CN103575415A - 一种地埋电缆中间接头温度在线监测系统及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电力电缆温度在线监测系统及其监测方法，具体讲涉及一种地埋电缆中间接头温度在线监测系统及其监测方法。监测系统由无线传感节点、热电发生器（TEG）、无线测温汇集器及监控中心构成，地埋电缆中间接头位于电缆工井下方，无线传感器节点与热电发生器安装在电缆中接头外表面上；无线测温汇集器安装于电缆终端或分支接头处的开闭所、环网柜或电缆分支箱内，其天线延长至电缆沟道收集无线传感器节点的监测数据，并将其通过GPRS或光纤发送到监控中心，本发明采用热电发生器与能量收集器将温差转换成电能为无线传感器供电，同时以无线方式采集监测数据；无线传感器节点以低功耗方式工作，从而降低了整个监测系统的功耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力电缆温度在线监测系统及其监测方法，具体讲涉及一种地埋电缆中间接头温度在线监测系统及其监测方法。
背景技术
随着城市化以及城市电网的发展，电力电缆得到广泛应用，在我国平均年增长量达到35%。随着电缆使用数量的增加、输电容量的提高，一旦发生故障危害严重，因此电力电缆的运行可靠性越来越受到重视。通过对全国主要城市电力电缆运行故障率进行调研发现，在电缆初期运行的1～5年内以及投入运行后的5～25年中，电力电缆附件（包括分支接头、终端接头和中间接头）的故障率一直是最高的。尤其是电缆中间接头制作工艺要求高，存在事故隐患的可能性更大，因此对其进行温度的在线监测具有重要意义。
现有电缆温度在线监测方法包括点式测温法和线式测温法。1）传统点式测温法采用热电偶、热电阻、热敏电阻等温度传感器测量中间接头保护壳外表面或者电缆本体外护套表面局部点温度，其监测装置一般使用电池或电磁感应取电装置供电。若采用电池供电，则其在高温下容易爆裂，并且需要定期更换电池，维护工作量大。采用电磁感应取电装置供电时，若电缆中电流较小，电能无法取出，监测装置停止工作；若电缆电流较大，则容易烧坏监测装置。当监测三芯电缆时，电磁感应取电装置则无法工作。2）线式测温法一般采用感温电缆、分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器沿着电缆线路绑扎在电缆外护套表面（或预埋在电缆内部），测量电缆全线温度。该方法适用于测量电缆全线的温度趋势和热瓶颈区域，但长距离敷设成本高、安装工程巨大。
发明内容
针对现有电缆中间接头在线监测系统成本高、供电困难、安装及维护难度大等问题，本发明的目的是提供一种地埋电缆中间接头温度在线监测系统，另一目的是提供一种地埋电缆中间接头温度在线监测方法，本发明采用无线传感器测量电缆中间接头外表皮温度，以无线方式传输监测数据，并利用热电发生器及能量收集器将温差转换成电能为无线传感器供电，具有成本低、免维护、安装方便、安全程度高等优点。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种地埋电缆中间接头温度在线监测系统，所述系统包括设置于电缆工井上方的N个无线传感节点、热电发生器、无线测温汇集器及监控中心，其改进之处在于，电缆中间接头设置于电缆工井下方，单个无线传感节点和热电发生器依次并列安装于电缆中间接头的外表面上；所述无线测温汇集器安装于电缆终端、分支接头的开闭所、环网柜或电缆分支箱内，其天线延长至电缆沟道收集无线传感器节点的监测数据，所述无线测温汇集器通过GPRS或光纤与监控中心进行数据交互。
优选的，所述热电发生器温度高的一侧粘贴在电缆中间接头外表皮上，温度低的一侧通过散热器将热流扩散到空气中；相邻电缆中间接头之间距离为100～400米。
优选的，所述单个无线传感器节点包括依次连接能量收集器、微控制器和第一无线收发器，半导体温度传感器与微控制器连接，半导体温度传感器和第一无线收发器均通过图2中微控制器的VOUT管脚获取电源；两者之间并无信号连接。
