（工程力学专业论文）高压变电站无线自动测温控制系统研究.pdf

中文摘要 随着供电负荷的迅速增加以及供电设备的老化，变电站由于输变线路接头温 度过高引起的火灾、爆炸现象时有发生，严重影响到用电安全，给供电、用电双 方带来巨大的经济损失，因此对变电站灾害的实时监测、预警成为电力系统研究 的热点和难点。传统的变电站接头温度检测方法是人工手持红外温度探测枪进行 逐点测温，这种模式常出现漏测、误报现象，而且高电压、强辐射环境给工作人 员带来身体伤害。分布式光纤温度测量系统也是处理变电站异常的方案，但存在 布线困难、工程复杂、投资大等问题。而变电站无线自动测温系统的开发，充分 利用了无线资源，做到了防剪、防破坏，且安装维护简单。 本文取得了以下成果： ( 1 ) 首次采用双电源管理和单片机工作模式切换实现无线测温节点的超低 功耗。 本文运用智能温度传感器d s l 8 8 2 0 、超低功耗单片机m s p 4 3 0 以及智能数传 模块c c l 0 2 0 ，开发了低功耗、高性能的无线铡温节点。考虑到单片机、温度传 感器和外围电路工作电流较小，采用k a x l 7 2 6 供电；考虑到c c l 0 2 0 数传模块在 数据发送和接收时电流较大，采用m a x 8 8 8 1 供电；同时，通过单片机的一个口线 接芯片的控制引脚，完全断开不需要其工作的部件电流，实现节点的动态能量管 理，进一步降低节点的功耗。 ( 2 ) 首次采用点对多点轮询模式实现变电站的无线测温。 控制室主机采用轮询的方式进行节点测温监控，即把点对多点一主多从方式 转换成点到点时分多址无线通信方式( t d m a ) 。主机按照预定的时间片对每个节 点进行询问，然后等待接收被问节点的应答数据并存入数据库。处理完成后继续 广播下一个节点编号，如此以至所有节点。测温节点根据设定周期启动测温，如 果温度超过设定阈值，则打开收发模块，等待主机的轮询信号以便发送温度数据。 之后该节点关闭c p u 进入低功耗状态。 ( 3 ) 首次分析了无线测温系统在高压变电站中的电磁兼容性。 一方面研究高压设备对无线测温装置进行无线通讯的影响，进而研究提高无 线测温装置的抗干扰能力的方法，如滤波或安装屏蔽装置；另一方面研究无线测 温装置的无线通讯对高压变电站内综合自动化管理系统的干扰，将无线通讯的干 扰控制在设备承载能力范围内。 关键词：变电站无线测温双电源管理轮询点对多点电磁兼容 a b s t r a c t d u em a i n l yt oe l e c t r i c a lo v e r l o a da n de q u i p m e n ta g i n gp r o b l e m s ，f i r ea n d e x p l o s i o n o c c u ra tt r a n s m i s s i o n c i r c u i t r yj o i n t s i n h i g h - v o l t a g et r a n s f o r m e r s u b s t a t i o n sb yh i g ht e m p e r a t u r e sa c c u m u l a t e da tt h e s es p o t s t h i si s f r e q u e n t l y a c c o m p a n i e db yh u g e f i n a n c i a ll o s st op o w e rs u p p l i e r sa n dc u s t o m e r s h e n c e r e a l - t i m et e m p e r a t u r ed e t e c t i n ga n dp r e w a m i n gi ns u b s t a t i o n sb e c o m e sh o ta n d d i f f i c u l to b j e c ti ne l e c t r i c a ls y s t e m a tp r e s e n t , t h et r a d i t i o n a lm e t h o d st om o n i t o rt h e t e m p e r a t u r e s i nt r a n s f o r n l e rs u b s t a t i o n si st h a ts t a f fm e m b e r sh o l d i n f r a r e d t e m p e r a t u r er i f l e st oe x a m i n et h et e m p e r a t u r ep o i n tb yp o i n t t h i sk i n do fw o r k p a t t e r nh a sal o to fd r a w b a c k s ，s u c ha sm i s s i n ga n dm i s d e c l a r a t i o n w h a t sm o r e t h e h i g h v o l t a g ea n di n t e n s er a d i a t i o nw i l ld a m a g em eb o d yo ft h ew o r k m e n d i