基于WSN的母线接头温度实时监测系统研究
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摘 要：母线是电力输送设施的关键部件，同时也是容易发生故障的设备。母线接头温度的异常变化与母线故障的发生密切相关，因而其温度的监测对于及时发现母线故障具有重要意义。文中首先给出了基于无线传感器网络（WSN）的母线接头温度实时监测系统整体设计方案，然后提出了一种基于ESP8266 WiFi芯片通信模块与DSB18B20温度传感器模块的母线接头温度实时监测系统，运用STM32F103控制2个模块实现设备运作。针对母线高温环境无法使用电池供电的问题，采用直接从母线供电进行电压转换的方式解决。实验测试表明，该监测系统具备了测温的准确性与稳定性，对母线故障监测与诊断具有重要意义。
关键词：无线传感器网络（WSN）;模块设计;母线接头温度;实时监测;控制;通信
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）07-00-03
0 引 言
随着我国经济的发展，各行各业用电量迅速增加[1]。在大电流输送时，母线具有很大的优势，其应用也越来越广[2]。母线运行的可靠性成为重要的工业研究课题。母线接头处采用螺栓连接，一旦出现接头螺栓未拧紧或发生热胀冷缩和氧化现象，都会使母线接头阻抗快速增大[3]。因而，母线接头高电阻连接是母线运行中最常见的故障之一[4]。电路中的高电阻连接会导致母线接头局部过热和供电电压不平衡[5]，从而使配电系统及电动机的效率降低，甚至还会造成意外停机，引起不必要的经济损失[6]。因此，母線接头温度监测对于工业设备的可靠、高效和安全运行至关重要[7]。
1 监测系统硬件结构
母线运行状况在线监控系统是由无线传感器节点、汇聚节点及上位机终端组成。其中，无线传感器节点A（1）～
A（n）安装在A号干线的母线接头上，B（1）～B（m）安装在B号干线的母线接头上，由各干线母线接头上的无线传感节点在传输信息过程中形成了无线传感网络（WSN），最后可通过汇聚节点把各节点上的温度、电流信息传送给上位机终端。母线运行状况在线监控系统物理结构如图1所示。
1.1 WSN节点
无线传感器节点位于母线接头处，主要由4个模块组成，分别为传感器模块、控制器模块、无线通信模块、电源模块。其中，传感器模块采用A，B，C三相母线温度传感器，电源模块包含铜柱触头与电源获取组件，控制器模块与无线通信模块安装于节点支撑板的另一侧。WSN节点母线接头温度采集结构如图2所示。
1.1.1 传感器模块
传感器模块负责采集母线接头表面中心点处的最高温度，可以结合流过母线的电流强度选择相应测量温度范围的传感器。本设计中温度采集模块采用DSB18B20测温传感器，定时采集母线接头温度，测量精度误差为±1 ℃。DSB18B20测温传感器模块如图3所示。
1.1.2 控制器模块
控制器模块作为系统控制与调度的核心，主要完成如下任务：
（1）负责控制传感器模块，使其定时采集和处理温度数据;
（2）负责控制无线通信模块，实现采集温度数据的收发;
（3）负责监听上位机终端指令，按照上位机终端的要求提取传感器模块采集的母线接头表面温度数据。
目前，控制器芯片厂商有索尼、东芝、恩惠浦、德州仪器与意法半导体公司。根据母线接头温度监测系统需求，本设计采用性价比高的意法半导体公司生产的STM32F103，母线接头温度采集控制流程如图4所示。
1.1.3 无线通信模块
无线通信模块联系其所在WSN节点与上位机终端，负责数据的无线收发：
（1）在大电流、强磁场的母线工作环境中，无线通信模块需具有良好的稳定性与可靠性;
（2）实时在线传输，具备母线接头表面温度实时收发能力;
（3）面向多系统多平台应用的兼容性，无线通信模块的选取关系着系统运行的实时性与可靠性。
通过对国内外多家厂商的比较，我们选取乐鑫公司生产的ESP8266芯片作为WiFi模块，该模块体积小、重量轻，安全性和稳定性较好，内置32位处理器，睡眠模式下功耗可忽略不计。ESP8266芯片WiFi模块如图5所示。
1.1.4 电源模块
考虑到母线工作的高温环境不适合WSN节点常采用的电池供电方式，可以使用母线上220 V电压供电。由于监测系统中的WSN节点采用直流5 V电源供电方式，且其正常工作的电压为直流3.3 V，因此需要将220 V母线电压转换为系统所需的5 V和3.3 V电压，转换电路如图6所示。
2 监测系统通信协议
本设计采用2.4 GHz IEEE 802.15.4协议，传输的数据帧格式如图7所示[8]。其中，母线接头温度数据存放于MAC载荷内，MAC层数据帧的最后两个字节用于帧校验，发送数据时存放CRC冗余码，接收数据时存放RSSI值、CRC以及LQI值。通过读取MAC层数据帧的最后两个字节，提取LQI值即可实现发射端到接收端无线链路质量的监测。
3 实验测试
依照介绍的母线接头温度监测系统WSN节点设计方案，制作如图8所示的测温节点，并安装在基于3D打印制作的塑料保护面板上。
测温系统的测试分别通过两组实验完成。一组通过监测系统的WSN节点进行A相母线接头温度采集，每6 min完成一次母线接头温度检测并上传至上位机，再将其保存到数据库。另一组实验在WSN节点进行A相母线接头温度采集的相同时刻，使用温度测量仪精确测出A相母线接头温度的实时数据。实验耗时10 h，分别获得100组A相母线接头温度数据。
实验结束后，将母线接头温度监测系统WSN节点采集的数据从数据库导出，并与温度测量仪记录的数据进行比较，通过MATLAB绘制出如图9所示的温度曲线。 通过本装置的测温数据和温度测量仪所测得的实际温度值的对比，发现本装置的测量温度值和实际温度值均在68～69 ℃范围内，温度差异不大，两者的最大差值为±1 ℃。这个误差对于测温节点故障的判断基本没有影响，本装置的测温精确度和稳定性均满足母线接头温度的采集要求。
4 结 语
本文设计了一套基于WSN的母线接头温度实时监测系统，提出了一种实用性强的检测方案。以STM32F103为核心控制器，对母线接头表面温度进行数据采集，利用ESP8266 WiFi通信模块实现下位机模块数据传输，并采用直接从母线供电进行電压转换的方式解决了母线高温环境无法使用电池供电的问题。实验测试表明，该监测系统具备测温的准确性与稳定性，对母线故障监测与诊断具有重要意义。
参考文献
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