淺談母線測溫監(jiān)控系統(tǒng)的設計及研究應用

淮亞利

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：針對母線在長期工作中易出現(xiàn)溫升過高進而導致火災的問題，設計了一種母線溫度監(jiān)測系統(tǒng)，其由溫度監(jiān)測終端和上位機數(shù)據(jù)中心組成。溫度監(jiān)測終端（ＰＴ１００ 型溫度傳感）實時采集母線溫度數(shù)據(jù)，并通過 ＲＳ４８５有線和ＺｉｇＢｅｅ無線兩種通信方式上傳至上位機。為提高溫度采集精度，硬件方面設計了溫度采集電路和采樣保持電路，軟件方面采用小二乘法分段線性擬合算法和均值濾波算法。經(jīng)試驗驗證測溫精度可達０．１ ℃，滿足系統(tǒng)要求。

關鍵詞：母線；ＰＴ１００溫度傳感器；小二乘；線性擬合；濾波

0 引言

  隨著當今社會的發(fā)展和用電量的急劇上升，新型母線因方便、節(jié)能的優(yōu)點逐漸取代傳統(tǒng)電纜，成為 發(fā)電廠、變電站高壓開關柜的重要設備。母線采用銅排緊壓的方式，要求散熱和絕緣性能更高，若母線 觸點溫度過高，將會加速其絕緣老化，甚至可能引發(fā)火災。因此中任意一個觸點發(fā)生熱故障，都將可能引發(fā)重大安全事故。為避免此類事故的發(fā)生，有必要建立母線溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)，觸點發(fā)生溫升過快時能夠迅速報警以便工作人員及時處理。

  目前對母線溫度的監(jiān)測大多依賴人工手持紅外測溫儀或分布式光纖測溫，存在效率低、精度差、安裝困難、無法適應母線復雜的應用環(huán)境等問題。本文建立的母線溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化設計，結合多種通信方式，將母線狀態(tài)信息直接傳輸至監(jiān)控中心，實現(xiàn)多點溫度遠程實時監(jiān)測，可應用于廠房、小區(qū)、商場等多種場所。

1 系統(tǒng)架構

  在母線溫度監(jiān)測系統(tǒng)中，單片機作為下位機負責數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集處理等，ＰＣ（ｐｅｒｓｏｎａｌｃｏｍｐｕｔｅｒ）機作為上位機負責數(shù)據(jù)的集中處理控制等。系統(tǒng)的主要結構如圖１ 所示。具體過程為：采用 ＰＴ１００型溫度傳感器直接測量母線溫度；測出的溫度數(shù)據(jù)通過 Ｚｉｇｂｅｅ無線通信方式傳輸給集中器，在鋪設有專線時也可以采用 ＲＳ４８５ 的通信方式上傳溫度信息以降低硬件成本；集中器將各個溫度檢測終端數(shù)據(jù)整理打包，并利用現(xiàn)有電力線通過電力載波方式發(fā)送給中繼器；安裝在監(jiān)控室監(jiān)控主機附近的中繼器再將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡端口上傳到監(jiān)控主機，從而逐級完成數(shù)據(jù)交換。ＰＣ 機到單片機的數(shù)據(jù)傳輸過程也是如此，從而實現(xiàn)母線溫度的監(jiān)控與預警。

圖１ 系統(tǒng)架構

2 硬件設計

  使用單片機和 Ｚｉｇｂｅｅ 模塊完成智能母線溫度控制器的開發(fā)。Ｚｉｇｂｅｅ溫度監(jiān)測終端控制器方案如圖２所示。

圖２ 溫度監(jiān)測終端方案框圖

  該終端直接從母線取電，避免了因供電不足而需定期更換電池的問題。終端通過 ＰＴ１００ 型溫度傳感器探頭直接測量母線溫度，且運行時會根據(jù)上位機命令，通過 ＲＳ４８５總線或 Ｚｉｇｂｅｅ模塊發(fā)送監(jiān)測觸點的狀態(tài)。