较优选的，所述能量收集器包括能量收集管理芯片、微型变压器、超级电容以及电容器；所述微型变压器、超级电容以及电容器均连接在能量收集管理芯片上；
能量收集器将热电发生器输出的电压转换为微控制器、第一无线收发器和半导体温度传感器的工作电压，当输出电压达到预设值的93%时向微控制器输出有效的PGOOD信号，同时对超级电容进行充电；当热电发生器输出的电压低于20mV时，超级电容开始放电，并通过能量收集管理芯片为微控制器、第一无线收发器和半导体温度传感器供电。
较优选的，所述半导体温度传感器采用TMP36型号的传感器，当其工作在正常模式时，工作电流小于50μA；当其处于关闭模式时，工作电流小于0.5μA。
较优选的，所述微控制器内部集成模数转换器、定时器、通用I/O、中断控制器等片上外设；
微控制器通过串行外设SPI接口与第一无线收发器相连，并利用通用I/O输出关闭或关机信号SDN（SDN信号指的是Shutdown信号，关闭或关机信号）控制第一无线收发器的上电复位及工作电源；
微控制器定时启动模数转换器将温度模拟信号转换为数字信号，并通过第一无线收发器发送监测数据；在不进行模数转换时，微控制器将输出给温度传感器的关闭信号#SHDN（该信号通过微控制器上的引脚输出）置低，同时禁用第一无线收发器发送功能；
微控制器采用监听模式进行数据的接收；
微控制器闲置时进入休眠模式，其工作电流降至1μA，并允许定时器中断唤醒器件。
较优选的，利用热电发生器和能量收集器将电缆中间接头与环境的温差转换成电能，为所述无线传感器节点供电。
优选的，所述无线测温汇集器由开闭所、环网柜或电缆分支箱内的市电、PT电源或蓄电池供电，包括微处理器、第二无线收发器（该无线收发器的型号与无线传感器节点中的相同，均为SI4463）、GPRS模块/光纤以太网接口、LCD显示屏、射频电路和天线；所述第二无线收发器、GPRS模块/光纤以太网接口和LCD显示屏分别与微处理器相连，所述天线通过射频电路与第二无线收发器相连。
较优选的，所述无线测温汇集器用于收集电缆沟道中无线传感器节点上传的温度数据、温度数据的本地显示及告警参数、配置无线传感器节点的参数；接收并执行监控中心的命令以及上传监测数据。
优选的，所述无线传感器节点与无线测温汇集器无线通信的频段为433MHz，通信协议为IEEE802.15.4g，并通过密钥进行认证。
本发明基于另一目的提供的一种地埋电缆中间接头温度在线监测方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：
（1）热电发生器将其两侧的温差转换为电压信号，并输出至无线传感器节点的能量收集器；
（2）能量收集器将热电发生器输出的电压转换为微控制器、第一无线收发器和半导体温度传感器的工作电压，无线传感器节点进入工作模式；
（3）所述无线传感器节点采用逐点收集的方式上传监测数据至无线测温汇集器；
（4）无线测温汇集器接收到无线传感器节点发送的数据后，进行本地显示，同时将数据上传到监控中心，并提供报警功能。
优选的，所述步骤（2）中，当输出电压达到预设值的93%时向微控制器输出有效的PGOOD信号，同时对超级电容进行充电；当热电发生器输出的电压低于20mV时，超级电容开始放电，并通过能量收集管理芯片为微控制器、第一无线收发器和半导体温度传感器供电。
优选的，所述步骤（3）中，电缆沟道中每个无线传感器节点中拥有唯一的编号及位置信息。
优选的，所述步骤（4）中，用户可通过LCD屏设置无线传感器节点的配置参数数据下发时，首先无线测温汇集器将数据传给N号节点，然后由N号节点传给N-1号节点，最后由2号节点传给1号节点；所述配置参数包括发射功率、数据采集与发送间隔、工作模式以及时间与日期。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
1.本发明提供的地埋电缆中间接头温度在线监测系统中，其无线传感器节点采用热电发生器TEG及能量收集器供电，避免了铺设专用供电电缆或定期更换电池的巨大工作量，同时排除了因采用电磁感应取电装置供电所带来的安全隐患及不可靠性，具有免维护、安装方便、成本低等优点；
