一種線纜集成測溫系統及其測溫方法與流程
2023-10-10 16:49:24 2
本發明一種線纜集成測溫系統及其測溫方法涉及電力系統一次側帶電檢測領域，特別是一種具有集成測溫功能的測溫系統及其測溫方法。
背景技術：
在配電架空線路的用戶T接處、柱上開關高壓樁頭與線路的搭接處、變壓器高壓樁頭與線路的搭接處等線路接頭處，常常因為接頭製作工藝以及負荷過高等因素產生過高溫升從而燒毀接頭，發生線路故障。電力公司每年均要花費大量的人力物力進行「紅外測溫」專項排查該類型故障。但是由於溫升故障常常較為隱蔽，尤其是對接頭處加裝絕緣護罩進行全絕緣處理後，溫升故障更難發現，大大降低故障查找效率。
目前用於中壓線路接頭故障預警的溫度測量裝置，基本上都是單節點顯示告警，或有限範圍內延伸幾個節點的獨立系統，其最大的不足在於只能用於一般室內環境中使用, 不能在高低溫,高溼,強幹擾環境中長時間使用, 現有的組網技術也偏重於單獨或者少量節點的採樣傳輸處理, 存在多個交叉覆蓋的節點時無法準確定位和管理，當需要移動節點時需要重新更換整個系統。
已有的中國專利（CN201310347248.0，一種自取能無線溫度傳感器及其實現方法）公開了一種自取能無線溫度傳感器及其實現方法，傳感器包括自取能無線溫度傳感晶片和電場耦合極板；其晶片包括微控制器、自取能模塊、溫度傳感模塊、存儲器和無線通信模塊；微控制器分別與自取能模塊、溫度傳感模塊、存儲器和無線通信模塊通信；溫度傳感模塊與存儲器連接。通過自取能模塊採集電場耦合極板與高壓帶電器件之間的等效電容在交流高壓下產生的位移電流，轉成直流後為晶片供電。此種方式不適用於野外電纜接頭測溫方式預警，存在缺點是：自取電屬於分壓式電容法，取電需要靠近接觸導電體，並且電纜分層金屬護層接地靜電屏蔽影響取電，無法隔離電纜絕緣層情況下和非平面導電體接觸穩定可靠的取電；沒有考慮野外環境下的電纜類接頭防水和密封屏蔽條件下通訊幹擾等設計。
已有的中國專利（CN201320331339.0，一種多探頭高壓電纜接頭無線測溫裝置）公開了一種多探頭高壓電纜接頭無線測溫裝置，包括耐熱塑料殼體，設置在所述耐熱塑料殼體外的至少六個測溫探頭，殼體內設單片機數據採集板，射頻發射模塊，工作時取所有探頭的最大值發送。其缺點在於：需要拖拽探頭貼敷在高壓電纜上；測量後取值最高的為最終測量溫度，測溫精確度不夠高。
因此迫切需要重新設計更可靠, 組網更多更方便匹配的節點和系統，提高測量精度，從而滿足在惡劣環境下的監測需要。
技術實現要素：
本發明的目的是針對上述不足之處提供一種線纜集成測溫系統及其測溫方法，將具備集成測溫功能的智能絕緣護罩安裝到線纜接頭處，將溫度告警信號通過無線通信傳輸至智能測溫管理終端，終端設備將接收到的溫度告警數據經本地或者遠程方式傳輸至行動裝置或者後臺主站。
本發明是採取以下技術方案實現的：
線纜集成測溫系統包括智能絕緣護罩、測溫裝置和智能測溫管理終端；智能絕緣護罩為環形纏繞式，測溫裝置設置在智能絕緣護罩內，測溫裝置通過無線傳輸方式將實時測溫傳給智能測溫管理終端。
所述測溫裝置包括封閉式外殼，在外殼內設有溫度傳感器、電池模組和電路板，溫度傳感器採用NTC溫度傳感器，電池模組的輸出端通過電路板與溫度傳感器相連，為溫度傳感器提供電能；在電路板上設有處理器和無線通信模塊，處理器的輸入端與溫度傳感器相連，無線通信模塊與處理器相連，為其提供無線通信方式。
所述處理器採用ARM處理器。
所述NTC溫度傳感器採用NTC高精度溫度電阻作為測溫探頭，探頭採用多點分布式採集溫度信號，採用12-Bit 精度ADC進行採樣。
所述電池模組採用鋰-亞硫醯氯電池(高溫型)，在高溫條件下，電池能輸出平衡電壓，可連續在0°C—+150°C溫度下工作。單體電壓高為3.6V，體積小，比功率高。電池貯存壽命長，在常溫下貯存5—10年；電池具有無磁不鏽鋼外殼，密封性能好，耐衝擊、震動。
