的短路电流ISC和开路电压UOC，这些都是太阳能电池的重要参数。图7硅太阳能电池输出特性曲线Fig.7Outputperformancecurveofthesiliconsolarcell本文选用了一种目前最为成熟且应用最广的是单晶硅太阳能电池。其主要参数如下：开