隨著城鄉(xiāng)用電負荷的增加，低壓配電網(wǎng)使用的銅芯電纜需求量增大，而近幾年銅資源緊缺，其價格也持續(xù)上升，減少電纜成本、降低線路損耗、提高性價比已成為選擇低壓電纜的重要因素。鋁合金電纜用于負荷傳輸和配送，提供了良好的強度和傳導(dǎo)率，可在滿足電氣性能的前提下大大降低成本。

加鋁Stabiloy 0.6/1kV鋁合金電纜在低壓配電網(wǎng)中逐步得到推廣和應(yīng)用，在相同載流量下其重量僅為銅電纜的一半，其截面積為銅電纜的1.5倍時兩者電氣性能一樣，同時可相應(yīng)地降低安裝成本、減少設(shè)備和電纜的磨損；其次Stabiloy導(dǎo)體制造的電氣連接與銅導(dǎo)體制造的連接具有一樣的穩(wěn)定性；其導(dǎo)體的合金成份大大改進了連接性能，尤其具有高強度抗蠕變性能，即使在長時間過載和過熱時也能保證連接穩(wěn)定性。

Stabiloy 0.6/1kV合金電纜剛進入市場不久，其在低壓配電網(wǎng)中的適應(yīng)性應(yīng)進一步研究，為驗證其導(dǎo)電能力、連接性能等情況，需對敷設(shè)于空氣中合金電纜的運行電壓、電流和接頭處溫度進行在線監(jiān)測，并與傳統(tǒng)銅電纜做綜合比較，進而為低壓配電網(wǎng)電纜選型提供技術(shù)參考。

電纜接頭的不良連接會造成接觸電阻過大，長期運行會因發(fā)熱過量而使絕緣逐步老化甚至燒穿，是最易發(fā)生的故障點，因此，對合金電纜接頭溫度不間斷地監(jiān)測和統(tǒng)計分析可有效驗證其連接性能，并結(jié)合電參數(shù)等數(shù)據(jù)可全面了解其運行狀況。

常用的溫度監(jiān)測方法有：紅外測溫、光纖測溫、無線測溫等。紅外測溫法為非接觸式測量方法，存在精度低、響應(yīng)慢等缺點，且電纜敷設(shè)環(huán)境對測量準確度有較大影響。光纖測溫為接觸式測溫，靈敏度好、響應(yīng)快，但光纖系統(tǒng)的測量主機成本高、且需要布線，同樣易積塵的環(huán)境會影響光纖的絕緣性能。無線測溫不受環(huán)境影響、靈活性強，適合于測量點多、集中性差的電纜接頭溫度測量。

系統(tǒng)采用簡單、低成本的無線通信手段將電纜測量點溫度及相關(guān)運行參數(shù)上傳至供電所的監(jiān)測計算機，實現(xiàn)合金電纜運行狀態(tài)的在線監(jiān)測，可減少監(jiān)測設(shè)備的維護，無需長期安排巡視檢查人員。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

結(jié)合實際情況，Stabiloy合金電纜在所選試點的公用變低壓側(cè)到綜合配電箱之間安裝，系統(tǒng)由無線測溫終端、電參數(shù)測量模塊，環(huán)境溫濕度監(jiān)測模塊、通信管理模塊，以及監(jiān)測計算機等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

測溫終端與通信管理模塊之間采用基于ZigBee協(xié)議棧的無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信，為2.4GHz Mesh網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)容量大具有自組織、自愈能力強、網(wǎng)絡(luò)失效自恢復(fù)等特點；通信管理模塊與監(jiān)測計算機間采用GPRS網(wǎng)絡(luò)通信，其核心是帶有通信接口的MCU和GRPS模塊，其中電纜運行的電壓、電流等電參數(shù)和環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)由通信管理終端獲取，電參數(shù)測量模塊選擇安裝在綜合配電箱處。

綜合考慮合金電纜在所選試點的敷設(shè)位置，溫度傳感器可選擇安裝在銅與合金間的電氣接頭處，也可監(jiān)測合金導(dǎo)線之間的連接點，通信管理模塊最多可接收9個測溫終端的溫度數(shù)據(jù)，分3個位置點監(jiān)測3相電纜接頭溫度。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

硬件設(shè)計

無線測溫終端設(shè)計

合金電纜安裝于低壓用戶側(cè)，其運行的環(huán)境均未提供低壓工作電源，考慮測溫終端應(yīng)對電纜接頭溫度長期監(jiān)測以及安裝的方便性，宜選用電池供電方式。測溫終端硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，由CPU、測溫元件、供電電源、無線通信模塊等組成。

