一種地埋電纜中間接頭溫度在線監測系統及其監測方法
【專利摘要】本發明涉及一種電力電纜溫度在線監測系統及其監測方法，具體講涉及一種地埋電纜中間接頭溫度在線監測系統及其監測方法。監測系統由無線傳感節點、熱電發生器（TEG）、無線測溫匯集器及監控中心構成，地埋電纜中間接頭位于電纜工井下方，無線傳感器節點與熱電發生器安裝在電纜中接頭外表面上；無線測溫匯集器安裝于電纜終端或分支接頭處的開閉所、環網柜或電纜分支箱內，其天線延長至電纜溝道收集無線傳感器節點的監測數據，并將其通過GPRS或光纖發送到監控中心，本發明采用熱電發生器與能量收集器將溫差轉換成電能為無線傳感器供電，同時以無線方式采集監測數據；無線傳感器節點以低功耗方式工作，從而降低了整個監測系統的功耗。
【專利說明】一種地埋電纜中間接頭溫度在線監測系統及其監測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電力電纜溫度在線監測系統及其監測方法，具體講涉及一種地埋電纜中間接頭溫度在線監測系統及其監測方法。
【背景技術】
[0002]隨著城市化以及城市電網的發展，電力電纜得到廣泛應用，在我國平均年增長量達到35%。隨著電纜使用數量的增加、輸電容量的提高，一旦發生故障危害嚴重，因此電力電纜的運行可靠性越來越受到重視。通過對全國主要城市電力電纜運行故障率進行調研發現，在電纜初期運行的I?5年內以及投入運行后的5?25年中，電力電纜附件(包括分支接頭、終端接頭和中間接頭)的故障率一直是最高的。尤其是電纜中間接頭制作工藝要求高，存在事故隱患的可能性更大，因此對其進行溫度的在線監測具有重要意義。
[0003]現有電纜溫度在線監測方法包括點式測溫法和線式測溫法。I)傳統點式測溫法采用熱電偶、熱電阻、熱敏電阻等溫度傳感器測量中間接頭保護殼外表面或者電纜本體外護套表面局部點溫度，其監測裝置一般使用電池或電磁感應取電裝置供電。若采用電池供電，則其在高溫下容易爆裂，并且需要定期更換電池，維護工作量大。采用電磁感應取電裝置供電時，若電纜中電流較小，電能無法取出，監測裝置停止工作；若電纜電流較大，則容易燒壞監測裝置。當監測三芯電纜時，電磁感應取電裝置則無法工作。2)線式測溫法一般采用感溫電纜、分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器沿著電纜線路綁扎在電纜外護套表面(或預埋在電纜內部)，測量電纜全線溫度。該方法適用于測量電纜全線的溫度趨勢和熱瓶頸區域，但長距離敷設成本高、安裝工程巨大。
【發明內容】
[0004]針對現有電纜中間接頭在線監測系統成本高、供電困難、安裝及維護難度大等問題，本發明的目的是提供一種地埋電纜中間接頭溫度在線監測系統，另一目的是提供一種地埋電纜中間接頭溫度在線監測方法，本發明采用無線傳感器測量電纜中間接頭外表皮溫度，以無線方式傳輸監測數據，并利用熱電發生器及能量收集器將溫差轉換成電能為無線傳感器供電，具有成本低、免維護、安裝方便、安全程度高等優點。
[0005]本發明的目的是采用下述技術方案實現的:
[0006]本發明提供一種地埋電纜中間接頭溫度在線監測系統，所述系統包括設置于電纜工井上方的N個無線傳感節點、熱電發生器、無線測溫匯集器及監控中心，其改進之處在于，電纜中間接頭設置于電纜工井下方，單個無線傳感節點和熱電發生器依次并列安裝于電纜中間接頭的外表面上；所述無線測溫匯集器安裝于電纜終端、分支接頭的開閉所、環網柜或電纜分支箱內，其天線延長至電纜溝道收集無線傳感器節點的監測數據，所述無線測溫匯集器通過GPRS或光纖與監控中心進行數據交互。
