一種基于無線傳感技術(shù)的高壓輸電線纜接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于無線傳感技術(shù)的高壓輸電線纜接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括太陽能供電模塊、溫度檢測模塊、電流檢測模塊、處理器模塊，所述溫度檢測模塊、電流檢測模塊分別連接處理器模塊，所述處理器模塊通過無線通訊模塊與上位機連接。所述太陽能供電模塊包括太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池，太陽能控制器分別連接太陽能電池板、蓄電池。所述溫度檢測模塊、電流檢測模塊均安裝在一個封閉的、防靜電的絕緣箱內(nèi)，所述絕緣箱為懸掛式安裝在線纜接頭周邊的桿塔上。本實用新型系統(tǒng)供電方案簡單，整體結(jié)構(gòu)易于安裝，通用性好，不僅解決了需要工作人員現(xiàn)場巡檢的弊端，帶來了方便，而且對高壓輸電線路的正常運行能夠及時掌握，具有極大的推廣價值。
【專利說明】
一種基于無線傳感技術(shù)的高壓輸電線纜接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及高壓輸電線在線監(jiān)測領(lǐng)域，具體是一種基于無線傳感技術(shù)的高壓輸電線纜接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在高壓架空輸電線路中，電塔附近的導(dǎo)線接頭是輸電線路中較為薄弱的環(huán)節(jié)，其運行溫度是反映供電系統(tǒng)運行狀態(tài)的重要參數(shù)。但接頭的安裝、質(zhì)量存在問題、設(shè)備老化變形、負(fù)荷突變等因素都會導(dǎo)致接頭溫度升高，當(dāng)溫度超過了導(dǎo)線接頭所能承受的臨界溫度時，接頭就會嚴(yán)重發(fā)熱，導(dǎo)致導(dǎo)線損害，電能傳輸出現(xiàn)故障，從而造成不必要的人身傷害以及供電系統(tǒng)的大范圍停電事故。然而接頭從過熱到導(dǎo)致事故發(fā)生是一個緩慢的過程，不容易察覺。因此，有效地對高壓輸電線纜接頭的溫度變化進行實時監(jiān)測判斷對供電系統(tǒng)的安全運行有著積極和深遠的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供一種基于無線傳感技術(shù)的高壓輸電線纜接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，供電方案簡單、整體結(jié)構(gòu)易于安裝、通用性好;不僅解決了需要工作人員現(xiàn)場巡檢的弊端，而且對高壓輸電線路的正常運行能夠及時掌握，具有極大的推廣價值。
[0004]本實用新型所采用的技術(shù)方案是:
[0005]—種基于無線傳感技術(shù)的高壓輸電線纜接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括太陽能供電模塊、溫度檢測模塊、電流檢測模塊、處理器模塊，所述溫度檢測模塊、電流檢測模塊分別連接處理器模塊，所述處理器模塊通過無線通訊模塊與上位機連接；
[0006]所述太陽能供電模塊包括太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池，太陽能控制器分別連接太陽能電池板、蓄電池；
[0007]所述溫度檢測模塊、電流檢測模塊均安裝在一個封閉的、防靜電的絕緣箱內(nèi)，所述絕緣箱為懸掛式安裝在線纜接頭周邊的桿塔上。
[0008]所述處理器模塊連接穩(wěn)壓輸出電路，穩(wěn)壓輸出電路連接太陽能供電模塊。
[0009]所述處理器模塊分別連接時鐘電路、晶振電路、編程與調(diào)試接口。
[0010]所述處理器模塊連接電源監(jiān)控與復(fù)位電路。
[0011 ] 所述處理器模塊采用MSP430F1222單片機。
[0012]所述無線通訊模塊采用NRF2401無線通信模塊，所述上位機為PC機。
[0013]所述溫度檢測模塊包括DS18B20的數(shù)字溫度傳感器；所述電流檢測模塊包括ACS712霍爾傳感器。