智能測溫管理終端包括管理端溫度傳感器、中央控制器、存儲器和顯示器，管理端溫度傳感器、存儲器以及顯示器分別與中央控制器相連；管理端溫度傳感器將測得的環境溫度傳送給中央控制器，並存儲在存儲器中；智能測溫管理終端還包括與中央控制器相連的無線通信模塊，通過無線通信模塊與測溫模塊進行信號傳遞。
在測溫裝置的電池模組上部設有電磁屏蔽網孔罩，減少對外部設備和外部設備對自身的影響。
在智能測溫管理終端還設有聲光告警功能模塊，所述聲光告警功能模塊採用現有的告警管理程序模塊實現。
工作原理：
本發明系統使用時，將若干個測溫裝置裝設在待測線纜接頭處，測溫裝置常規時間將處於休眠模式，休眠模式下只有處理器的時鐘晶片RTC正常運行；
測溫裝置休眠的喚醒有三種方式：
1）按照設定的時間間隔自動喚醒處理器，測溫裝置每個時間段向智能測溫管理終端傳送兩次測溫數據(這兩組數據經測溫裝置判斷為溫度正常數據)，兩次測溫數據的採樣時間間隔為所述設定的時間間隔；
2）當第一個模式的測溫幅值絕對值高於設定的上限值時，測溫裝置立即終止第一個模式的測溫工作模式，改為密集發送異常數據，發送時間間隔縮短；
3）由智能管理終端根據設定的固定時間節點，通過無線通信方式喚醒並接收傳送的基準溫度參數。
智能測溫管理終端始終處於接收數據狀態，由智能測試管理終端測試周邊環境溫度，並根據設定的時間節點通過無線通信方式喚醒測溫裝置，測溫裝置接收環境溫度數據並存儲在自身存儲器內作為基準溫度參數；
智能測溫管理終端接收並保存測溫裝置根據設定時間間隔發送的兩組測溫數據，計算測溫絕對△幅值並判斷溫度是否異常，如果判斷異常，則發出報警信號（發光），同時記錄事件在本地存儲器；智能測溫管理終端接收測溫裝置密集發送模式下的異常數據時立即發光報警同樣記錄事件在本地存儲器。
本發明線纜集成測溫系統的測溫方法，包括如下步驟：
1）智能管理終端測試環境溫度作為基準溫度參數後向測溫裝置發送基準溫度參數，並根據設定的時間節點通過無線通信方式喚醒測溫裝置；
2）測溫裝置將基準溫度參數存儲在自身存儲器內作為基準溫度參數；並對線纜接頭進行測溫後根據設定時間間隔向智能管理終端發送測溫數據；
3）智能管理終端對接收到的測溫裝置在密集發送模式下的異常數據時，立即發光報警同樣記錄事件在本地存儲器；否則進入步驟4）；
4）智能管理終端對接收到的相鄰的兩組測溫數據，計算測溫絕對△幅值並判斷溫度是否異常，如果判斷異常，則發出報警信號（發光），同時記錄事件在本地存儲器。
本發明的有益效果為：針對架空線路線纜接頭的特點，採用該廉價穩定的裝置預設式監測後能夠避免費時費力的傳統檢測方式，通過全區域的中壓線路接頭節點監測網絡，可以準確定位到某處故障接頭，及時預警故障信息，而且可以跟隨電纜使用多年，免去周期性設備更新的大批費用。能很好地滿足目前電網一次設備的故障及缺陷的帶電式預警需求，便於日常巡視時能夠及時快捷地提前發現隱患點。
附圖說明
圖1是本發明的智能絕緣護罩和測溫裝置安裝在線纜接頭時的使用狀態示意圖；
圖2是本發明線纜集成測溫系統的總體工作過程示意圖；
圖3是本發明實施例中氣溫的日變化曲線圖；
圖4是本發明實施例中氣溫的年變化曲線圖；
圖5是本發明是測溫裝置喚醒工作流程圖；
圖6是本發明智能測溫管理終端的示意圖。
圖中：1、智能絕緣護罩，2、測溫裝置，3、外殼，4、溫度傳感器，5、電池模組，6、電路板，7、電磁屏蔽網孔罩，8、線纜。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例進一步描述。
參照圖1～6，本發明線纜集成測溫系統包括智能絕緣護罩1、測溫裝置2和智能測溫管理終端；智能絕緣護罩1為環形纏繞式，測溫裝置2設置在智能絕緣護罩1內，測溫裝置2通過無線傳輸方式將實時測溫傳給智能測溫管理終端。