以低功耗單片機PIC16F690為CPU，該CPU帶1個UART接口和具有掉電保持功能的256字節(jié)EEPROM存儲器，該存儲器用于保存測溫終端的唯一地址編號。測溫元件的選取要求應(yīng)能將溫度檢測、轉(zhuǎn)換和處理集成于一體，TI公司帶SMBus接口的低耗電數(shù)字測溫元件TMP102采用I2C總線方式與CPU連接，可測溫度范圍-40℃～125℃，全量程測溫誤差為±1℃，在-25℃～+85℃范圍內(nèi)測溫誤差為±0.5℃，分辨率為0.0625℃。

其正常工作模式下的最大靜態(tài)電流為10μA，關(guān)機模式下則為1μA，工作電壓范圍寬，可選1.4V～3.6V。終端的工作電源由2節(jié)1000mAh鋰電池供應(yīng)，受電池容量限制，應(yīng)在設(shè)計過程中充分考慮低功耗設(shè)計，盡可能確保電池的使用壽命。

ZigBee無線通信模塊選用Digi公司的XBee ZB模塊，該模塊具有基于Mesh網(wǎng)的固件XB24-B，功能強大、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，其工作電壓范圍為2.1V～3.6V，并可支持管腳休眠、定時休眠，其休眠電流小于1μA。XBee ZB模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時功耗為1.25mW（+1dBm），傳輸距離可達100m。該模塊通過UART接口與CPU通信，數(shù)據(jù)通過無線通信模塊的輸入、輸出引腳以異步串行信號傳輸。

圖2 測溫終端結(jié)構(gòu)圖

無線測溫終端的組裝采用黃綠紅3色高壓絕緣熱縮套管恢復(fù)絕緣，測溫元件TMP102用環(huán)氧樹脂整體封裝于紫銅管中構(gòu)成測溫探頭，通過耐高溫導(dǎo)線與終端主電路板相連[11]。測溫探頭緊貼電纜接頭，可降低由空氣或外界對流引起的散熱，同時應(yīng)對測溫終端進行固定，防止由于電纜熱膨脹引起測溫終端與電纜脫離。

通信管理模塊設(shè)計

通信管理模塊負責接收所選試點的電纜接頭溫度數(shù)據(jù)、獲取電纜運行電參數(shù)、監(jiān)測環(huán)境溫濕度及數(shù)據(jù)集中后上傳至監(jiān)測計算機，要求應(yīng)具有多個通信接口，可采用的方案有MCU擴展串口模塊或使用多串口MCU模塊。

綜合考慮了開發(fā)周期、成本及穩(wěn)定性等因素，選用Rabbit公司的高性能微處理器—RCM6760，該模塊的主要硬件資源有：6個(可配置)高速CMOS兼容的串口，1個以太網(wǎng)口、1M程序FLASH、4M串行數(shù)據(jù)FLASH，1M快速SRAM，32個GPIO，看門狗等，與外圍電路的接口采用MiniPCI。

通信管理模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，RCM6760的3個UART通過芯片MAX1487及光耦PC817提供3路帶隔離的RS485通信接口，1路同電參數(shù)測量模塊通信，1路同環(huán)境溫濕度監(jiān)測模塊通信，1路作預(yù)留。

圖3 通信管理模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3中與UART3連接的XBee Pro ZB為通信管理模塊的無線通信接口，考慮到電纜的敷設(shè)距離選用了增強型無線通信模塊XBee Pro ZB，該通信模塊功耗為60Mw(+18 dBm)，傳輸距離可達500m，通過UART接口接收所選試點的多個測溫終端溫度數(shù)據(jù)，其參數(shù)設(shè)置同XBee ZB模塊。

與UART4連接的ME3000 GPRS為GPRS模塊，該模塊與RCM6760通信采用雙線模式，由CPU的數(shù)字I/O口線通過三級管放大驅(qū)動GPRS模塊復(fù)位、啟動/關(guān)閉，其通信波特率可達115200bit/s,外圍電路主要包括GPRS模塊供電與SIM卡。

需要注意的是，GPRS模塊在工作時需要較大電流，為保證供電電流的穩(wěn)定應(yīng)使用專用供電芯片，如MIC29302等，另外電路板的設(shè)計應(yīng)考慮抗干擾等問題。

圖3中未畫出的1個UART口通過SP3232芯片實現(xiàn)RS232電平轉(zhuǎn)換，作為程序下載及調(diào)試接口，以太網(wǎng)接口可作預(yù)留，同時還擴展了2路帶隔離的開關(guān)量輸出，用于電纜接頭溫度越限告警。