[0014]本實用新型一種基于無線傳感技術(shù)的高壓輸電線纜接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過太陽能供電模塊給系統(tǒng)測溫監(jiān)測終端提供電能，溫度檢測模塊以及電流檢測模塊實時采集接頭溫度和接頭接地電流信號，經(jīng)過穩(wěn)壓輸出電路，通過信號放大電路對采集到的信號進行放大，將放大的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，經(jīng)過濾波電路進行濾波傳輸給處理器模塊進行數(shù)據(jù)初步判斷。同時處理器模塊將采集的信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)以及預(yù)分析結(jié)果數(shù)據(jù)通過無線通訊模塊上傳給上位機的遠程監(jiān)測系統(tǒng)進行詳細的記錄分析和故障預(yù)測。監(jiān)控終端的工作人員根據(jù)液晶顯示屏采集信息的反饋，從而采取下一步措施對接線頭進行保護控制。本實用新型系統(tǒng)供電方案簡單，整體結(jié)構(gòu)易于安裝，通用性好，不僅解決了需要工作人員現(xiàn)場巡檢的弊端，帶來了方便，而且對高壓輸電線路的正常運行能夠及時掌握，具有極大的推廣價值。
【附圖說明】
[0015]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明:
[0016]圖1為本實用新型的系統(tǒng)框圖；
[0017]圖2為本實用新型的MSP430F1222引腳電路圖；
[0018]圖3為本實用新型的DS18B20與MSP430接口電路圖；
[0019]圖4為本實用新型的電流測量電路圖；
[0020]圖5為本實用新型的NRF2401A外圍電路與MSP430接口電路圖；
[0021 ]圖6為本實用新型的3.3V穩(wěn)壓輸出電路圖；
[0022]圖7為本實用新型的DS2417外圍電路與MSP430的接口電路圖；
[0023]圖8為處理器模塊電源監(jiān)控電路圖；
[0024]圖9為本實用新型的A/D轉(zhuǎn)換電路圖；
[0025]圖10為本實用新型的信號放大電路圖；
[0026]圖11為本實用新型的濾波電路圖。
【具體實施方式】
[0027]如圖1所示，一種基于無線傳感技術(shù)的高壓輸電線纜接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括太陽能供電模塊、溫度檢測模塊、電流檢測模塊、處理器模塊、無線通訊模塊，所述太陽能供電模塊給處理器模塊供電，所述溫度檢測模塊以及電流檢測模塊和處理器模塊的輸入端連接，所述處理器模塊通過無線通訊模塊和上位機連接;所述溫度檢測模塊采用溫度傳感器進行檢測;所述電流檢測模塊采用電流傳感器進行檢測。
[0028]所述太陽能供電模塊包括太陽能電池板、太陽能控制器以及蓄電池;所述太陽能電池板為2塊并聯(lián)安裝;所述太陽能控制器主要是對蓄電池起到過充電保護以及過放電保護的作用;所述蓄電池采用可充電鋰離子蓄電池;所述太陽能供電模塊具有較高的穩(wěn)定性及效率，具備過充過放保護措施；
[0029]所述處理器模塊采用型號為MSP430F1222的單片機;所述單片機采用的是一種超低功耗的混合信號控制器，所述單片機本身具有豐富的片內(nèi)資源，無需配置過多的外圍接口芯片即可滿足功能要求。
[0030]所述無線通信模塊采用NRF2401無線通信模塊，所述上位機為PC機，所述無線通信模塊采用的是2.4GHz單片無線收發(fā)芯片，所述無線通訊模塊具有接收靈敏度高、外圍電路少、發(fā)射功率低、傳輸效率高、低功耗等優(yōu)點。
[0031]所述溫度檢測模塊以及電流檢測模塊均安裝在一個封閉的防雷電的絕緣箱里面；所述溫度檢測模塊以及電流檢測模塊的安裝箱均具有降溫保護裝置，降溫保護裝置包括風(fēng)扇、散熱框。所述安裝箱為懸掛式安裝在線纜接頭周邊的桿塔上。
[0032]所述溫度檢測模塊采用型號為DS18B20的數(shù)字溫度傳感器，所述數(shù)字溫度傳感器環(huán)形安裝在線纜接頭上，所述數(shù)字溫度傳感器具有體積小、抗干擾能力強等優(yōu)點，能適應(yīng)線纜接頭處的惡劣環(huán)境。
[0033]所述電流檢測模塊采用傳感器型號為ACS712的傳感器，所述傳感器主要用來檢測線纜接頭的接地電流。
[0034]所述處理器模塊還與電源監(jiān)控與復(fù)位電路連接，所述復(fù)位電路主要對系統(tǒng)進行復(fù)位。
[0035]所述處理器模塊還與穩(wěn)壓輸出電路連接，所述穩(wěn)壓輸出電路主要提供處理器模塊穩(wěn)定電壓。