s t r i b u t e d o p t i c a lc a b l et e m p e r a t u r ed e t e c t i n gs y s t e mi sa n o t h e rm e t h o dt om o n i t o rt h ea b n o r m a l s i t u a t i o no ft h es u b s t a t i o n s h o w e v e r ，t h ee x i s t i n gp r o b l e m sc a l l tb ei g n o r e de i t h e r f o re x a m p l e ，t h ew i r i n gi s c o m p l i c a t e d ，t h ec i r c u i ta g m gp r o b l e mi ss e r i o u s ，t h e c i r c u i td i s m a n t l ei sd i f f i c u l ta n di ti se x p e n s i v e 1 i l ew i r e l e s st h e r m o m e t r i cw o r k i n g w a yi sp o s s i b l et op r e v e n tf r o mc u t , d e s t r o y i tn e e d sn o tw i r i n ga n dt h ep r o j e c ti s s i m p l e ，e a s yt om a n a g e m e n ta n dm a i n t a i n 。 t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so f t h i st h e s i sa r el i s t e dh e r e ： 1 ) f o rt h ef i r s tt i m e ，d o u b l ep o w e rm a n a g e m e n tt e c h n i q u ea n dw o r kp a t t e r n s w i t c h i n go fc h i p sa r ea p p l i e dt or e a l i z eu l t r a - l o ，wp o w e rc o n s u m p t i o no ft h ew i r e l e s s | _ t e m p e r a t u r ed e t e c t i n gs p o t s i nt h i s p a p e r , i n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r es e n s o rd s18 8 2 0 ，u l t r a - l o w p o w e r c o n s u m p t i o nc h i pm s p 4 3 0a n di n t e l l i g e n td i g i t a lt r a n s f o r m i n gm o d u l ec c10 2 0a le a p p l i e dt oe x p l o i tl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，q u m i t yp e r f o r m a n c ew i r e l e s st e m p e r a t u r e d e t e c t i n gs p o t s i nv i e wo ft h ew o r k i n gc i r c u i to ft h ec h i p ，s e n s o ra n dp e r i p h e r a lu n i t s a r es m a l l ，t h e ya r ec u r r e n ts u p p l i e db ym a x l 7 2 6 ；i nv i e wo ft h ed a t as e n d i n ga n d r e c e i v i n gc i r c u i t so f c c l 0 2 0a r el a r g e ，i ti ss u p p l i e db ym a x 8 8 9 1 a tt h es a m et i m e ， t h ed e a dz o n eu n i t so ft h es p o t sa r ep o w e rc u tt h r o u g hb i n d i n ga p o r tt h et h ec h i pw i t h t h ec o n t r o lp i n so f t h es l u g st or e d u c et h ep o w e r c o n s u m p t i o no f t h es p o t s 2 ) f o rt h ef i r s tt i m e , p o i n tt o m u l t i p o i n tp o l l i n gm o d ei s a p p l i e dt or e a l i z e w i