[0007]優選的，所述熱電發生器溫度高的一側粘貼在電纜中間接頭外表皮上，溫度低的一側通過散熱器將熱流擴散到空氣中；相鄰電纜中間接頭之間距離為100?400米。[0008]優選的，所述單個無線傳感器節點包括依次連接能量收集器、微控制器和第一無線收發器，半導體溫度傳感器與微控制器連接，半導體溫度傳感器和第一無線收發器均通過圖2中微控制器的VOUT管腳獲取電源；兩者之間并無信號連接。
[0009]較優選的，所述能量收集器包括能量收集管理芯片、微型變壓器、超級電容以及電容器；所述微型變壓器、超級電容以及電容器均連接在能量收集管理芯片上；
[0010]能量收集器將熱電發生器輸出的電壓轉換為微控制器、第一無線收發器和半導體溫度傳感器的工作電壓，當輸出電壓達到預設值的93%時向微控制器輸出有效的PGOOD信號，同時對超級電容進行充電；當熱電發生器輸出的電壓低于20mV時，超級電容開始放電，并通過能量收集管理芯片為微控制器、第一無線收發器和半導體溫度傳感器供電。
[0011]較優選的，所述半導體溫度傳感器采用TMP36型號的傳感器，當其工作在正常模式時，工作電流小于50 μ A ;當其處于關閉模式時，工作電流小于0.5 μ Α。
[0012]較優選的，所述微控制器內部集成模數轉換器、定時器、通用I/O、中斷控制器等片上外設；
[0013]微控制器通過串行外設SPI接口與第一無線收發器相連，并利用通用I/O輸出關閉或關機信號SDN (SDN信號指的是Shutdown信號，關閉或關機信號)控制第一無線收發器的上電復位及工作電源；
[0014]微控制器定時啟動模數轉換器將溫度模擬信號轉換為數字信號，并通過第一無線收發器發送監測數據；在不進行模數轉換時，微控制器將輸出給溫度傳感器的關閉信號#SHDN (該信號通過微控制器上的引腳輸出)置低，同時禁用第一無線收發器發送功能；
[0015]微控制器采用監聽模式進行數據的接收；
[0016]微控制器閑置時進入休眠模式，其工作電流降至I μ A，并允許定時器中斷喚醒器件。
[0017]較優選的，利用熱電發生器和能量收集器將電纜中間接頭與環境的溫差轉換成電能，為所述無線傳感器節點供電。
[0018]優選的，所述無線測溫匯集器由開閉所、環網柜或電纜分支箱內的市電、PT電源或蓄電池供電，包括微處理器、第二無線收發器(該無線收發器的型號與無線傳感器節點中的相同，均為SI4463)、GPRS模塊/光纖以太網接口、IXD顯示屏、射頻電路和天線；所述第二無線收發器、GPRS模塊/光纖以太網接口和LCD顯示屏分別與微處理器相連，所述天線通過射頻電路與第二無線收發器相連。
[0019]較優選的，所述無線測溫匯集器用于收集電纜溝道中無線傳感器節點上傳的溫度數據、溫度數據的本地顯示及告警參數、配置無線傳感器節點的參數；接收并執行監控中心的命令以及上傳監測數據。
[0020]優選的，所述無線傳感器節點與無線測溫匯集器無線通信的頻段為433MHz，通信協議為IEEE802.15.4g，并通過密鑰進行認證。
[0021]本發明基于另一目的提供的一種地埋電纜中間接頭溫度在線監測方法，其改進之處在于，所述方法包括下述步驟:
[0022](I)熱電發生器將其兩側的溫差轉換為電壓信號，并輸出至無線傳感器節點的能量收集器；
[0023](2)能量收集器將熱電發生器輸出的電壓轉換為微控制器、第一無線收發器和半導體溫度傳感器的工作電壓，無線傳感器節點進入工作模式；
[0024](3)所述無線傳感器節點采用逐點收集的方式上傳監測數據至無線測溫匯集器；
[0025](4)無線測溫匯集器接收到無線傳感器節點發送的數據后，進行本地顯示，同時將數據上傳到監控中心，并提供報警功能。
[0026]優選的，所述步驟(2)中，當輸出電壓達到預設值的93%時向微控制器輸出有效的PGOOD信號，同時對超級電容進行充電；當熱電發生器輸出的電壓低于20mV時，超級電容開始放電，并通過能量收集管理芯片為微控制器、第一無線收發器和半導體溫度傳感器供電。
[0027]優選的，所述步驟(3)中，電纜溝道中每個無線傳感器節點中擁有唯一的編號及位
