一种基于无线传感技术的高压输电线缆接头温度在线监测系统的制作方法
【专利摘要】一种基于无线传感技术的高压输电线缆接头温度在线监测系统，包括太阳能供电模块、温度检测模块、电流检测模块、处理器模块，所述温度检测模块、电流检测模块分别连接处理器模块，所述处理器模块通过无线通讯模块与上位机连接。所述太阳能供电模块包括太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池，太阳能控制器分别连接太阳能电池板、蓄电池。所述温度检测模块、电流检测模块均安装在一个封闭的、防静电的绝缘箱内，所述绝缘箱为悬挂式安装在线缆接头周边的杆塔上。本实用新型系统供电方案简单，整体结构易于安装，通用性好，不仅解决了需要工作人员现场巡检的弊端，带来了方便，而且对高压输电线路的正常运行能够及时掌握，具有极大的推广价值。
【专利说明】
一种基于无线传感技术的高压输电线缆接头温度在线监测系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及高压输电线在线监测领域，具体是一种基于无线传感技术的高压输电线缆接头温度在线监测系统。
【背景技术】
[0002]在高压架空输电线路中，电塔附近的导线接头是输电线路中较为薄弱的环节，其运行温度是反映供电系统运行状态的重要参数。但接头的安装、质量存在问题、设备老化变形、负荷突变等因素都会导致接头温度升高，当温度超过了导线接头所能承受的临界温度时，接头就会严重发热，导致导线损害，电能传输出现故障，从而造成不必要的人身伤害以及供电系统的大范围停电事故。然而接头从过热到导致事故发生是一个缓慢的过程，不容易察觉。因此，有效地对高压输电线缆接头的温度变化进行实时监测判断对供电系统的安全运行有着积极和深远的影响。
【发明内容】
[0003]针对上述现有技术的不足，本实用新型提供一种基于无线传感技术的高压输电线缆接头温度在线监测系统，供电方案简单、整体结构易于安装、通用性好;不仅解决了需要工作人员现场巡检的弊端，而且对高压输电线路的正常运行能够及时掌握，具有极大的推广价值。
[0004]本实用新型所采用的技术方案是:
[0005]—种基于无线传感技术的高压输电线缆接头温度在线监测系统，包括太阳能供电模块、温度检测模块、电流检测模块、处理器模块，所述温度检测模块、电流检测模块分别连接处理器模块，所述处理器模块通过无线通讯模块与上位机连接；
[0006]所述太阳能供电模块包括太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池，太阳能控制器分别连接太阳能电池板、蓄电池；
[0007]所述温度检测模块、电流检测模块均安装在一个封闭的、防静电的绝缘箱内，所述绝缘箱为悬挂式安装在线缆接头周边的杆塔上。
[0008]所述处理器模块连接稳压输出电路，稳压输出电路连接太阳能供电模块。
[0009]所述处理器模块分别连接时钟电路、晶振电路、编程与调试接口。
[0010]所述处理器模块连接电源监控与复位电路。
[0011 ] 所述处理器模块采用MSP430F1222单片机。
[0012]所述无线通讯模块采用NRF2401无线通信模块，所述上位机为PC机。
[0013]所述温度检测模块包括DS18B20的数字温度传感器；所述电流检测模块包括ACS712霍尔传感器。
[0014]本实用新型一种基于无线传感技术的高压输电线缆接头温度在线监测系统，通过太阳能供电模块给系统测温监测终端提供电能，温度检测模块以及电流检测模块实时采集接头温度和接头接地电流信号，经过稳压输出电路，通过信号放大电路对采集到的信号进行放大，将放大的信号经过A/D转换模块转换成数字信号后，经过滤波电路进行滤波传输给处理器模块进行数据初步判断。同时处理器模块将采集的信息、监测数据以及预分析结果数据通过无线通讯模块上传给上位机的远程监测系统进行详细的记录分析和故障预测。监控终端的工作人员根据液晶显示屏采集信息的反馈，从而采取下一步措施对接线头进行保护控制。本实用新型系统供电方案简单，整体结构易于安装，通用性好，不仅解决了需要工作人员现场巡检的弊端，带来了方便，而且对高压输电线路的正常运行能够及时掌握，具有极大的推广价值。
【附图说明】
[0015]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明:
[0016]图1为本实用新型的系统框图；