r e l e s st e m p e r a t u r ed e t e c t i n gi ns u b s t a t i o n s t h eh o s tc o m p u t e ri nc o n t r o lr o o mu t i l i z e s p o l l i n gm o d et om o n i t o rt h e t e m p e r a t u r e so ft h es p o t s ，i e t u r n i n gp o i n tt om u l t i - p o i n tm o d ei n t ot i m e d i v i s i o n m u l t i p l ea d d r e s s ( t d m a ) w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d e t h eh o s te n q u i r e se a c hs p o t a c c o r d i n gt op r e d e f i n e dt i m es l i c e ，t h e ni tw a i tt or e c e i v ed a t af r o mt h ee n q u i r e ds p o t a n dm e m o r i z et h e mt od a t ab a s e w h e nt h i sw o r kf i n i s h e s ，a n o t h e rs p o ts e r i a ln u m b e r i sb r o a d c a s t e d ，a n ds oo n t h es p o ti n i t i a t e st od e t e c tt e m p e r a t u r ea c c o r d i n gt o p r e d e f i n e dp e r i o d i ct i m e i ft h et e m p e r a t u r em e a s u r e di sh i g h e rt h a nt h e s t a t e d t h r e s h o l d ，t h es p o to p e n sr e c e i v i n gm o d u l et ow a i tf o rt h ee n q u i r i n gm e s s a g ef r o m h o s ts oa st os e n dt e m p e r a t u r ed a t a s u b s e q u e n t l 5t h i ss p o tc l o s e sc p ui n t ol o w p o w e rc o n s u m p t i o ns t a t e a sf o rt h es p o t sw h i c ht e m p e r a t u r e sa p p r o a c ht h es t a t e d t h r e s h o l d ，t h et i m ei n t e r v a lo fd e t e c t i n gt e m p e r a t u r e si ss h o r t e n e ds o a st o f i n d a c c i d e n t si nt i m e ( 3 ) f o rt h ef i r s tt i m e ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) o fw i r e l e s s t h e r m o s c o p ei nh i g h - v o l t a g e i ss t u d i e d o nt h eo n eh a n d ，t h ei n f l u e n c e so fw i r e l e s st h e r m o s c o p et o h i g h v o l t a g e e q u i p m e n t sa les t u d i e dt oe n h a n c et h ea n t i j a m m i n ga b m t yo fw i r e l e s st h e r m o s c o p e s u c ha si n s t a l l i n gf i l t e ro rs h i e l de q u i p m e n t o nt h eo t h e rh a n d ，d i s t u r b so fw i r e l e s s t e m p e r a t u r i n gd e t e c t i n gs y s t e mt oi n t e g r a t ea u t o m a t i cm a n a g es y s t e mi ns u b s t a t i o n s a r es t u d i e ds oa st od o m i n a t et h ed i s t u r b so f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni n t ot h er a n g eo f e l e c t r i ce q u i p m e n t s k e yw o r d s ：s u b s t a t i o n ，w i r e l e s st e m p e r a t u r ed e t e c t i n g ，d o u b l ep o w e r m a n a g e m e n t ，p o l l i n g ，p o i n tt om u l t i - p o i n t ，e m c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢佘矗游签字吼易。