[0036]如圖2所示，為本實用新型的MSP430F1222引腳電路圖，MSP430F1222在2.2V、1MHZ時鐘頻率下的工作電流僅為220uA，在LPM3模式下的休眠電流約為2.5uA，內(nèi)嵌10位200kb/s的ADC，自帶采樣保持，具有3個捕獲/比較寄存器的16位定時器和16位看門狗定時器，提供安全熔絲程序代碼保護。4KB的FLASH代碼存儲空間和256B的RAM滿足了系統(tǒng)設(shè)計的需要。MSP430F1222單片機本身具有非常豐富的片內(nèi)資源，因此，最小系統(tǒng)無需配置過多的外圍接口芯片就可滿足本系統(tǒng)要求，從而使設(shè)計變得簡單。
[0037]如圖3所示，為本實用新型的DS18B20與MSP430接口電路圖，DS18B20具有體積小、抗干擾能力強等優(yōu)點，能適應(yīng)線纜接頭處的惡劣環(huán)境。傳感器測量精度高、情況穩(wěn)定，長期運行無需調(diào)校，傳感器具有在線自檢功能，自動溫度校準(zhǔn)，自動錯誤監(jiān)測，全密封絕緣防水防塵，保證了整個系統(tǒng)的高可靠性。該器件內(nèi)有控制電路，收/發(fā)電路和存儲電路等。器件采用CMOS技術(shù)，耗電量很小，如果不單獨供電，僅在總線空閑時利用信號線充一點電就可以工作了。在不工作時，不會給單總線增加負(fù)擔(dān)。使用處理器模塊作為控制機時，可以使用一位I/O端口，就可以驅(qū)動傳感器芯片，節(jié)省了控制器的I/O資源。本系統(tǒng)DS18B20與MSP單片機直接采用外部電源方式連接，在圖中，DS18B20的GND弓丨腳接地，VDD引腳接3.3V電源，DQ引腳上拉之后與MSP430的I/O引腳相連，上拉電阻一般選擇4.7K，以保證數(shù)據(jù)采集的正常運行。
[0038]如圖4所示，為本實用新型電流測量電路圖。電流傳感器的工作原理:當(dāng)穿過電流傳感器的導(dǎo)線通電時導(dǎo)線周圍會產(chǎn)生感應(yīng)磁場，產(chǎn)生的磁場被電流傳感器上的霍爾元件感應(yīng)進而產(chǎn)生一個感應(yīng)電流，并有電壓信號輸出。當(dāng)導(dǎo)線電流發(fā)生變化時電流傳感器重新有電壓信號輸出，將輸出電壓通過一定的處理后就能夠顯示被測導(dǎo)線上電流的大小。采用線性電流傳感器ACS712-20A，該器件內(nèi)置有精確的低偏置的線性霍爾傳感器電路，能輸出與檢測的交流或直流電流成比例的電壓。由于ACS712-20A的輸出電壓隨原邊電流成線性關(guān)系，實際檢測電路電流范圍約在O?4A變化，該傳感器的輸出電壓在2.5?2.9V變化，Δ V=
0.4V，而單片機要求檢測輸入電壓為0~5V。為此，在傳感器需加一級差分輸入比例運算放大器，以實現(xiàn)電位移動和信號放大，運算放大電路圖中由電阻R3、R4、R5、R6及運放0P1177組成。取Vl =V2=2.5V，放大倍數(shù)為12.5，即可滿足應(yīng)用要求。
[0039]如圖5所示，為本實用新型NRF2401A外圍電路與MSP430接口電路圖；NRF2401A芯片采用5mm X 5mm的24引腳QFN封裝，采用全球開放的2.4GHz頻段，有125個頻道，可滿足多頻及跳頻需要;外圍元件極少，只需一個晶振和少量元件即可設(shè)計射頻電路，它的發(fā)射功率和工作頻率等所有工作參數(shù)可全部通過軟件設(shè)置，功耗很低。最終要的一點就是芯片內(nèi)部設(shè)置有專門的穩(wěn)壓電路，因此使用任何電源均有很好的通信效果。采用ShockBurst?模式時，方便與低速MCU接口。NRF2401A的ShockBurst?RX/TX模式采用片上先進先出(FIFO)來進行低數(shù)據(jù)率的時鐘同步和高數(shù)據(jù)率的傳輸，因此極大地降低了功耗。它的發(fā)射主要MCU接口引腳CE、DATA和CLKl來完成。當(dāng)MCU請求發(fā)送數(shù)據(jù)時，置CE為高電平，此時的接收機地址和有效載荷數(shù)據(jù)作為NRF2401A的內(nèi)部時鐘，可用請求或MCU將速率調(diào)至IMb/s;置CE為低電平可激活ShockBurst?發(fā)射。它的接收主要使用MCU接口引腳CE、DR1、CLK1和DATA來實現(xiàn)。當(dāng)正確設(shè)置射頻包輸入載荷的地址和大小后，置CE為高電平即可激活RX，200uS后開始檢測信息。在接口電路圖中，NRF2401A支持雙通道數(shù)據(jù)接收，但在本監(jiān)測終端設(shè)計中只使用了數(shù)據(jù)通道I，數(shù)據(jù)通道2留作備用。