[0017]图2为本实用新型的MSP430F1222引脚电路图；
[0018]图3为本实用新型的DS18B20与MSP430接口电路图；
[0019]图4为本实用新型的电流测量电路图；
[0020]图5为本实用新型的NRF2401A外围电路与MSP430接口电路图；
[0021 ]图6为本实用新型的3.3V稳压输出电路图；
[0022]图7为本实用新型的DS2417外围电路与MSP430的接口电路图；
[0023]图8为处理器模块电源监控电路图；
[0024]图9为本实用新型的A/D转换电路图；
[0025]图10为本实用新型的信号放大电路图；
[0026]图11为本实用新型的滤波电路图。
【具体实施方式】
[0027]如图1所示，一种基于无线传感技术的高压输电线缆接头温度在线监测系统，包括太阳能供电模块、温度检测模块、电流检测模块、处理器模块、无线通讯模块，所述太阳能供电模块给处理器模块供电，所述温度检测模块以及电流检测模块和处理器模块的输入端连接，所述处理器模块通过无线通讯模块和上位机连接;所述温度检测模块采用温度传感器进行检测;所述电流检测模块采用电流传感器进行检测。
[0028]所述太阳能供电模块包括太阳能电池板、太阳能控制器以及蓄电池;所述太阳能电池板为2块并联安装;所述太阳能控制器主要是对蓄电池起到过充电保护以及过放电保护的作用;所述蓄电池采用可充电锂离子蓄电池;所述太阳能供电模块具有较高的稳定性及效率，具备过充过放保护措施；
[0029]所述处理器模块采用型号为MSP430F1222的单片机;所述单片机采用的是一种超低功耗的混合信号控制器，所述单片机本身具有丰富的片内资源，无需配置过多的外围接口芯片即可满足功能要求。
[0030]所述无线通信模块采用NRF2401无线通信模块，所述上位机为PC机，所述无线通信模块采用的是2.4GHz单片无线收发芯片，所述无线通讯模块具有接收灵敏度高、外围电路少、发射功率低、传输效率高、低功耗等优点。
[0031]所述温度检测模块以及电流检测模块均安装在一个封闭的防雷电的绝缘箱里面；所述温度检测模块以及电流检测模块的安装箱均具有降温保护装置，降温保护装置包括风扇、散热框。所述安装箱为悬挂式安装在线缆接头周边的杆塔上。
[0032]所述温度检测模块采用型号为DS18B20的数字温度传感器，所述数字温度传感器环形安装在线缆接头上，所述数字温度传感器具有体积小、抗干扰能力强等优点，能适应线缆接头处的恶劣环境。
[0033]所述电流检测模块采用传感器型号为ACS712的传感器，所述传感器主要用来检测线缆接头的接地电流。
[0034]所述处理器模块还与电源监控与复位电路连接，所述复位电路主要对系统进行复位。
[0035]所述处理器模块还与稳压输出电路连接，所述稳压输出电路主要提供处理器模块稳定电压。
[0036]如图2所示，为本实用新型的MSP430F1222引脚电路图，MSP430F1222在2.2V、1MHZ时钟频率下的工作电流仅为220uA，在LPM3模式下的休眠电流约为2.5uA，内嵌10位200kb/s的ADC，自带采样保持，具有3个捕获/比较寄存器的16位定时器和16位看门狗定时器，提供安全熔丝程序代码保护。4KB的FLASH代码存储空间和256B的RAM满足了系统设计的需要。MSP430F1222单片机本身具有非常丰富的片内资源，因此，最小系统无需配置过多的外围接口芯片就可满足本系统要求，从而使设计变得简单。
[0037]如图3所示，为本实用新型的DS18B20与MSP430接口电路图，DS18B20具有体积小、抗干扰能力强等优点，能适应线缆接头处的恶劣环境。传感器测量精度高、情况稳定，长期运行无需调校，传感器具有在线自检功能，自动温度校准，自动错误监测，全密封绝缘防水防尘，保证了整个系统的高可靠性。该器件内有控制电路，收/发电路和存储电路等。器件采用CMOS技术，耗电量很小，如果不单独供电，仅在总线空闲时利用信号线充一点电就可以工作了。在不工作时，不会给单总线增加负担。使用处理器模块作为控制机时，可以使用一位I/O端口，就可以驱动传感器芯片，节省了控制器的I/O资源。本系统DS18B20与MSP单片机直接采用外部电源方式连接，在图中，DS18B20的GND弓丨脚接地，VDD引脚接3.3V电源，DQ引脚上拉之后与MSP430的I/O引脚相连，上拉电阻一般选择4.7K，以保证数据采集的正常运行。