7 年刖日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 德授撂：薹鲞基堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索。，并采甩影印，、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：各诲谵 签字日期：z 口口7 年f 月f 衫日 导师签名： 弋哆 、 签字日期：7 年占月日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 高压变电站接头测温的研究进展 1 1 1 高压变电站接头测温的背景和意义 随着我国经济的快速增长，电力供应量日益增加，电力供应量的持续快速增 长给高压电网设备带来了一系列安全问题。为预防各类电力事故，安全运行监测 的工作量快速增大，作为高压电网设备安全运行的主要参数一输变线路接头温度 的监测工作更是日趋繁重。然而长期以来，我国电网设备的安全使用未得到应有 的重视，电力设备技术性能落后、陈旧、可靠性低，导致事故频繁发生，造成设 备损坏，不仅危及人身安全，还直接影响社会的安定和经济建设的发展。相当多 的供电企业缺乏综合技术能力，在实际应用中往往出现不和谐的现象，影响了电 力运行的正常生产。与一些发达国家相比，我国电网的平均故障率偏高，其中一 个重要原因就是我们缺乏对电网系统有效的在线监测手段，其中对电网系统进行 温度在线监测就是其中很重要的一个方面。根据电力事故分析，由于电网设备温 度过高引起火灾占相当大的比例，这种火灾一旦发生，将导致大面积电网设备烧 毁，机组被迫停机，生产无法进行，从而造成重大的经济损失。通过事故分析， 引起火灾的直接原因就是输变线路接头质量不良，压接头不紧，接触电阻过大， 长期运行造成电缆头过热而烧穿绝缘，最后导致电缆沟火灾的发生。如果能在事 故发生的早起，提前进行预警并迅速采取措施，将能有效地避免此类事故的发生。 因此，对变电站输变线路接头温度进行精确的监测是非常必要的。 变电站输变线路的接头温度是衡量变电站安全生产的一个重要指标。在正常 情况下，接头温度在2 0 c 3 0 c 之间，如果超过6 0 c 7 0 。c ，则有可能发生火 灾或爆炸现象，不紧影响变电站的安全生产，而且严重威胁公共安全，还会给供 电、用电方带来巨大的经济损失。国外变电站爆炸事故规模较大的有2 0 0 5 年5 月莫斯科变电站大爆炸、2 0 0 6 年8 月多伦多变电站爆炸、2 0 0 2 年纽约曼哈顿区 变电站爆炸等，不仅造成巨大的经济损失，而且使城市陷入一片恐慌。类似事故 在国内也时有发生，爆炸规模较大的有河南开封电业局郭屯变电站、广州电力工 业局赤沙变电站、广州石牌变电站、海口金盘变电站、山西安塞变电站、湖北宜 城白庙变电站等，经济损失都十分巨大( 例如2 0 0 5 年9 月2 0 日白庙变电站爆炸， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 直接经济损失达5 0 0 多万元，间接经济损失更是无法估计) ，而且严重影响居民 生活和生产。2 0 0 5 年莫斯科由于持续高温、电力负荷加重引起的变电站大爆炸， 波及2 5 个城市，交通瘫痪、股票交易所关闭，2 个小时内就造成了至少1 0 亿美 元的损失。2 0 0 2 年7 月2 0 日下午纽约曼哈顿区一座变电站突然发生猛烈爆炸， 造成大面积居民区停电，6 万多居民生活因此受到影响。许多居民被困在电梯内， 当地地铁运输也受到不同程度的影响。2 0 0 2 年5 月1 9 日晚1 1 电广州赤沙变电 站线路突然爆炸起火，伴随震耳欲聋的巨响，火光冲天，大伙燃烧了近5 个小时 才被扑灭，造成市区大面积短期停电。在现场，变压器反复数次复燃，消防部门 二次出警才扑灭大火。2 0 0 6 年3 月4 日下午，陕西安塞变电站两处电缆头爆炸， 导致安塞县城和8 个乡镇全部停电，至少影响到1 0 万居民的正常生活。在停电 近3 0 小时后，县城才恢复供电。2 0 0 3 年1 0 月1 9 日上午，武汉汉江路变电站发 生剧烈爆炸，导致六渡桥一带数万户居民及大片商业门点停电，历时5 个小时才 修复，事故原因为常年盘踞在变电站周围的烧烤摊点的油烟污染导致配电线路短 路所致。图1 1 分别给出了变电站爆炸的实例： 图1 1 a ：莫斯科变电站爆炸， 图1 1 b ：广州赤沙变电站爆炸 2 万人被困在地铁内 实践证明，在大负荷电器用户单位，电缆事故、电气失火是最易引发火灾的 原因，据资料统计：近2 0 年来我国电力、石化、通信等行业发生电缆火灾数百 起。