2.本发明中的无线传感器节点与无线测温汇集器之间采用无线方式传输数据，免去了额外的通信线缆，同时系统抗电磁干扰能力强；
3.本发明中的无线传感器节点以很低的占空比工作，其数据上传采用了逐点收集的方式，从而降低了系统功耗；
4.本发明利用能量收集技术将废热转换为无线传感器节点工作所需的电能，起到了节能环保的作用。
附图说明
图1是本发明提供的地埋电缆中间接头温度在线监测系统的结构图；
图2是本发明提供的无线传感器节点结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
针对现有电缆中间接头在线监测系统成本高、供电困难、安装及维护难度大等问题，本发明采用热电发生器与能量收集器将温差转换成电能为无线传感器供电，同时以无线方式采集监测数据；无线传感器以低功耗方式工作，从而降低了整个监测系统的功耗。
本发明提供的地埋电缆中间接头温度在线监测系统的结构图如图1所示，该温度在线监测系统包括设置于电缆工井上方的至少一个的无线传感节点、热电发生器（TEG）、无线测温汇集器及后台监控中心（主站）构成。其中地埋电缆中间接头位于电缆工井下方，相邻接头的距离为100～400米；每个无线传感器节点与热电发生器依次并列安装在电缆中接头外表面上；无线测温汇集器安装于电缆终端或分支接头处的开闭所、环网柜或电缆分支箱内，其天线延长至电缆沟道收集无线传感器节点的监测数据，并将其通过GPRS或光纤发送到后台监控中心。
一）热电发生器TEG：
热电发生器TEG应用塞贝克效应（Seebeck Effect）可以将其两侧的温差转换为电压，输出电压的幅度和极性取决于温度差的幅度和极性。热电发生器温度高的一侧粘贴在电缆中间接头外表皮上，温度低的一侧通过散热器将热流扩散到空气中，以确保热电发生器两侧形成温差。
二）无线传感器节点：由能量收集器、微控制器、第一无线收发器及半导体温度传感器组成，其中，能量收集器、微控制器和第一无线收发器依次连接，半导体温度传感器与微控制器连接，其结构原理图如图2所示。
<1>能量收集器主要包括能量收集管理芯片LTC3108、微型变压器T1（型号：LPR6235-752SMLB）、超级电容以及其他电容器。能量收集器可以将TEG输出的电压（20mV～500mV）转换为微控制器、第一无线收发器和半导体温度传感器可以工作的电压（2.2V、3.3V），当输出电压VOUT达到预设值的93%时便向微控制器输出有效的PGOOD信号，同时对超级电容进行充电至5.25V。当TEG输出的电压低于20mV时，超级电容开始放电，并通过LTC3108为微控制器、第一无线收发器和半导体温度传感器供电。
<2>半导体温度传感器TMP36将温度信号转换为模拟电压信号，并输出至微控制器。当其工作在正常模式时，工作电流小于50μA；当其处于关闭模式时，工作电流小于0.5μA。
<3>微控制器是整个无线传感器节点的控制中心，其内部集成ADC、定时器、通用I/O、中断控制器等片上外设。微控制器通过SPI接口与第一无线收发器SI4463相连，并利用通用I/O输出SDN信号控制第一无线收发器的上电复位及工作电源。微控制器定时启动ADC将温度模拟信号转换为数字信号，并通过第一无线收发器发送监测数据。在不进行A/D转换时，微控制器便将输出给温度传感器的#SHDN信号置低，以降低温度传感器的功耗，同时禁用第一无线收发器发送功能。对于数据的接收，则采用监听模式，以降低无线收发器消耗的平均电流。微控制器闲置时便进入休眠模式，其工作电流可降至1μA，并允许定时器中断唤醒器件。由于微控制器及第一无线收发器以较低的占空比工作，因此其平均功耗很低，为数毫瓦左右。
三）无线测温汇集器：由开闭所/环网柜/电缆分支箱内的市电、PT电源或蓄电池供电，包括微处理器、第二无线收发器、GPRS模块/光纤以太网接口、LCD显示屏、射频（RF）电路、天线等。其中，无线收发器、GPRS模块/光纤以太网接口和LCD显示屏分别与微处理器相连，天线通过射频（RF）电路与第二无线收发器相连。