[0040]如圖6所示，為本實用新型3.3V穩(wěn)壓輸出電路圖，降壓穩(wěn)壓電路采用了 SIPEX公司SPX5205，SPX5205是一款低成本的低噪聲LDO降壓轉(zhuǎn)換芯片，最大可提供150mA輸出電流，輸入電壓為4.3V~15V，芯片采用了S0T-23 5引腳封裝。在本實用新型中，通過太陽能供電系統(tǒng)輸出后，通過降壓穩(wěn)壓電路后才可為處理器模塊供電，保證工作電壓正常。
[0041 ] 如圖7所示，為本實用新型DS2417外圍電路與MSP430的接口電路圖，由于MSP430控制器的內(nèi)置看門狗的時鐘不獨立，因此需要采用專門的DS2417實時時鐘芯片，其串行通信速率達16.3kb/s，且中斷時間間隔可編程;它采用32位二進制秒計數(shù)器記錄時間。該芯片功耗狠毒，它僅吸收200nA的電流可與多個DS2417接口的一線式芯片并聯(lián)使用，CPU只需一根端口線就能與諸多一線式芯片通信。從圖中可以看出，DS2417的Xl、X2引腳外接32.768kHz晶振，片內(nèi)振蕩器和分頻器可產(chǎn)生IHz的時間基準(zhǔn)脈沖，可接入32為二進制實時時鐘計數(shù)器以完成對時間的計量。INT引腳與處理器模塊RST弓I腳相連，控制處理器模塊的定時復(fù)位，1-wire引腳通過上拉電阻與處理器模塊的I/O引腳相連，進行數(shù)據(jù)通信。
[0042]如圖8所示，為本實用新型處理器模塊電源監(jiān)控電路圖，為了提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，本實用新型選擇MAX809作為系統(tǒng)的電源監(jiān)控芯片，該芯片具有性能穩(wěn)定，功耗較低特點，該電路復(fù)位閾值電壓3.08V，當(dāng)電源電壓地至芯片預(yù)設(shè)的閾值電壓時，RESET弓I腳產(chǎn)生復(fù)位電平，并持續(xù)140ms以上，等待電源電壓恢復(fù)至預(yù)設(shè)的閾值電平以上，同時保證了單片機系統(tǒng)的完全復(fù)位。通過接入該電路，解決了監(jiān)測終端從正常工作狀態(tài)進入欠壓狀態(tài)，然后再進入正常電壓的工作狀態(tài)，射頻部分無法正常工作的問題。
[0043]如圖9所示，為本實用新型A/D轉(zhuǎn)換電路圖，ADC0808是一種較為常用的8路模擬量輸入，8位數(shù)字量輸出的逐次比較式ADC芯片。該電路主要功能是讀取溫度以及電流傳感器接收電路的值。當(dāng)溫度傳感器以及電流傳感器檢測到高于系統(tǒng)中設(shè)置的溫度等參數(shù)閾值時，就會及時采集數(shù)據(jù)并通過ADC0808N將傳感器采集并發(fā)出的模擬信號轉(zhuǎn)換成8位的數(shù)字信號。
[0044]如圖10所示，為本實用新型信號放大電路圖，由于各傳感器的輸出信號比較小，需要專門的放大電路對電壓信號進行放大。本發(fā)明中設(shè)計放大電路時選擇采用儀表放大器MAX4196，它具有差分輸入和相對參考端單端輸出的閉環(huán)增益，具有差分輸出和相對參考端的單端輸出。即它的兩個差分輸入端施加輸入信號，其增益可由內(nèi)部預(yù)置，也可以由用戶通過引腳內(nèi)部設(shè)置或者通過輸入信號隔離的外部增益電阻設(shè)置。在本系統(tǒng)中，測控系統(tǒng)希望各傳感器的輸出信號在0-5V之間，所以在使用MAX4196芯片時，需要一個外部的電壓基準(zhǔn)，該電壓基準(zhǔn)相當(dāng)于儀表放大器的零位，在本系統(tǒng)中，選擇2.5V的電壓基準(zhǔn)。采用MAXM公司的電壓基準(zhǔn)芯片MAX6192為MAX4196提供參考零位。
[0045]如圖11所示，為本實用新型濾波電路圖，由于溫度傳感器以及電流傳感器的工作環(huán)境噪聲較多，所以在設(shè)計中，考慮使用二階低通ButterWorth濾波電路對信號進行濾波。本系統(tǒng)設(shè)計的二階壓控電壓源低通濾波器是由R5、C16和R6、C17兩節(jié)RC濾波電路及R7、R8組成的同相比例放大電路構(gòu)成，其中同相比例放大電路實際上就是壓控電壓源。其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低。同相比例放大電路的電壓增益就是低通濾波器的通帶電壓增益，即。輸入信號OUT經(jīng)過兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路濾波后，輸出信號S0UT。