任何电缆火灾从潜伏到发生都必然经历如下过程：隐患裂变一温度缓慢上升 一温度加剧上升一产生轻微烟雾一产生明烟一高温烈火一引起火势蔓延。可见在 火灾潜伏期温度缓慢上升的过程中及时发现火情并采取措施，是最佳的防范策 略。输变电线路与设备安全存在以下关系： 1 ) 大功率供电电缆及延伸供电线路若出现短路、局部短路、严重过负荷、 接头老化引起局部过热及终端设备火患等都可能引发电缆出现绝缘层燃烧、用电 天津大学硕士学位论文第一章绪论 设备燃烧火； 2 ) 设备局部短路、不合理用电造成的过负荷运行、电缆老化引起的绝缘降 低及局部击穿短路、操作短路、电缆中间接头或终端接头接触不良、接触层氧化 等原因造成电缆温度异常升高。 天津电网输变电设备档次普遍不高，时刻威胁到电网的安全运行。据国家电 网公司2 0 0 5 年6 月的统计数据，天津电网运行3 0 年以上的变电站和输电线路数 量是北京、上海、重庆3 个直辖市之和，电网设备的健康水平明显落后于其他3 个直辖市。在对天津市的变电站的实地考察中发现，目前变电站节点温度的检测 主要依靠人工完成，自动化程度偏低。 本文以天津大学工程力学系同天津市供电公司西青供电分公司共同承担的 “高压变电站无线测温装置”以及2 0 0 7 年天津市重点科技支撑计划项目“高压 变电站无线自动测温报警系统”为依托，进行了高压变电站无线测温装置、传输 网络的设计与开发。 1 1 2 国内外研究现状 变电站接头温度的检测经历了人工逐点无线测量、有线在线检测和无线自动 检测三个主流过程，另外，还存在红外热成像等方法。国内中小型的变电站基本 上都采用红外点温仪( 测温仪) 进行人工逐点测温的方式，部分较大型且条件允 许的变电站采用分布式光纤测温或红外热像仪，国外在变电站综合自动化系统的 研究和应用中领先于我国的在于设备有线在线检测的精度更高、可靠性更强，从 本质上将并没有超越有线测温的范畴。在变电站接头温度无线自动检测方面，由 天津大学科技查新报告“高压变电站无线自动测温报警系统”( 报告编号： 2 0 0 6 1 2 d 0 3 0 0 2 9 6 ) 得到的结论得知，国内外尚未发现应用成功的案例【l 】。作为一 种方法上的创新，在本节中，从以下几个方面分析国内外变电站接头温度的发展 现状，而不再区分国内外自动化程度的高低： ( 1 ) 人工逐点无线测温 人工逐点无线测温是有工作人员手持红外点温仪( 测温仪) 完成，红外点温 仪( 测温仪) 是依据待测目标的红外辐射能量与其温度具有固定函数关系制成的 ( 2 1 ，其原理如图1 2 所示，主要由四个部分组成： 光学系统 测红外放 温 八 检测 扒 大 入 信号 入 显示 y 处理 占 器 器 天津大学硕士学位论文第一章绪论 图1 2 红外点温仪( 测温仪) 的原理框图 红外光学系统收集待测点发射的红外辐射能量，并把它们汇聚到红外探测器 的光敏面上；红外探测器则是决定点温仪( 测温仪) 性能的关键部件；信号处理 系统的主要作用是放大、抑制噪声、线性化处理、发射率修正、环境温度补偿、 a d 和d a 转换等；显示系统可选用发光二极管、数码管和液晶等数字显示器 件。红外点温仪( 测温仪) 运用红外非接触测温技术恰好满足了电气设备在高电 压、大电流等运行状态下监测温度的要求。它在准确判断设备故障、有效降低维 修费用方面有着良好的效益。同时也存在很多弊端：由人工手持测温仪在阳光下 用眼对接头逐点测温，漏测、误报现象十分严重，同时检测人员长期工作在变电 站的高电压、强磁场的环境中，对人身也造成了极大伤害。另外，开关接点、电 控器件等设备往往处于密封状态而无法测量。 红外热像仪以扫描方式探测设备温度，取代逐点测量模式，极大提高了工作 效率，通过扫描方式测温，使得对变电站接点温度的重点测量转为全面测量成为 可能。其原理如图1 3 所示： 图1 - 3 红外热像仪嗨原理框图 光学系统以反射式、折射式和折反射式三种方式提供光源；光机扫描系统将 图像分解为一系列象素；制冷红外探测器的功能在于降低热噪声、屏蔽背景噪声， 提高探测器的信噪比和探测率；显示系统根据探测器输出并经处理后的视频信号 把待测目标各部分的温度值及其热像予以显示。这种测量方法比逐点测温有了很 大的改进【3 4 1 ，然而它同样存在缺陷：如费用昂贵，覆盖面较小，容易受到干扰。 ( 2 ) 有线在线检测 有线在线检测主要指分布式光纤测温系统，它是一种用于实时测量温度场分 布的传感系统。光纤温度传感器的温敏元件为半导体，光源( 发光二极管) 发出 的光，经光纤通过温敏元件，当温度增加时，透射光的强度随温度上升而下降， 且有较好的线性度。用光探测器测定透射光的强度，即可测得该处的温度。这种 传感器的特点是体积小，抗电磁干扰能力强。由于光纤绝缘性能良好，所以光纤 温度传感器特别适用于检测处于高电位或设备内部的温度。分布式光纤传感技术 具有抗腐蚀、宽信号传输带等特点，能够连续测量管线沿线所在处的温度，测温 范围广，特别适用于需要大范围多点测量的场合。杨国平等较深入的比较了传统 天津大学硕士学位论文第一章绪论 测温器与分布式光纤测温，并介绍了分布式光纤传感器对变压器、电缆及配电柜 等电气设备发热部位测温中的广泛应用【5 】。艾谦对光纤b r a g g 光栅传感器的封装 也研制做了较深入的研究，并探讨了光纤光栅温度传感系统在电力系统测温中的 应用【6 j 。