電參數(shù)及溫濕度模塊設(shè)計

電參數(shù)測量模塊采用寧波三星電表，具體參數(shù)為：3*220/380V，三相四線，3*1.5(6)A，DTS(X)188(B)，精度：有功1級、無功2級，帶RS485通信接口，其通信協(xié)議采用DL/T 645-1997。

環(huán)境溫濕度的監(jiān)測可采取將溫濕度傳感器直接與通信管理模塊的CPU連接，由RCM6760一并完成傳感器溫濕度數(shù)據(jù)的采集。考慮到通信管理模塊已在設(shè)計上預(yù)留了多個通信接口，環(huán)境溫濕度監(jiān)測模塊應(yīng)獨立設(shè)計。

選擇使用Microchip公司的16位單片機PIC24FJ64GA002作為CPU，該CPU帶有2個UART接口，1個作為通信接口，1個作預(yù)留。

傳感器選擇瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的集溫濕度傳感器、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路及存儲器于一體的數(shù)字傳感器芯片SHT11，該芯片為二線數(shù)字接口，完全數(shù)字量輸出、無需微調(diào)，與CPU直接連接，外圍電路簡單，具有體積小、運行穩(wěn)定性好等特點，其溫度可測范圍為-40℃～120℃，溫度測量精度為±0.4℃，濕度可測范圍為0%～100%，濕度測量精度為±0.3%。

CPU的1個UART通過芯片MAX1487及光耦PC817提供帶隔離RS485接口，能方便與通信管理模塊連接，485通信線加電源線可將溫濕度監(jiān)測模塊外引，便于選擇適當?shù)谋O(jiān)測點。

軟件設(shè)計

無線通信模塊的軟件配置

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器、路由器和終端3種通信節(jié)點組成，通信管理模塊與各測溫終端的數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)電纜的敷設(shè)距離可決定是否啟用路由器，該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于多試點多測量點的電纜頭溫度監(jiān)測可相應(yīng)地降低硬件成本，同時該協(xié)議使用方便，其復(fù)雜度低。

通過Digi公司的配置軟件將通信管理模塊的XBee Pro ZB設(shè)置為協(xié)調(diào)器，測溫終端的XBee ZB模塊設(shè)置為終端節(jié)點，起路由功能的節(jié)點使用XBee ZB模塊并設(shè)置為路由器（可選擇不加入網(wǎng)絡(luò)）。無線通信網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器創(chuàng)建，當選擇一個PAN ID和信道后該網(wǎng)絡(luò)啟動并允許其他通信節(jié)點加入，已加入的通信節(jié)點為子節(jié)點，允許子節(jié)點加入的通信節(jié)點為父節(jié)點。

利用配置軟件對XBee模塊的通信模式及其他參數(shù)進行合理配置，主要的參數(shù)內(nèi)容包括：網(wǎng)絡(luò)、地址、射頻RF接口、串行接口、休眠方式、I/O設(shè)置等。以下為系統(tǒng)用到的主要參數(shù)設(shè)置，其中通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸方式均配置為API模式。

1）掃描信道。在創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)時，協(xié)調(diào)器首先進行通道的能量掃描，找出不同通道的RF活動水平，避免協(xié)調(diào)器在高能量通道區(qū)組網(wǎng)，共有16個通道可設(shè)置，XBee Pro ZB模塊支持其中的14個。同樣，路由器和測溫終端接入網(wǎng)絡(luò)時，也要進行同樣的通道掃描。信道的掃描時間越久，功耗越大，通過禁掉一些不用的通道可縮短信道掃描時間，降低測溫終端的功耗。

2）目標地址。XBee模塊在出廠時已固化了一個64位的物理地址，當測溫終端成功加入網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)會自動為其分配一個16位的網(wǎng)絡(luò)地址。

3）串口通信參數(shù)。包括：波特率、校驗方式、數(shù)據(jù)流控制等，數(shù)據(jù)通信波特率設(shè)置為9600bit/s，幀格式為8位數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗位、1位停止位。

4）休眠模式。測溫終端采用電池供電應(yīng)考慮其通信模塊的休眠控制，有4種模式供選擇，即不休眠、管腳休眠、定時休眠、定時+管腳休眠。本設(shè)計選擇管腳休眠，并由CPU控制。

5）I/O口設(shè)置。關(guān)閉測溫終端的XBee ZB模塊不用的引腳和復(fù)用功能。并通過軟件設(shè)置使CPU的I/O口狀態(tài)與XBee ZB模塊休眠時I/O口的實際狀態(tài)相一致，避免不必要的電流流動。