2.1溫度傳感器

  相對于價格昂貴且可能造成污染的光纖溫度傳感器，ＰＴ１００型鉑電阻更符合本文的需求。ＰＴ１００型鉑電阻廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)，具有采集信號穩(wěn)定、精度高、測溫范圍廣、安裝方便等優(yōu)點［４］。其電阻將隨溫度的升高而增加，在０ ℃時電阻值為１００．０Ω，在１００ ℃時電阻值約為１３８．５Ω。ＰＴ１００型電阻的阻值與溫度ｔ 的關系式如式（１）所示。

式中：Ｒｔ為溫度ｔ 時的電阻值；Ｒ０ 為０ ℃時的電阻值；

ａ＝ ３．９０８３×１０－３ ℃－１ ；ｂ＝ －５．７７５×１０－７ ℃－２ ；ｃ＝－４．１８３×１０－１２ ℃－４。

  根據(jù)式（１）可知，ＰＴ１００型鉑電阻在０～６５０ ℃時與溫度呈非線性關系。非線性化關系將導致在實際應用中標定溫度時精度誤差大，調試步驟復雜，因此需對其作線性化處理。用兩點法直接進行線性化處理，如式（２）所示。

因此鉑電阻的非線性測溫誤差δ為

  在測量范圍為０～２００ ℃時，利用微積分計算可得，當ｔ＝９９．８ ℃ 時，誤差大，此時δ＝０．７６ Ω，由 ＰＴ１００熱電阻分度表可知其相當于鉑電阻２ ℃ 的變化量，即可知在０～２００ ℃時鉑電阻大非線性誤差為±２ ℃。

  實際應用中還需要考慮鉑電阻出廠時存在差異等問題，實際誤差可能更大。因此為減小此誤差并提高精度，需要重新建立數(shù)學模型。

2.2溫度采集電路

  鉑電阻的接線方式通常分為二線制、三線制和四線制。二線制無法消除引線電阻，測量精度差。三線制在工業(yè)上被廣泛應用，測量精度較高。四線制雖然測量精度更高，但電路復雜、造價高。因此本文采用三線制接線方式。

  三線制一般配合電橋使用，溫度采集電路如圖３所示，由Ｒ１、Ｒ２、Ｒｔ和Ｒｓ組成電橋。其中，Ｒ１、Ｒ２、 Ｒｓ、Ｒ４、Ｒ５為精密電阻，Ｒｔ為鉑電阻；ＶＣＣ 為輸入電壓；ＧＮＤ 為接地線；ＲＴＤ０＋、ＲＴＤ０－ 分別為傳感器正負接入端；Ｃ１為精密電容。當溫度變化時，鉑電阻阻值發(fā)生變化，通過電橋電路轉化成輸出電壓，再經(jīng)運算放大器ＬＭ?。常担负蜑V波電路接入 ＡＤ轉換 器，由 ＡＤ轉換器將電壓信號轉化成數(shù)字信號。

圖３ 溫度采集電路

2.3采樣保持電路 

  由于鉑電阻的阻值變化很微小，輸出電壓在毫 伏級別，因此電壓發(fā)生波動時會造成很大影響。為避免電路中的高頻干擾信號，以確保數(shù)據(jù)的性，采用采樣保持電路，如圖４所示。

圖４ 采樣保持電路

  由圖４可知，電容Ｃ２與Ｃ３直接相連形成一個充放電回路，其中，電容Ｃ２放電，電容Ｃ３充電。如果采樣的時間不夠，Ｃ２和Ｃ３上的電壓都無法達到穩(wěn)定，這將造成Ｃ３的采樣電壓誤差較大，導致整體電 路精度下降。為盡量減小采樣時間不夠造成的誤差，需增大Ｃ２的容值。因此，要求Ｃ２的容值遠大于Ｃ３，以保證電壓變化在精度允許范圍內