置信息。
[0028]優選的，所述步驟(4)中，用戶可通過IXD屏設置無線傳感器節點的配置參數數據下發時，首先無線測溫匯集器將數據傳給N號節點，然后由N號節點傳給N-1號節點，最后由2號節點傳給I號節點；所述配置參數包括發射功率、數據采集與發送間隔、工作模式以及時間與日期。
[0029]與現有技術比，本發明達到的有益效果是:
[0030]1.本發明提供的地埋電纜中間接頭溫度在線監測系統中，其無線傳感器節點采用熱電發生器TEG及能量收集器供電，避免了鋪設專用供電電纜或定期更換電池的巨大工作量，同時排除了因采用電磁感應取電裝置供電所帶來的安全隱患及不可靠性，具有免維護、安裝方便、成本低等優點；
[0031]2.本發明中的無線傳感器節點與無線測溫匯集器之間采用無線方式傳輸數據，免去了額外的通信線纜，同時系統抗電磁干擾能力強；
[0032]3.本發明中的無線傳感器節點以很低的占空比工作，其數據上傳采用了逐點收集的方式，從而降低了系統功耗；
[0033]4.本發明利用能量收集技術將廢熱轉換為無線傳感器節點工作所需的電能，起到了節能環保的作用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1是本發明提供的地埋電纜中間接頭溫度在線監測系統的結構圖；
[0035]圖2是本發明提供的無線傳感器節點結構原理圖。
【具體實施方式】
[0036]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0037]針對現有電纜中間接頭在線監測系統成本高、供電困難、安裝及維護難度大等問題，本發明采用熱電發生器與能量收集器將溫差轉換成電能為無線傳感器供電，同時以無線方式采集監測數據；無線傳感器以低功耗方式工作，從而降低了整個監測系統的功耗。
[0038]本發明提供的地埋電纜中間接頭溫度在線監測系統的結構圖如圖1所示，該溫度在線監測系統包括設置于電纜工井上方的至少一個的無線傳感節點、熱電發生器(TEG)、無線測溫匯集器及后臺監控中心(主站)構成。其中地埋電纜中間接頭位于電纜工井下方，相鄰接頭的距離為100?400米；每個無線傳感器節點與熱電發生器依次并列安裝在電纜中接頭外表面上；無線測溫匯集器安裝于電纜終端或分支接頭處的開閉所、環網柜或電纜分支箱內，其天線延長至電纜溝道收集無線傳感器節點的監測數據，并將其通過GPRS或光纖發送到后臺監控中心。
[0039]一)熱電發生器TEG:
[0040]熱電發生器TEG應用塞貝克效應(Seebeck Effect)可以將其兩側的溫差轉換為電壓，輸出電壓的幅度和極性取決于溫度差的幅度和極性。熱電發生器溫度高的一側粘貼在電纜中間接頭外表皮上，溫度低的一側通過散熱器將熱流擴散到空氣中，以確保熱電發生器兩側形成溫差。
[0041]二)無線傳感器節點:由能量收集器、微控制器、第一無線收發器及半導體溫度傳感器組成，其中，能量收集器、微控制器和第一無線收發器依次連接，半導體溫度傳感器與微控制器連接，其結構原理圖如圖2所示。
[0042]<1>能量收集器主要包括能量收集管理芯片LTC3108、微型變壓器Tl (型號:LPR6235-752SMLB )、超級電容以及其他電容器。能量收集器可以將TEG輸出的電壓(20mV?500mV)轉換為微控制器、第一無線收發器和半導體溫度傳感器可以工作的電壓(2.2V、
3.3V)，當輸出電壓VOUT達到預設值的93%時便向微控制器輸出有效的PGOOD信號，同時對超級電容進行充電至5.25V。當TEG輸出的電壓低于20mV時，超級電容開始放電，并通過LTC3108為微控制器、第一無線收發器和半導體溫度傳感器供電。
[0043]<2>半導體溫度傳感器TMP36將溫度信號轉換為模擬電壓信號，并輸出至微控制器。當其工作在正常模式時，工作電流小于50 μ A ;當其處于關閉模式時，工作電流小于