无线测温汇集器的功能包括：收集电缆沟道中无线传感器节点上传的温度数据、温度数据的本地显示及告警、配置无线传感器节点的参数、接收并执行监控中心的命令、上传监测数据等。
本发明提供的监测系统中无线传感器节点与无线测温采集器无线通信的频段为433MHz，通信协议为IEEE802.15.4g，并通过密钥进行认证。
本发明还提供一种地埋电缆中间接头温度在线监测的监测方法，包括下述步骤：
（1）热电发生器TEG将其两侧的温差转换为电压信号输出至能量收集器。能量收集器将微弱的电压（20～500mV）转换为微控制器和第一无线收发器可以工作的电压，其输出的平均功率POUT在TEG两侧温差为5℃时约1.5～2.5mW（具体数值取决于TEG的参数）。由于大多数情况下POUT不能维持无线传感器节点一直工作在正常模式下，因此该节点只能以一定占空比工作。能量收集器的输出端的电容COUT可保证无线传感器节点以最大功率工作一段时间后VOUT不会跌至正常工作以下。COUT的值可以由下述公式确定：
COUT＝IPULSE*tPULSE/ΔVOUT；
其中：IPULSE和tPULSE分别为无线传感器节点的最大工作电流及其对应的工作时间，ΔVOUT为VOUT输出端所允许的最大压降。
若无线传感器节点正常工作时的功耗为PN，则其工作的占空比应小于POUT/PN。
若无线传感器节点以固定占空比工作时的平均功耗为PQ，则当热电发生器TEG输出的电压小于20mV时，超级电容储存的能量能维持节点工作时间为：
tS＝CSTORE*(5.25V-3.3V)/PQ；
其中：CSTORE为超级电容的电容值。
（2）无线传感器节点采用逐点收集的方式上传监测数据至无线测温汇集器：电缆沟道中每个无线传感器节点中拥有唯一的编号及位置信息。数据上传采用逐点收集的方式：假设距离测温汇集器最远的节点编号为1，其次为2，距离测温汇集器最近的编号为N；在进行温度数据上传时，首先是1号节点将数据传给2号节点，然后2号节点将1号节点与自身的数据一同发至3号节点，最后N号节点将所有节点的数据发给无线测温汇集器。所有节点在一个数据上传周期内仅发送一次数据，从而降低了其平均功耗。
（3）无线测温汇集器接收到传感器节点发送的数据后，便进行本地显示，同时根据需要将数据上传到监控中心，并提供报警功能。用户可通过LCD屏设置无线传感器节点的配置参数（如发射功率、数据采集与发送间隔、工作模式、时间与日期等。）数据下发时，首先无线测温汇集器将数据传给N号节点，然后由N号节点传给N-1号节点，最后由2号节点传给1号节点。
本发明提供的地埋电缆中间接头温度在线监测系统及其监测方法，以能量收集及无线传感技术为核心，通过热电发生器及能量收集器将电缆中间接头表皮与环境的温差转换成电能为无线传感器供电，从而免去了传感器中的电池，使其具有免维护、安全可靠、便于安装等特点。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (14)
1.一种地埋电缆中间接头温度在线监测系统，所述系统包括设置于电缆工井上方的N个无线传感节点、热电发生器、无线测温汇集器及监控中心，其特征在于，电缆中间接头设置于电缆工井下方，单个无线传感节点和热电发生器依次并列安装于电缆中间接头的外表面上；所述无线测温汇集器安装于电缆终端、分支接头的开闭所、环网柜或电缆分支箱内，其天线延长至电缆沟道收集无线传感器节点的监测数据，所述无线测温汇集器通过GPRS或光纤与监控中心进行数据交互。
2.如权利要求1所述的温度在线监测系统，其特征在于，所述热电发生器温度高的一侧粘贴在电缆中间接头外表皮上，温度低的一侧通过散热器将热流扩散到空气中；相邻电缆中间接头之间距离为100～400米。
3.如权利要求1所述的温度在线监测系统，其特征在于，所述单个无线传感器节点包括依次连接能量收集器、微控制器和第一无线收发器，半导体温度传感器与微控制器连接；半导体温度传感器和第一无线收发器均通过微控制器的VOUT管脚获取电源。