所述測溫裝置2包括封閉式外殼3，在外殼3內設有溫度傳感器4、電池模組5和電路板6，溫度傳感器4採用NTC溫度傳感器，電池模組5的輸出端通過電路板6與溫度傳感器4相連，為溫度傳感器4提供電能；在電路板6上設有處理器和無線通信模塊，處理器的輸入端與溫度傳感器4相連，無線通信模塊與處理器相連，為其提供無線通信方式。
所述處理器採用ARM處理器。
如圖1所示，溫度傳感器4採用NTC高精度溫度電阻作為測溫探頭，探頭採用多點分布式採集溫度信號，採用12-Bit 精度ADC進行採樣, 測溫由節點裝置的實時測溫絕對值並參考報警終端的環境測溫作為基本溫度參數。
測溫裝置2利用智能絕緣護罩1實現防電磁幹擾處理，具體的原理是採取金屬全屏蔽結合陣列式截止波導的電磁防洩漏技術，利用波導的高通濾波特性，保證無線信號的高效傳輸，又能阻隔外界的高頻電磁幹擾，計算公式如下：
對於圓形截面的波導： fcutoff ＝ 6900 / D
式中：D －直徑（英寸）；fcutoff －頻率（MHz）
對於矩形截面的波導： fcutoff ＝ 5900 / L
式中：L －矩形截面的對角線長度（英寸）；fcutoff －頻率（MHz）
要保證波導對電磁波有較大的衰減，應使波導的截止頻率為要屏蔽的電磁波頻率的5 倍以上。當滿足這個條件時，長度為 T 的波導對電磁波的衰減 S 為：對於圓形截面的波導： S = 32 T / D （dB）
對於矩形截面的波導： S = 27 T / L （dB）。
具體實施例：
測溫裝置休眠的喚醒有三種方式：
1）按照設定的時間間隔自動喚醒處理器，測溫裝置每隔一小時向智能測溫管理終端傳送兩次測溫數據(這兩組數據經測溫裝置判斷為溫度正常數據)，兩次測溫數據的採樣時間間隔一小時為所述設定的時間間隔；
2）當第一個模式的測溫幅值絕對值高於設定的上限值時，測溫裝置立即終止第一個模式的測溫工作模式，改為密集發送異常數據，發送時間間隔縮短為5分鐘；
3）由智能管理終端根據設定的固定時間節點，通過無線通信方式喚醒並接收傳送的基準溫度參數。
如圖2所示，依據採集到的溫度數據，結合智能測溫管理終端的環境溫度數據，判斷是否生成溫度預警信號，如果是，則立即發送給智能測溫管理終端。
如圖3所示，智能測溫管理終端接收到智能絕緣護罩的溫度告警之後，立即進行本地聲光報警，並生成溫度告警報告數據，存儲到本地，具備遠程監控或者巡檢的需求上報給行動裝置/後臺主站。
本發明線纜集成測溫系統的測溫方法，包括如下步驟：
1）智能管理終端測試環境溫度作為基準溫度參數後向測溫裝置2發送基準溫度參數，並根據設定的時間節點通過無線通信方式喚醒測溫裝置2；
2）測溫裝置2將基準溫度參數存儲在自身存儲器內作為基準溫度參數；並對線纜8接頭進行測溫後根據設定時間間隔向智能管理終端發送測溫數據；
為保證電池的壽命，正常情況測溫裝置每小時無線傳輸一次測溫數據，定時喚醒溫度傳感器，接收智能測溫管理終端發送的修改溫度基準的命令，其他時間將處於休眠模式，休眠模式下只有RTC正常運行。
3）智能管理終端對接收到的測溫裝置在密集發送模式下的異常數據時，立即發光報警同樣記錄事件在本地存儲器；否則進入步驟4）；
4）智能管理終端對接收到的相鄰的兩組測溫數據，計算測溫絕對△幅值並判斷溫度是否異常，如果判斷異常，則發出報警信號（發光），同時記錄事件在本地存儲器。
步驟1）中在進行正式測試之前要對基準溫度參數進行調整：
安裝在戶外的產品受到季節以及環境溫度的變化影響較大, 因此溫度報警閾值不是固定的,也不應該做成固定閾值, 對此溫度傳感器需要算法保證採樣的準確與及時調整。
每日的氣溫變化取Sin(d)做為基準環境日溫度, 年變化曲線取月或者半月的變化曲線Sin(m), 假定材料的導熱吸熱的係數為η(t), 注意這個t包含了每時刻的曲線, 時刻溫度為：
T(t) = η(t) *t *A + B*Sin(m) * Sin(d) + C
其中A，B，C為校準常量；