[0046]上述的實施例僅為本實用新型的優(yōu)選技術(shù)方案，而不應(yīng)視為對于本實用新型的限制，本實用新型的保護范圍應(yīng)以權(quán)利要求記載的技術(shù)方案，包括權(quán)利要求記載的技術(shù)方案中技術(shù)特征的等同替換方案為保護范圍。即在此范圍內(nèi)的等同替換改進，也在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種基于無線傳感技術(shù)的高壓輸電線纜接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括太陽能供電模塊、溫度檢測模塊、電流檢測模塊、處理器模塊，其特征在于:所述溫度檢測模塊、電流檢測模塊分別連接處理器模塊，所述處理器模塊通過無線通訊模塊與上位機連接;所述太陽能供電模塊包括太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池，太陽能控制器分別連接太陽能電池板、蓄電池;所述溫度檢測模塊、電流檢測模塊均安裝在一個封閉的、防靜電的絕緣箱內(nèi)，所述絕緣箱為懸掛式安裝在線纜接頭周邊的桿塔上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于無線傳感技術(shù)的高壓輸電線纜接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述處理器模塊連接穩(wěn)壓輸出電路，穩(wěn)壓輸出電路連接太陽能供電模塊。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于無線傳感技術(shù)的高壓輸電線纜接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述處理器模塊分別連接時鐘電路、晶振電路、編程與調(diào)試接口。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于無線傳感技術(shù)的高壓輸電線纜接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述處理器模塊連接電源監(jiān)控與復(fù)位電路。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于無線傳感技術(shù)的高壓輸電線纜接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述處理器模塊采用MSP430F1222單片機。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于無線傳感技術(shù)的高壓輸電線纜接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述無線通訊模塊采用NRF2401無線通信模塊，所述上位機為PC機。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于無線傳感技術(shù)的高壓輸電線纜接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述溫度檢測模塊包括DS18B20的數(shù)字溫度傳感器;所述電流檢測模塊包括ACS712霍爾傳感器。
【文檔編號】G01R31/00GK205679705SQ201620563972
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月13日 公開號201620563972.6, CN 201620563972, CN 205679705 U, CN 205679705U, CN-U-205679705, CN201620563972, CN201620563972.6, CN205679705 U, CN205679705U
【發(fā)明人】楊雨薇, 張飛, 陳黎, 肖灑
【申請人】三峽大學(xué)