測溫終端軟件及溫濕度采集

考慮到Stabiloy合金電纜的工作溫度不超過90℃，測溫終端軟件應(yīng)結(jié)合電纜運行的情況設(shè)計合理溫度檢測及數(shù)據(jù)發(fā)送流程，并進一步考慮低功耗的設(shè)計。CPU采取每隔30s采集一次電纜接頭溫度，正常情況下設(shè)置5min上傳一次數(shù)據(jù)，在滿足3種情況的任一條件下數(shù)據(jù)為即時傳輸，即當當前值比上次的溫度值高2℃時上傳一次數(shù)據(jù)；或溫度超過80℃時立即上傳一次當前采樣值，后面仍為5min上傳一次；

若溫度超過90℃時進入預(yù)警狀態(tài)，并設(shè)置為每完成一次溫度采集則立即上傳。為降低終端的運行功耗，CPU采用指令休眠，看門狗定時30s喚醒，當滿足數(shù)據(jù)發(fā)送條件后通過I/O引腳喚醒XBee ZB模塊，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后自動轉(zhuǎn)入休眠模式。

低功耗設(shè)計還考慮了關(guān)閉CPU端口未使用的功能，并將CPU未使用的引腳全部接地并置為輸入。測溫終端采用發(fā)送/無響應(yīng)方式向通信管理模塊主動傳送數(shù)據(jù)，通信幀設(shè)計的內(nèi)容主要包括4個字節(jié)的測溫終端地址，2個字節(jié)的溫度數(shù)據(jù)，以及用于判斷通信是否丟幀的1個字節(jié)幀計數(shù)器。

環(huán)境的溫度濕度信號由傳感器SHT11轉(zhuǎn)換成脈沖信號，通過I2C總線直接輸出數(shù)字量，并由CPU處理后按照一定的格式打包，CPU采取每3秒采集一次溫濕度數(shù)據(jù)，并更新最近采集的10次數(shù)據(jù)做平均值計算，當收到通信管理模塊讀數(shù)據(jù)命令后取更新后的平均值作為應(yīng)答。傳感器的工作時序及采集流程實現(xiàn)較簡單，在此不做詳述。

通信管理模塊軟件

通信管理模塊需完成多個通信口數(shù)據(jù)的組織處理，包括電纜接頭溫度、電參數(shù)等數(shù)據(jù)的采集、存儲和傳輸，若程序采取按固定的順序運行，則缺乏靈活性，任一通信數(shù)據(jù)異常都可能影響程序的執(zhí)行效率，特別為通信管理模塊以等待接收的方式獲取電纜接頭溫度。采用μC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)可方便實現(xiàn)多任務(wù)編程，各任務(wù)相互獨立并支持互相通信，可提高軟件開發(fā)效率。

通信管理模塊采用Dynamic C設(shè)計，該編譯軟件已移植好μC/OS-Ⅱ，開發(fā)時可減少設(shè)計的工作量。基于μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計需進行任務(wù)劃分和優(yōu)先級分配，優(yōu)先級范圍為1～64，數(shù)字越小，表示優(yōu)先級越高，各任務(wù)均使用獨立的堆棧空間，其堆棧的大小則根據(jù)各任務(wù)的數(shù)據(jù)處理量分配。

多任務(wù)的設(shè)計按通信管理模塊實現(xiàn)的功能劃分，其軟件框圖如圖4所示，各任務(wù)之間通過全局變量、信號量等機制通信。

圖4 通信管理模塊的軟件框圖

1）與測溫終端通信任務(wù)。該任務(wù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)接收9個測量點上傳的數(shù)據(jù)幀，解析后保存測溫終端的地址及對應(yīng)的的溫度信息，并更新上一次溫度數(shù)據(jù)，若某一測量點未安裝測溫終端，則將其地址設(shè)置為0xFFFFFFFF。

2）電參數(shù)采集任務(wù)。獲取三星電表的基本數(shù)據(jù)，包括3相電壓、電流、有功功率、無功功率及功率因素，該任務(wù)設(shè)置每3min執(zhí)行一次數(shù)據(jù)采集。

3）溫濕度采集任務(wù)。主要實現(xiàn)電纜運行環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)采集，由通信管理模塊按照一定的協(xié)議幀格式下發(fā)讀數(shù)據(jù)命令，同樣為每3min完成一次。

4）GPRS通信任務(wù)。負責與監(jiān)測計算機通信，接受監(jiān)測計算機的命令幀，如溫度召測、地址召測、地址設(shè)置、溫度越限設(shè)置、對時設(shè)置等。正常情況下，該任務(wù)采取15min上傳一次所有電纜接頭溫度數(shù)據(jù)、電參數(shù)數(shù)據(jù)及環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)。