這樣建立一個時刻表做為最基本的溫度時刻，即在無異常線纜溫度變化時的溫度曲線時刻表；產品上有RTC的計時功能，可以知道當前的年/月/日，小時/分鐘/秒鐘，也就是知道了t這個參數，代入到公式中進行查表就可以得到當前的無異常情況下的基準溫度，設定發生異常時刻的溫升為∆T，這樣所要保護或者是溫度報警閾值為：
T = T(t) + ∆T
為了使溫度報警機制更為精確，可以考慮在智能管理終端部分加入天氣預報功能，即可以知道未來三天的氣溫以及天氣情況，調整溫度係數，將該係數通過無線數傳功能傳輸到溫度傳感器中，進行實時的校準調整。
所述智能測溫管理終端的功能包括傳感器匹配管理、本地聲光報警、溫度告警報告生成及存儲、上報給行動裝置/後臺主站支持。
傳感器匹配管理方法包括如下步驟：
1）對傳感器進行編碼
採取兩個部分的編碼, 一為終端代號, 二為自身編碼；暫定使用兩個Byte數據(0xFFFF)進行編碼, 如果需要擴大編碼範圍, 可增加編碼位數, 智能測溫管理終端收取來自溫度傳感器的無線數據中包含編碼信息；因為一個智能測溫管理終端需要對應於多個溫度傳感器, 從而要為每個溫度傳感器分配一個固定的地址, 設定第n個智能測溫管理終端編號為Cn, 溫度傳感器的固定分配地址中需要加入這個n的編號,同時需要終端給出溫度傳感器的特殊地址,以便識別出是哪個溫度傳感器, 設定第m個溫度傳感器分配的編號為Cm, 最終的溫度傳感器的編號變為Cf, 有如下公式進行分配:
Cf = Hex((Cn<<12) + (P1<<10) + (P2<<8) +Cm )
其中P1,P2 為辨識碼,設定為P1 = 05，P2 = 0x0A；
2）在首次上電後智能測溫管理終端會發送對碼指令,
CIN = {0xCC,0xAA,0x55,0x33}；
當溫度傳感器接收到對碼指令後, 存在兩種情況, 一種是已經分配了編碼的，一種是沒有編碼的。對於已經有編碼的溫度傳感器,回復Cack = {0x00,0xFF,0x22,0x66}, 同時發送自身編碼給終端,智能測溫管理終端會根據資料庫中編碼表進行識別；如果是沒有編碼的溫度傳感器,則需要回復Cack = {0x77,0x88,0xAA,0x33}, 申請終端分配編碼, 此後智能測溫管理終端會檢索資料庫中編碼表,加入識別碼後發送Cf這個編碼給溫度傳感器, 智能測溫管理終端傳感器收到編碼後將該分配碼存入Flash中,同時發送成功編碼指令告知智能測溫管理終端；通過上述的操作實現了編碼自動化, 同時也保證了終端,傳感器的匹配, 簡潔方便的處理了編碼問題。
本地聲光報警即當智能測溫管理終端接收到某個智能絕緣護罩內的測溫裝置的溫度告警數據後，聲光告警功能模塊按照設定的頻率、強度和持續時間，發光告警，便於遠距離目測。
溫度告警報告生成及存儲即按照設定的報告模板存儲歷史溫度信息。
上報給行動裝置/後臺主站即智能測溫管理終端支持兩種上傳接口方案，一是通過類似於配網自動化主站（例如國內IEC60870-5-104規約）上傳給後臺主站進行遠程全區域監控；二是，採用移動監控設備(例如智慧型手機、平板、掌機等)，通過433M無線通信，對本地若干智能管理終端進行小範圍內(半徑1.5公裡區域)的監控和報告採集。
本發明的分布式測溫點和智能絕緣護罩採用全密封一體化固定技術，不需要拖拽探頭貼敷在接頭處，可對站內站外的母排、電纜觸頭等進行監控測量。智能測溫管理終端採集匹配的若干智能絕緣護罩附近環境溫度，然後通過軟體算法計算出基準溫度參數，通過全雙工通訊方式修正所有管理範圍內絕緣護罩的溫度基準參數，使得測溫的精確程度極大提高，能夠提前預防接頭徹底損壞前的異常溫升，及時告警；並且智能測溫管理終端具備和遠程主站或者行動裝置多種通信方式接入、傳送數據的功能。本發明方法針對配電架空線路的用戶T接處、柱上開關高壓樁頭與線路的搭接處、變壓器高壓樁頭與線路的搭接處等線路接頭處容易造成的高溫故障問題，滿足目前電網一次設備的故障及缺陷的帶電式預警需要。