另外，光纤的有线在线检测还可以应用到变电站其它信号的采集方面， 如k b o h n e r t 等人将光纤检测应用到高压变电站的电压和电流的在线检测中【7 1 ， j i a n g d o n gd e n g 等人研究了光纤在变电站局部放电中的应用【8 】。 ( 3 ) 无线自动测温 随着微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步，人们越来越重视无线 资源的利用，不断推动低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够 集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。其中的一个主流研究方向就是 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) ，它由部署在监测区域内大量 的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络 - 系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发 送给观察者1 9 , 。 组建变电站无线自动测温报警系统需要两个环节，一是测温节点的设计，另 一个是网络的构成。测温节点通常携带能量有限的电池，在高压变电站区内，传 感器节点通过更换电池的方式补充能量是不现实的，如何高效使用能量来最大化 节点的生命周期是一个挑战。动态电源管理、动态电压调节技术是开发测温节点 常用的方法【1 1 1 。节点处理器和传感器模块的功耗很低，绝大部分能量消耗在无线 通信模块上。传感器节点传输信息时要比执行计算时更消耗电能，传输l b i t 信息 1 0 0 m 距离需要的能量大约相当于执行3 0 0 0 ：条计算指令消耗的能量。因此，无线 通信模块必须大部分时间内处于睡眠或空闲状态【1 2 1 。在节点的低功耗设计方面， t a e k s a n gs o n g 以及h a e - m o o ns e o 等人运用c m o s 技术开发的节点，接收和发 送的功耗可以降到毫瓦级 1 3 j 4 。张大踪等人使用微控制器m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，结合外 。围的低功耗传感器a d t 7 3 0 1 和无线射频模块n r f 2 4 0 1 ，设计了一种低功耗无线 传感器网络节点【l5 1 ，段静迪等人则设计了一种基于c c l 0 1 0 芯片的低功耗节点 f 1 6 】 o 在构建无线网络方面可以有两种选择，其一是利用已经存在的通信公用网， 比如公用蜂窝网，其二是建立一个个人的无线网络【1 7 】。在构建无线网络中，系统 的基本网络协议，包括路由协议、m a c 协议、拓扑控制协议以及目前非常看好 的低功耗低速率的无线网络协议i e e e s 0 2 1 5 4 需要详细的分析和设计。另外， 形成完整网络应用所需要的定位技术、时间同步技术、安全技术、数据管理技术 以及数据融合技术是系统实现的支撑技术；而跟踪系统和监测系统的软硬件研究 平台则是系统实现的应用技术【l 射。在变电站这一特殊环境中，除了需要考虑信号 天津大学硕士学位论文第一章绪论 传输的可靠性和安全性以外，一个重要的环节就是必须保障网络的生命周期。 j o o n g s e o kp a r k 等人通过在线启发式机制，实现了无线传感器网络的最大生命周 期【1 9 1 ；t h o m a sh o u 等人则通过优化单对话流路由实现了无线传感器网络的最大 生命周期【2 0 】；网络的能量消耗是保证网络生命周期的一个重要环节，y a n gy u 等 人通过首先为网络建立了数据采集树，然后通过设计分布在线协议的方式实现了 无线传感器网络实时数据采集的能量最小化问题【2 1 】；x i a o l e is h i 则设计了一种无 线传感器网络的超低功耗m a c 协议瞄】：张大踪等则对无线传感器网络的低功耗 设计进行了详细的综述，综合考虑了传感器节点的低功耗设计以及网络各层的低 功耗设训2 3 】。 由于c c l 0 2 0 提供了透明的数据传输，即提供透明的数据接口，能适应任何 标准或非标准的用户协议。自动过滤掉空中产生的噪音信号及假数据( 所发即所 收) ，所以在本文中，采用这种具有优良特性的无线数传模块，自我设计简单的 网络协议。 1 2 核心技术概要 在变电站无线自动测温报警系统的设计中，主要的创新点为测温节点的低功 耗设计，其中包括无线射频领域的电源管理技术；基于c c l 0 2 0 的时分多址无线 通信网络；为了保证节点的正常工作，不受到变电站设备的干扰以及节点的工作 不影响到变电站设备的正常运行，本文所提到的电磁兼容性研究；简要分析了温 度数据的存储与数据挖掘。在本节中，将简要分析以上几个核心技术的发展现状 及其理论知识。 1 2 i 电源管理 传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低、功耗小，这些限制必然 导致其携带的处理器能力比较弱，发送、接收模块必须长时间处于休眠状态。如 何利用有线的能源完成系统的功能成为测温节点设计的挑战。 随社低功耗电路和系统设计技术的提高，目前已经开发出很多超低功耗的单 片机，除了降低处理器本身的功耗外，某些处理器还支持模块化供电和动态频率 调节功能。