0.5 μ Α。
[0044]〈3>微控制器是整個無線傳感器節點的控制中心，其內部集成ADC、定時器、通用I/O、中斷控制器等片上外設。微控制器通過SPI接口與第一無線收發器SI4463相連，并利用通用I/O輸出SDN信號控制第一無線收發器的上電復位及工作電源。微控制器定時啟動ADC將溫度模擬信號轉換為數字信號，并通過第一無線收發器發送監測數據。在不進行A/D轉換時，微控制器便將輸出給溫度傳感器的#SHDN信號置低，以降低溫度傳感器的功耗，同時禁用第一無線收發器發送功能。對于數據的接收，則采用監聽模式，以降低無線收發器消耗的平均電流。微控制器閑置時便進入休眠模式，其工作電流可降至I μ A，并允許定時器中斷喚醒器件。由于微控制器及第一無線收發器以較低的占空比工作，因此其平均功耗很低，為數毫瓦左右。
[0045]三)無線測溫匯集器:由開閉所/環網柜/電纜分支箱內的市電、PT電源或蓄電池供電，包括微處理器、第二無線收發器、GPRS模塊/光纖以太網接口、IXD顯示屏、射頻(RF)電路、天線等。其中，無線收發器、GPRS模塊/光纖以太網接口和IXD顯示屏分別與微處理器相連，天線通過射頻(RF)電路與第二無線收發器相連。
[0046]無線測溫匯集器的功能包括:收集電纜溝道中無線傳感器節點上傳的溫度數據、溫度數據的本地顯示及告警、配置無線傳感器節點的參數、接收并執行監控中心的命令、上傳監測數據等。
[0047]本發明提供的監測系統中無線傳感器節點與無線測溫采集器無線通信的頻段為433MHz，通信協議為IEEE802.15.4g，并通過密鑰進行認證。
[0048]本發明還提供一種地埋電纜中間接頭溫度在線監測的監測方法，包括下述步驟:
[0049](I)熱電發生器TEG將其兩側的溫差轉換為電壓信號輸出至能量收集器。能量收集器將微弱的電壓(20~500mV)轉換為微控制器和第一無線收發器可以工作的電壓,其輸出的平均功率Pott在TEG兩側溫差為5°C時約1.5~2.5mW(具體數值取決于TEG的參數)。由于大多數情況下P.不能維持無線傳感器節點一直工作在正常模式下，因此該節點只能以一定占空比工作。能量收集器的輸出端的電容Qm可保證無線傳感器節點以最大功率工作一段時間后Vot不會跌至正常工作以下。Ctot的值可以由下述公式確定:
[0050]Cout — I pulse* ^pulse/ A Vout ;
[0051]其中:Ι.Ε和tmsE分別為無線傳感器節點的最大工作電流及其對應的工作時間，AVout為Vtot輸出端所允許的最大壓降。
[0052]若無線傳感器節點正常工作時的功耗為Pn，則其工作的占空比應小于PTOT/PN。
[0053]若無線傳感器節點以固定占空比工作時的平均功耗為Pq，則當熱電發生器TEG輸出的電壓小于20mV時，超級電容儲存的能量能維持節點工作時間為:
[0054]ts = Cstore* (5.25V-3.3V) /Pq ；
[0055]其中:Cstqke為超級電容的電容值。
[0056](2)無線傳感器節點采用逐點收集的方式上傳監測數據至無線測溫匯集器:電纜溝道中每個無線傳感器節點中擁有唯一的編號及位置信息。數據上傳采用逐點收集的方式:假設距離測溫匯集器最遠的節點編號為1，其次為2，距離測溫匯集器最近的編號為N ；在進行溫度數據上傳時，首先是I號節點將數據傳給2號節點，然后2號節點將I號節點與自身的數據一同發至3號節點，最后N號節點將所有節點的數據發給無線測溫匯集器。所有節點在一個數據上傳周期內僅發送一次數據，從而降低了其平均功耗。
[0057](3)無線測溫匯集器接收到傳感器節點發送的數據后，便進行本地顯示，同時根據需要將數據上傳到監控中心，并提供報警功能。用戶可通過LCD屏設置無線傳感器節點的配置參數(如發射功率、數據采集與發送間隔、工作模式、時間與日期等。)數據下發時，首先無線測溫匯集器將數據傳給N號節點，然后由N號節點傳給N-1號節點，最后由2號節點傳給I號節點。