3 算法設計 

  本系統(tǒng)測溫范圍為０～２００ ℃，鉑電阻的變化范 圍為１００．００～１７５．８６Ω。電橋電路的輸出電壓公式如 式（ ４）所示，分別將 Ｒｓ ＝１００Ω、 Ｒｔ ＝１７５．８６Ω代入式 （ ４），得到 Ｕ ０＝０～２９３．２００?。埃恚?。ＡＤ的基準電壓為 ５　０００ｍＶ，而５?。埃埃?ｍＶ／２９３．２００　０ ｍＶ≈１７倍，由ＰＴ１００熱電阻分度表可知，鉑電阻變化率平均為 ０．０３８５Ω／０．１ ℃，換算成電壓為０．１５９１ ｍＶ／０．１ ℃，經(jīng)放大后為27mv/0.1℃而 ＡＤ 為１２ 位轉換器，由５０００ ｍＶ／２１２ ≈１．２ ｍＶ，因此理論上可 以實現(xiàn)0.１℃的精度

  式中： Ｕ ０ 為輸出電壓，ｍＶ；Ｅ為采集電路輸入電壓，Ｖ；Ｒ１＝Ｒ２＝１0００Ω， Ｒｓ ＝Ｒ０＝１００Ω。

3.1小二乘法 

  由式（ ４）可知，鉑電阻和輸出電壓成非線性關 系，曲線成上凸形式，而ＰＴ?。保埃半娮枧c溫度曲線也 呈上凸趨勢，導致結果誤差增大。如采用硬件修正， 電路將變得復雜且難以控制。本文采用軟件修正建模。 

  數(shù)據(jù)建模一般分為插值和擬合兩種。插值方法 需要嚴格遵守數(shù)據(jù)，無法在插值時通過增加節(jié)點約 束來弱化數(shù)據(jù)波動而造成的差異，適合數(shù)據(jù)量較小 的情形；擬合方法允許函數(shù)在數(shù)據(jù)節(jié)點有誤差，但要求節(jié)點的誤差總體上達到小化，適合數(shù)據(jù)量較大的情形。 

  由于當前模型數(shù)據(jù)量較大，為減小誤差，直接將 電壓和對應溫度數(shù)據(jù)采用小二乘法進行擬合，已 知 ｘ １、 ｘｎ 以及 ｙｉ ＝ ｆ （ ｘｉ ）（ ｉ ＝１， ２，…， ｎ ），由小二 乘法求得 ｆ （ ｘ ）的擬合直線φ ｘ （ ）＝ ａ ＋ ｂｘ ，具體計算如式（ ５）所示。根據(jù)式（ ５）通過 Ｍａｔｌａｂ軟件編寫程序并進行計算。

  由于模型的數(shù)據(jù)范圍較廣，如果直接進行大 范圍擬合，會使得每段的擬合精度下降，為保證 精度，需作分段處理。將０～２００ ℃分為０～５０ ℃、５０～１００ ℃、１００～１５０ ℃ 和 １５０～２００ ℃。 然后根據(jù)ＰＴ?。保埃靶蜔犭娮璺侄缺?，分別得到每段的 １０個不同溫度對應的電阻值，代入式（ ４）得到電壓值， 將輸出電壓和對應溫度數(shù)據(jù)進行線性擬合，得出線性 方程，然后就可以將其直接應用到溫度求解算法中。這種方法既無須設計復雜的電路，也避免多次 計算帶來的誤差，同時保證了精度，提高了運算速度。 

  在０～５０℃區(qū)間內，溫度與對應電阻、輸出電壓 的計算結果如表１所示。

表1 ０～５０ ℃區(qū)間內溫度對應電阻和輸出電壓

  利用 Ｍａｔｌａｂ軟件對以上溫度和對應電壓值進行線性擬合，得到線性方程如式(6)所示。

  利用式（ ６）計算出理想溫度并與實際溫度進行 對比，得到誤差如圖５所示。

圖５?。啊担啊娴恼`差圖

  由圖５可以看出，端點處溫度的誤差大， 約為０．１８℃。 

  根據(jù)此原理可同樣計算得到５０～１００℃、１００～ １５０℃和１５０ ～２００ ℃的溫度和對應電壓的線性方 程，如式（7）所示。

3.2濾波算法

   A/D轉換器會將電壓信號轉換為數(shù)字信號，如果每次都只取新的采樣值，將無法過濾掉高頻信號 的干擾，易于造成較大誤差?；瑒訛V波均值法可有 效過濾高頻信號，提高采樣精度。具體方法是：把連 續(xù)取得的 Ｎ 個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為Ｎ ，每次采樣到一個新數(shù)據(jù)放入隊尾，并扔掉原來隊首的一個數(shù)據(jù)，把隊列中的 Ｎ 個數(shù)據(jù)進行算術平均運算，獲得新 的濾波結果。濾波公式如式（8）所示