利用这些处理器的功能，传感器节点的操作系统设计了动态能量管理 ( d y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n t ，d p m ) 和动态电压调节( d y n a m i cv o l t a g es c a l i n g ， d v s ) 模块，可以更加有效的利用节点的各种资源。其中，动态能量管理是当节 点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处于空闲状态，把这些组建关掉或调 到更低能量消耗的睡眠状态 1 8 】。本文正是在这种技术的基础上进行了有效开发， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 不仅把不需要工作的模块关闭或使其进入睡眠状态，而且，对于不同的组建的电 流大小不同，分别进行控制。一般情况下，具有动态能量管理和动态电压调节的 芯片体积都比较大，为了使所设计的无线测温节点体积更小，安装更加方便，本 文采用了可编程的电源管理芯片m a x 8 8 8 1 和m a x l 7 2 6 。 在芯片的电源管理方面，国内外许多学者进行了有意义的分析和设计，电路 芯片的降电压设计、启发式开启是系统设计的核心【2 4 , 2 5 , 2 6 】。何乐年等人捷出乐一 种在系统芯片( s o c ) 中加入电源管理模块，用动态方法对外部电源进行管理的 设计思想，达到稳定供电，低电压检测以及保护随即存储器内容等目的，解决了 传统外部电源直接给芯片供电造成的稳定性低等问题【27 1 。 电源管理技术的发展趋势是在更小的芯片上集成更多的功能特性，同时以更 高的设计灵活性实现更强的系统用电性能，而不增加成本，且拥有较小的外形尺 寸。n s 的多功能电源管理单元l p 3 9 7 0 和m a x i m 公司推出的m a x 系列电源管 理i c ，性价比高，使用方便、灵活。其中m a x i m 公司针对不同的r f 应用开发 了多款小尺寸的专用i c 。 1 2 2 时分多址无线通信 在点对多点的无线数据传输中大多采用跳频技术实现。跳频技术是无线扩频 技术中的一种，其实现方法是载频信号以一定的速度和顺序，在多个频点上跳变 传送，接收端以相应的速度和顺序接收并实现解调。预先设定的频率跳变序列为 p n 码，在其控制下收发双方按照预先设定的序列在不同的频点上通信。由于系 统的工作频率在不停的跳变，在每个频点上停留的时间非常短。因此跳频系统中 的跳频器是硬件实现的关键。跳频信号很好地解决了点对多点地同频干扰问题， 然后接收机要完成所有终端节点的同步以及每个p n 序列码地解扩，然后进行并 行运算，使得系统复杂度提高，难以在技术上实现。为了避免同频干扰，时分多 址技术( t d m a ) 将是一种有效的解决方案。中央控制器通过扫描方式一次与终 端通信，即把点对多点的通信方式转换为点对点的时分多址。系统不仅有效避免 了同频干扰，而且系统得以简化，因中央控制器扫描轮询所造成的时间延误也可 控制在一定范围内【2 8 1 。 目前，智能化、网络化的测控系统正在成为新一代测控系统的工业标志。邓 永德设计了一个点对多点德无线测控系统，该系统采用主从分布式的组合结构， 由一台工控机、多个s p c e 0 6 i a 单片机和同等数量的b h - 1 型无线收发模块组成 1 2 9 。上海桑博电子科技有线公司利用自我开发的s t r - - 2 r f 模块，实现了点对 多点无线通信协议的编写，点对多点无线通信系统打包与解包的软件设计，为无 线通信系统的软硬件设计提供了可靠的解决方案p 。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 3 电磁兼容 电磁兼容简称e m c ，是研究电磁环境的- - t 3 学科。所谓电磁兼容性，是指 设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中的任何事物造成不能承 受的电磁骚扰的能力。e m c 研究范围非常光，以至于可以说凡是与电磁有关的 学科中都有e m c 问题，所以说它是一门渗透到各个学科领域中的边缘性学科。 随着科学技术的进步，电磁环境日益复杂，e m c 的研究范围还在不断扩大。 在不同学科的研究中，e m c 的侧重点不同，在通信方面主要研究的是高频 骚扰问题，而对于电力系统则偏重于低频及暂态骚扰。在高压变电站无线自动测 温报警系统中，无线通信和电力设备均涉及到，因此有必要对系统的电磁兼容性 进行研究。 随着电力系统自动化水平的不断提高，电子设备在电力系统中的应用更加广 泛，电子设备使用的电子元件从电子管发展到晶体管、集成电路以及大规模和超 大规模集成电路，其工作电压也是一级级降低，由原来的几十伏降到几伏，电子 设备对外界的干扰变得更加敏感，导致其损坏或误动所需要的干扰信号的幅值和 能量越来越低，电磁兼容问题更加突出【3 。 无线收发模块如何应用于变电站内，在国内外还没有发现相关的报道。在与 天津市供电公司系统供电分公司共同承担的项目实施中，选择了试点变电所进行 了试验，证明了这一装置的可靠性。同时，在以下章节中，从理论上进一步证实 这一系统的可行性、可靠性。 