5）數(shù)據(jù)解析任務(wù)。主要完成與監(jiān)測計算機通信的數(shù)據(jù)幀解析，其操作對象為各通信口的接收緩沖區(qū)，4個通信口分別設(shè)置4個接收緩沖區(qū)，當通信口有數(shù)據(jù)到達時設(shè)置對應(yīng)的全局標志位，數(shù)據(jù)解析任務(wù)則輪詢各標志位狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)某個緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)待處理則立即將數(shù)據(jù)按照一定的通信幀格式構(gòu)造數(shù)據(jù)幀，然后清此標志位。已構(gòu)造數(shù)據(jù)幀供GPRS通信任務(wù)調(diào)用。

6）動作開出任務(wù)。該任務(wù)根據(jù)判斷測量點的溫度分合閘開關(guān)量信號，作為溫度的越限報警。

7）定時任務(wù)。為其他通信任務(wù)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集或傳輸提供準確的時間間隔。

8）運行狀態(tài)信號燈指示任務(wù)。

GRRS模塊提供了AT指令接口，可方便與RCM6760進行通信，該通信模塊上電后以接收短信的方式獲取監(jiān)測計算機的IP地址。當通信鏈路建立后，GPRS傳輸采用打包定時傳輸和越限即時傳輸模式，考慮到15min上傳一次數(shù)據(jù)的時間間隔較長，采取以每隔3min的心跳包維護通信鏈路。

通信管理模塊與監(jiān)測計算機間的通信幀格式見表1，其中數(shù)據(jù)均以4個字節(jié)的單精度浮點數(shù)格式傳輸，數(shù)據(jù)單元標識則用于區(qū)分通信幀類型。

表1 通信幀格式

監(jiān)測計算機軟件

根據(jù)集中監(jiān)測的原則和設(shè)計思路，將數(shù)據(jù)采集、保存、分析、越限報警和數(shù)據(jù)顯示查詢等功能集中于監(jiān)測計算機軟件。軟件可分為4個部分：通信服務(wù)、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)庫及實時曲線顯示。

通信服務(wù)模塊以TCP連接多個測試點的通信管理模塊，監(jiān)測計算機作為通信鏈路的服務(wù)端，采用Windows Sockets非阻塞編程模式實現(xiàn)各試點的通信管理模塊數(shù)據(jù)的集中，并經(jīng)協(xié)議解析、標度變換后將合金電纜頭溫度及相關(guān)運行信息寫入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)分析處理模塊主要實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢及溫度越限報警等。

數(shù)據(jù)庫還用于保存系統(tǒng)的參數(shù)配置，主要含有5個表：所選試點信息表、通信管理模塊信息表、測溫終端信息表、合金電纜信息表以及實時信息表。實時信息表包括各個測量位置同一時間點的溫度值、電參數(shù)等數(shù)據(jù)。

合金電纜運行狀態(tài)在線監(jiān)測主要為溫度負荷曲線實時顯示，并提供靈活的歷史數(shù)據(jù)查詢及報表生成等功能，具體包括：各測量點的電纜接頭溫度曲線、實際負荷電流曲線、線路電壓曲線以及實際環(huán)境溫度下的載流量曲線等。

合金電纜的運行環(huán)境溫度是制約其載流量的一個因素，其選型根據(jù)標準環(huán)境溫度選擇，載流量曲線根據(jù)電纜運行的實際環(huán)境溫度對長期允許載流量進行修正，并由導(dǎo)體發(fā)熱理論推導(dǎo)出的式(1)計算。

結(jié)論

所設(shè)計系統(tǒng)可實時監(jiān)測低壓合金電纜的運行情況，采用了具有自組織、自愈能力的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)及GPRS通信網(wǎng)絡(luò)，免于接線同時保證了通信的穩(wěn)定性；測溫終端的軟硬件設(shè)計采取多種措施降低電池供電的整體功耗；通信管理模塊采用基于μC/OS-Ⅱ的操作系統(tǒng)設(shè)計，便于程序功能的擴展。

所述方案已在福建某沿海地區(qū)選定的幾個臨海村鎮(zhèn)試點運行，對在公用變低壓出線端至綜合配電箱進線端的合金電纜運行狀態(tài)實時監(jiān)測，該系統(tǒng)提供了直觀的溫度負荷曲線實時顯示等功能，具有低成本、使用方便、測溫精度高、溫度越限上報準確等優(yōu)點。

（編自《電氣技術(shù)》，原文標題為“低壓合金電纜運行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計”，作者為林文鍵、蔡曉榆 等。）