4.如权利要求3所述的温度在线监测系统，其特征在于，所述能量收集器包括能量收集管理芯片、微型变压器、超级电容以及电容器；所述微型变压器、超级电容以及电容器均连接在能量收集管理芯片上；
能量收集器将热电发生器输出的电压转换为微控制器、第一无线收发器和半导体温度传感器的工作电压，当输出电压达到预设值的93%时向微控制器输出有效的PGOOD信号，同时对超级电容进行充电；当热电发生器输出的电压低于20mV时，超级电容开始放电，并通过能量收集管理芯片为微控制器、第一无线收发器和半导体温度传感器供电。
5.如权利要求3所述的温度在线监测系统，其特征在于，所述半导体温度传感器采用TMP36型号的传感器，当其工作在正常模式时，工作电流小于50μA；当其处于关闭模式时，工作电流小于0.5μA。
6.如权利要求3所述的温度在线监测系统，其特征在于，所述微控制器内部集成模数转换器、定时器、通用I/O、中断控制器片上外设；
微控制器通过串行外设SPI接口与第一无线收发器相连，并利用通用I/O输出关闭或关机信号SDN控制第一无线收发器的上电复位及工作电源；
微控制器定时启动模数转换器将温度模拟信号转换为数字信号，并通过第一无线收发器发送监测数据；在不进行模数转换时，微控制器将输出给温度传感器的关闭信号#SHDN置低，同时禁用第一无线收发器发送功能；
微控制器采用监听模式进行数据的接收；
微控制器闲置时进入休眠模式，其工作电流降至1μA，并允许定时器中断唤醒器件。
7.如权利要求3所述的温度在线监测系统，其特征在于，利用热电发生器和能量收集器将电缆中间接头与环境的温差转换成电能，为所述无线传感器节点供电。
8.如权利要求1所述的温度在线监测系统，其特征在于，所述无线测温汇集器由开闭所、环网柜或电缆分支箱内的市电、PT电源或蓄电池供电，包括微处理器、第二无线收发器、GPRS模块/光纤以太网接口、LCD显示屏、射频电路和天线；所述第二无线收发器、GPRS模块/光纤以太网接口和LCD显示屏分别与微处理器相连，所述天线通过射频电路与第二无线收发器相连。
9.如权利要求7所述的温度在线监测系统，其特征在于，所述无线测温汇集器用于收集电缆沟道中无线传感器节点上传的温度数据、温度数据的本地显示及告警参数、配置无线传感器节点的参数；接收并执行监控中心的命令以及上传监测数据。
10.如权利要求1所述的温度在线监测系统，其特征在于，所述无线传感器节点与无线测温汇集器无线通信的频段为433MHz，通信协议为IEEE802.15.4g，并通过密钥进行认证。
11.一种地埋电缆中间接头温度在线监测方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
（1）热电发生器将其两侧的温差转换为电压信号，并输出至无线传感器节点的能量收集器；
（2）能量收集器将热电发生器输出的电压转换为微控制器、第一无线收发器和半导体温度传感器的工作电压，无线传感器节点进入工作模式；
（3）所述无线传感器节点采用逐点收集的方式上传监测数据至无线测温汇集器；
（4）无线测温汇集器接收到无线传感器节点发送的数据后，进行本地显示，同时将数据上传到监控中心，并提供报警功能。
12.如权利要求11所述的温度在线监测方法，其特征在于，所述步骤（2）中，当输出电压达到预设值的93%时向微控制器输出有效的PGOOD信号，同时对超级电容进行充电；当热电发生器输出的电压低于20mV时，超级电容开始放电，并通过能量收集管理芯片为微控制器、第一无线收发器和半导体温度传感器供电。
13.如权利要求11所述的温度在线监测方法，其特征在于，所述步骤（3）中，电缆沟道中每个无线传感器节点中拥有唯一的编号及位置信息。
14.如权利要求11所述的温度在线监测方法，其特征在于，所述步骤（4）中，用户可通过LCD屏设置无线传感器节点的配置参数数据下发时，首先无线测温汇集器将数据传给N号节点，然后由N号节点传给N-1号节点，最后由2号节点传给1号节点；所述配置参数包括发射功率、数据采集与发送间隔、工作模式以及时间与日期。
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