[0038]如图4所示，为本实用新型电流测量电路图。电流传感器的工作原理:当穿过电流传感器的导线通电时导线周围会产生感应磁场，产生的磁场被电流传感器上的霍尔元件感应进而产生一个感应电流，并有电压信号输出。当导线电流发生变化时电流传感器重新有电压信号输出，将输出电压通过一定的处理后就能够显示被测导线上电流的大小。采用线性电流传感器ACS712-20A，该器件内置有精确的低偏置的线性霍尔传感器电路，能输出与检测的交流或直流电流成比例的电压。由于ACS712-20A的输出电压随原边电流成线性关系，实际检测电路电流范围约在O?4A变化，该传感器的输出电压在2.5?2.9V变化，Δ V=
0.4V，而单片机要求检测输入电压为0~5V。为此，在传感器需加一级差分输入比例运算放大器，以实现电位移动和信号放大，运算放大电路图中由电阻R3、R4、R5、R6及运放0P1177组成。取Vl =V2=2.5V，放大倍数为12.5，即可满足应用要求。
[0039]如图5所示，为本实用新型NRF2401A外围电路与MSP430接口电路图；NRF2401A芯片采用5mm X 5mm的24引脚QFN封装，采用全球开放的2.4GHz频段，有125个频道，可满足多频及跳频需要;外围元件极少，只需一个晶振和少量元件即可设计射频电路，它的发射功率和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设置，功耗很低。最终要的一点就是芯片内部设置有专门的稳压电路，因此使用任何电源均有很好的通信效果。采用ShockBurst?模式时，方便与低速MCU接口。NRF2401A的ShockBurst?RX/TX模式采用片上先进先出(FIFO)来进行低数据率的时钟同步和高数据率的传输，因此极大地降低了功耗。它的发射主要MCU接口引脚CE、DATA和CLKl来完成。当MCU请求发送数据时，置CE为高电平，此时的接收机地址和有效载荷数据作为NRF2401A的内部时钟，可用请求或MCU将速率调至IMb/s;置CE为低电平可激活ShockBurst?发射。它的接收主要使用MCU接口引脚CE、DR1、CLK1和DATA来实现。当正确设置射频包输入载荷的地址和大小后，置CE为高电平即可激活RX，200uS后开始检测信息。在接口电路图中，NRF2401A支持双通道数据接收，但在本监测终端设计中只使用了数据通道I，数据通道2留作备用。
[0040]如图6所示，为本实用新型3.3V稳压输出电路图，降压稳压电路采用了 SIPEX公司SPX5205，SPX5205是一款低成本的低噪声LDO降压转换芯片，最大可提供150mA输出电流，输入电压为4.3V~15V，芯片采用了S0T-23 5引脚封装。在本实用新型中，通过太阳能供电系统输出后，通过降压稳压电路后才可为处理器模块供电，保证工作电压正常。
[0041 ] 如图7所示，为本实用新型DS2417外围电路与MSP430的接口电路图，由于MSP430控制器的内置看门狗的时钟不独立，因此需要采用专门的DS2417实时时钟芯片，其串行通信速率达16.3kb/s，且中断时间间隔可编程;它采用32位二进制秒计数器记录时间。该芯片功耗狠毒，它仅吸收200nA的电流可与多个DS2417接口的一线式芯片并联使用，CPU只需一根端口线就能与诸多一线式芯片通信。从图中可以看出，DS2417的Xl、X2引脚外接32.768kHz晶振，片内振荡器和分频器可产生IHz的时间基准脉冲，可接入32为二进制实时时钟计数器以完成对时间的计量。INT引脚与处理器模块RST弓I脚相连，控制处理器模块的定时复位，1-wire引脚通过上拉电阻与处理器模块的I/O引脚相连，进行数据通信。
[0042]如图8所示，为本实用新型处理器模块电源监控电路图，为了提高系统工作的稳定性和可靠性，本实用新型选择MAX809作为系统的电源监控芯片，该芯片具有性能稳定，功耗较低特点，该电路复位阈值电压3.08V，当电源电压地至芯片预设的阈值电压时，RESET弓I脚产生复位电平，并持续140ms以上，等待电源电压恢复至预设的阈值电平以上，同时保证了单片机系统的完全复位。通过接入该电路，解决了监测终端从正常工作状态进入欠压状态，然后再进入正常电压的工作状态，射频部分无法正常工作的问题。