  根據(jù)式（ ８）得到的濾波對比效果圖如圖６所示。

圖６　濾波對比效果圖

  由圖６可以看出，經(jīng)濾波后來自高頻干擾信號 的影響明顯減小，數(shù)據(jù)波動較濾波前更加穩(wěn)定。 ３．３　算法模型測試 以０～１００℃為例，溫度終端算法流程圖如圖７所示。

圖７　溫度終端算法流程圖

  溫度終端將采集到電壓值通過 Ａ／Ｄ轉換為數(shù) 字量，再經(jīng)濾波后得到輸出電壓值，代入式（ ６）和（ ７） 得到溫度值。將測溫終端放入高低溫試驗箱內進行 測試，并將測試得到溫度數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)進行對比， 結果如表２所示。

  表２　實際溫度與測試溫度對比

  由表２可知，溫度大誤差為０．５５ ℃， 小誤差為０．１４℃。為了避免ＰＴ１００型溫度傳 感器出廠時可能存在系統(tǒng)誤差，進一步保證系統(tǒng)的 測量精度，有必要對溫度進行標定。根據(jù)表２出現(xiàn) 的誤差，對每個溫度區(qū)間進行誤差補償。溫度補償 后實際溫度與測試溫度對比如表３所示。

  表３　溫度補償后實際溫度與測試溫度對比

  由表３可以看出，補償后的溫度誤差在０．１ ℃以內，*系統(tǒng)的要求。

4 軟件模塊 

4.1下位機 

  下位機工作流程圖如圖８所示。下位機會采集 實時溫度數(shù)據(jù)，當節(jié)點溫度超過閾值時，會通知上位 機處理；當收到上位機查詢狀態(tài)和修改閾值等命令 時，會根據(jù)命令進行相關操作。 

圖８　下位機工作流程

4.2上位機 

  智能母線溫度監(jiān)測軟件主要通過Ｚｉ ｇｂｅｅ無線網(wǎng)絡或以太網(wǎng)兩種通信方式實現(xiàn)主機與溫度監(jiān)測模 塊通信，智能母線監(jiān)測軟件架構如圖９所示。在用 戶模式下可以在線獲取母線各節(jié)點的溫度，并對數(shù) 據(jù)進行處理、分析和保存；管理員模式可以對各個節(jié) 點信息進行添加、刪除、編輯等。

圖９　智能母線溫度監(jiān)測軟件架構

5 安科瑞無線測溫系統(tǒng)介紹與選型

  安科瑞無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)當前無線測溫系統(tǒng)的要求，在廣泛征求用戶和專家意見的基礎上,充分吸收當前國內外廠家的成功案例，并結合安科瑞多年來的豐富經(jīng)驗，采用面向對象的分層分布式設計思想，結合自動化技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術、通信技術而設計的一款的無線測溫軟件。

5.1 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結構

  Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)通過RS485總線或以太網(wǎng)與間隔層的設備直接進行通信（如圖10），系統(tǒng)設計遵循標準Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規(guī)約，安全性、可靠性和開放性都得到了很大地提高。

  Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)具有遙信、遙測、遙控、遙調、遙設、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能?？梢员O(jiān)控無線測溫系統(tǒng)的設備運行狀況，實現(xiàn)快速報警響應，預防嚴重故障發(fā)生。

  Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)主要特點是開放式系統(tǒng)結構，硬件兼容性強，軟件移植性好，應用功能豐富。該系統(tǒng)具有強大的處理能力，快速的事件響應，友好的人機界面，方便的擴充手段。其軟件系統(tǒng)的設計依據(jù)軟件工程的設計規(guī)范,模塊劃分合理，接口簡捷明了，主要包括主控模塊、人機界面、圖形組態(tài)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、通信管理等幾大模塊。

圖10 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結構圖

5.2 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)功能

■實時監(jiān)測

  Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控軟件人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)及有關故障、告警等信息

■溫度查詢

  溫度歷史曲線（1分鐘、5分鐘、60分鐘可選）

■運行報表

  查詢各回路設備運行溫度報表.