1 3 论文的主要工作和内容安排 纵上所述，由于供电负荷的急剧增加、供电设备老化严重等现象的发生，高 压变电站潜在的危险日益严重，因此迫切需要建立一个能够覆盖变电站站区的无 线自动测温报警系统。 本文针对这一问题，本文在查阅和分析已有研究成果的基础上，主要作了以 下几方面的工作： 1 、首先介绍了目前高压变电站由于接头温度过高引发的爆炸、火灾现象， 指出变电站接头温度监控的重要性；分析了现有变电站接头温度检测的方式方 法，指出了这些方法存在的弊端。 2 、采用双电源管理机制，运用智能温度传感器d s l 8 8 2 0 、超低功耗单片机 m s p 4 3 0 以及智能数传模块c c l 0 2 0 ，开发了低功耗、高性能的无线测温节点。 3 、采用点对多点轮询模式实现变电站的无线测温，把点对多点主从方式转 天津大学硕士学位论文第一章绪论 换为点对点时分多址无线通信方式，合理解决了通信中的冲突，保证了网络的安 全性和使用周期。 4 、讨论了无线自动测温节点应用于高压变电站中的电磁兼容性，既保证了 变电站设备不对测温节点造成传输障碍，又保证了测温节点不对变电站设备造成 损坏。 5 、进行全文总结。指出无线测温系统的进一步发展方向，以及无线系统开 发向其它领域拓展的可行性。 天津大学硕士学位论文 第二章测温节点的设计 第二章测温节点的设计 在本文中，测温节点由温度传感器d s l 8 8 2 0 、超低功耗单片机 m s p 4 3 0 f 1 1 2 1 a 、无线收发模块c c l 0 2 0 ( 上海桑博公司出品的集成收发模块 s t r 一3 0 ) ；电源管理芯片m a x l 7 2 6 、m a x 8 8 8 1 和外围电路，以及高能电池。首 先对温度传感器、单片机、无线模块进行介绍，第二节中介绍电路的设计以及双 电源管理技术，最后详细说明该节点的工作机制。电源的选择应该充分考虑容量、 价格、使用温度范围以及体积等因素，一般要求容量在2 0 0 0 , - 一3 0 0 0 m a h 以上。 2 1 硬件介绍 2 1 1d s l 8 8 2 0 自从美国d a l l a s 公司生产单总线、数字式温度传感器系列( 如d s l 6 2 0 、 d s l 8 2 0 、d s l 8 8 2 0 ) 以来，相继被广泛应用于计算机与自动化测控领域。这种 传感器改变了传统温度测量的方法，能在现场采集温度数据，并直接将温度以数 字信号的方式通过总线发送到计算机进行处理。d s l 8 8 2 0 的测试温度范围为- 5 5 + 1 2 5 ，使用方便灵活，测试精度高，优于其它传统温度数字化、自动化 测试设备【3 2 j 3 1 。 d s l 8 8 2 0 的测量精度为o 5 ，测量的温度值用9 , - 一1 2 位数字表示，最大转 换时间为7 5 0 m s ，用户可以自行设定d s l 8 8 2 0 的转换分辨率以及温度超标报警 的上、下限值，并能够长期保存。利用d a l l a s 的单总线控制协议和单线控制信号 在总线上实现数据的读写。d s l 8 8 2 0 的另一个特点是在没有外部电源下操作的 能力，电源可由总线为高电平时d q 引脚上的上拉电阻提供( 寄生供电模式) ， 此时v d d 脚接地。采用寄生电源方式的好处为：1 ) 进行远距离测温时，无需本 地电源；2 ) 可以在没有常规电源的条件下读取r o m ；3 ) 电路更加简洁，仅用 一根i o 口即可实现测温。也可用传统的方式供电，即将外部电源接在v d d 脚上。 为了使d s l 8 8 2 0 进行精确的温度转换，i 0 线必须保证在温度转换期间提供足够 的能量，由于每个d s l 8 8 2 0 在温度转换期间工作电流达到l m a ，当几个温度传 感器挂在同一根o 线上进行多点测温时，只靠4 7 k 上拉电阻无法提供足够的 能量，会造成无法转换温度或温度误差过大。 虽然d s l8 8 2 0 具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等 天津大学硕士学位论文 第二章测温节点的设计 优点，但在实际应用中也需要注意以下几个问题： 1 ) 较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于d s l8 2 0 与微处理 器间采用串行数据传送，因此，在对d s l 8 2 0 进行读写编程时，必须严格的保证 读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用p l m 、c 等高级语言进行系统程 序设计时，对d s l 8 2 0 操作部分最好采用汇编语言实现。 2 ) 在d s l 8 2 0 的有关资料中均未提及单总线上所挂d s l 8 2 0 数量问题，容易 使人误认为可以挂任意多个d s l 8 2 0 ，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂 d s l 8 2 0 超过8 个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点 测温系统设计时要加以注意。 3 ) 连接d s l 8 2 0 的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电 缆传输长度超过5 0 m