[0043]如图9所示，为本实用新型A/D转换电路图，ADC0808是一种较为常用的8路模拟量输入，8位数字量输出的逐次比较式ADC芯片。该电路主要功能是读取温度以及电流传感器接收电路的值。当温度传感器以及电流传感器检测到高于系统中设置的温度等参数阈值时，就会及时采集数据并通过ADC0808N将传感器采集并发出的模拟信号转换成8位的数字信号。
[0044]如图10所示，为本实用新型信号放大电路图，由于各传感器的输出信号比较小，需要专门的放大电路对电压信号进行放大。本发明中设计放大电路时选择采用仪表放大器MAX4196，它具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益，具有差分输出和相对参考端的单端输出。即它的两个差分输入端施加输入信号，其增益可由内部预置，也可以由用户通过引脚内部设置或者通过输入信号隔离的外部增益电阻设置。在本系统中，测控系统希望各传感器的输出信号在0-5V之间，所以在使用MAX4196芯片时，需要一个外部的电压基准，该电压基准相当于仪表放大器的零位，在本系统中，选择2.5V的电压基准。采用MAXM公司的电压基准芯片MAX6192为MAX4196提供参考零位。
[0045]如图11所示，为本实用新型滤波电路图，由于温度传感器以及电流传感器的工作环境噪声较多，所以在设计中，考虑使用二阶低通ButterWorth滤波电路对信号进行滤波。本系统设计的二阶压控电压源低通滤波器是由R5、C16和R6、C17两节RC滤波电路及R7、R8组成的同相比例放大电路构成，其中同相比例放大电路实际上就是压控电压源。其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。同相比例放大电路的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益，即。输入信号OUT经过两节RC滤波电路和同相比例放大电路滤波后，输出信号S0UT。
[0046]上述的实施例仅为本实用新型的优选技术方案，而不应视为对于本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于无线传感技术的高压输电线缆接头温度在线监测系统，包括太阳能供电模块、温度检测模块、电流检测模块、处理器模块，其特征在于:所述温度检测模块、电流检测模块分别连接处理器模块，所述处理器模块通过无线通讯模块与上位机连接;所述太阳能供电模块包括太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池，太阳能控制器分别连接太阳能电池板、蓄电池;所述温度检测模块、电流检测模块均安装在一个封闭的、防静电的绝缘箱内，所述绝缘箱为悬挂式安装在线缆接头周边的杆塔上。2.根据权利要求1所述一种基于无线传感技术的高压输电线缆接头温度在线监测系统，其特征在于:所述处理器模块连接稳压输出电路，稳压输出电路连接太阳能供电模块。3.根据权利要求1所述一种基于无线传感技术的高压输电线缆接头温度在线监测系统，其特征在于:所述处理器模块分别连接时钟电路、晶振电路、编程与调试接口。4.根据权利要求1所述一种基于无线传感技术的高压输电线缆接头温度在线监测系统，其特征在于:所述处理器模块连接电源监控与复位电路。5.根据权利要求1所述一种基于无线传感技术的高压输电线缆接头温度在线监测系统，其特征在于:所述处理器模块采用MSP430F1222单片机。6.根据权利要求1所述一种基于无线传感技术的高压输电线缆接头温度在线监测系统，其特征在于:所述无线通讯模块采用NRF2401无线通信模块，所述上位机为PC机。7.根据权利要求1所述一种基于无线传感技术的高压输电线缆接头温度在线监测系统，其特征在于:所述温度检测模块包括DS18B20的数字温度传感器;所述电流检测模块包括ACS712霍尔传感器。
【文档编号】G01R31/00GK205679705SQ201620563972
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月13日 公开号201620563972.6, CN 201620563972, CN 205679705 U, CN 205679705U, CN-U-205679705, CN201620563972, CN201620563972.6, CN205679705 U, CN205679705U
【发明人】杨雨薇, 张飞, 陈黎, 肖洒
【申请人】三峡大学