■實時報警

  壁掛式無線測溫監(jiān)控設備具有實時報警功能，設備能夠對溫度越限等事件發(fā)出告警。

■設備提供以下凡種告警方式：

  a.彈岀事件報驚窗口.

  b.實時語音報警功能，能夠對所有事件發(fā)出語音告警.

  C.短信吿警，可以向發(fā)送吿警信息短信（需選配）.

■歷史告警査詢

  Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠對所有吿警事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)和告警等事件進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

■用戶權限管理

  Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權限管理功能。

  通過用戶權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如數(shù)據(jù)庫修改等）?？梢远x不同級別用戶的 登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

■定值設置

  用于修改高溫定值、超溫定值。

■WEB（可選）

  展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息， 設備溫度、通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。首頁顯示場站的變壓器數(shù)量、回路個數(shù)、有功功率、無功功率、用電量、事件記錄等概況信息，可通過實時監(jiān)控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。

  實時數(shù)據(jù)曲線可監(jiān)測各個回路的測點溫度、電壓、電流、功率曲線信息。

  接線圖頁面通過一次圖實時反映電氣參數(shù)變化，包括測量量、信號量等信息（信號量 需要斷路器提供輔助觸點支持）。

  能耗統(tǒng)計頁面顯示各回路的功率峰值和用電量峰值，功率、電能趨勢曲線，電能環(huán)比，用電。

  運維管理\通信狀態(tài)顯示監(jiān)測接入系統(tǒng)設備的通信狀態(tài)。

■手機APP（可選）

  設備數(shù)據(jù)員面顯示各設備的電參量數(shù)據(jù)、溫 度數(shù)據(jù)以及曲線。

5.3 安科瑞ARTM系列無線測溫終端產(chǎn)品選型

  安科瑞電氣接點無線測溫方案由無線溫度傳感器、收發(fā)器、顯示單元組成。溫度傳感器直接安裝于斷路器動觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發(fā)熱接點，將測溫數(shù)據(jù)通過無線射頻技術傳至接收裝置，再由接收器485通訊至測溫終端或無線測溫系統(tǒng)（如圖11）。

圖11 電氣接點在線測溫結構圖

5.3.1 安科瑞無線溫度傳感器

  無線溫度傳感器共有5種，分別對應螺栓固定、表帶固定、扎帶捆綁、合金片固定等安裝方式。針對不同的變電站要求，可根據(jù)傳感器供電方式以及安裝位置的不同，考慮安裝方便的因素，選擇相匹配的傳感器。

5.3.2 安科瑞無線收發(fā)器

  無線測溫收發(fā)器共有3種，通過無線射頻方式接收溫度數(shù)據(jù)。收發(fā)器根據(jù)不同的傳感器型號進行匹配，同時傳感器的傳輸距離決定接收裝置能否多柜接收。

5.3.3 安科瑞顯示終端

  顯示裝置通過RS485連接收發(fā)器，可嵌入式安裝于柜體上，若柜體開孔不便，也可選擇壁掛式安裝于配電室內。方便操作人員現(xiàn)場及時查看電氣節(jié)點實時溫度的同時，也可以通過RS485或以太網(wǎng)通訊的方式在后臺系統(tǒng)查看現(xiàn)場情況。

6 結語

  本文研發(fā)的智能母線監(jiān)測系統(tǒng)可有效提高母線 的工作性能和可靠性。數(shù)據(jù)信息可通過多種傳輸方 式逐級上傳到ＰＣ機，保證了信息的實時性和準確性， 可有效解決電路設計復雜、母線槽內布線困難、數(shù)據(jù)易受干擾等問題。針對溫度采集模塊，設計了電橋電 路，且軟件中采用小二乘擬合法和均值濾波法，試 驗測試結果表明有效提高了溫度采集模塊的精度。該系統(tǒng)可應用于多個領域，具有較強的實用性。

【參考文獻】

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