[0058]本發明提供的地埋電纜中間接頭溫度在線監測系統及其監測方法，以能量收集及無線傳感技術為核心，通過熱電發生器及能量收集器將電纜中間接頭表皮與環境的溫差轉換成電能為無線傳感器供電，從而免去了傳感器中的電池，使其具有免維護、安全可靠、便于安裝等特點。
[0059] 最后應當說明的是:以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解:依然可以對本發明的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，而未脫離本發明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1.一種地埋電纜中間接頭溫度在線監測系統，所述系統包括設置于電纜工井上方的N個無線傳感節點、熱電發生器、無線測溫匯集器及監控中心，其特征在于，電纜中間接頭設置于電纜工井下方，單個無線傳感節點和熱電發生器依次并列安裝于電纜中間接頭的外表面上；所述無線測溫匯集器安裝于電纜終端、分支接頭的開閉所、環網柜或電纜分支箱內，其天線延長至電纜溝道收集無線傳感器節點的監測數據，所述無線測溫匯集器通過GPRS或光纖與監控中心進行數據交互。
2.如權利要求1所述的溫度在線監測系統，其特征在于，所述熱電發生器溫度高的一側粘貼在電纜中間接頭外表皮上，溫度低的一側通過散熱器將熱流擴散到空氣中；相鄰電纜中間接頭之間距離為100~400米。
3.如權利要求1所述的溫度在線監測系統，其特征在于，所述單個無線傳感器節點包括依次連接能量收集器、微控制器和第一無線收發器，半導體溫度傳感器與微控制器連接；半導體溫度傳感器和第一無線收發器均通過微控制器的VOUT管腳獲取電源。
4.如權利要求3所述的溫度在線監測系統，其特征在于，所述能量收集器包括能量收集管理芯片、微型變壓器、超級電容以及電容器；所述微型變壓器、超級電容以及電容器均連接在能量收集管理芯片上； 能量收集器將熱電發生器輸出的電壓轉換為微控制器、第一無線收發器和半導體溫度傳感器的工作電壓，當輸出電壓達到預設值的93%時向微控制器輸出有效的PGOOD信號，同時對超級電容進行充電；當熱電發生器輸出的電壓低于20mV時，超級電容開始放電，并通過能量收集管理芯片為微控制器、第一無線收發器和半導體溫度傳感器供電。
5.如權利要求3所述的溫度在線監測系統，其特征在于，所述半導體溫度傳感器采用TMP36型號的傳感器，當其工作在正常模式時，工作電流小于50 μ A ;當其處于關閉模式時，工作電流小于0.5 μ A0
6.如權利要求3所述的溫度在線監測系統，其特征在于，所述微控制器內部集成模數轉換器、定時器、通用I/O、中斷控制器片上外設； 微控制器通過串行外設SPI接口與第一無線收發器相連，并利用通用I/O輸出關閉或關機信號SDN控制第一無線收發器的上電復位及工作電源； 微控制器定時啟動模數轉換器將溫度模擬信號轉換為數字信號，并通過第一無線收發器發送監測數據；在不進行模數轉換時，微控制器將輸出給溫度傳感器的關閉信號#SHDN置低，同時禁用第一無線收發器發送功能； 微控制器采用監聽模式進行數據的接收； 微控制器閑置時進入休眠模式，其工作電流降至1μ A，并允許定時器中斷喚醒器件。
7.如權利要求3所述的溫度在線監測系統，其特征在于，利用熱電發生器和能量收集器將電纜中間接頭與環境的溫差轉換成電能，為所述無線傳感器節點供電。
8.如權利要求1所述的溫度在線監測系統，其特征在于，所述無線測溫匯集器由開閉所、環網柜或電纜分支箱內的市電、PT電源或蓄電池供電，包括微處理器、第二無線收發器、GPRS模塊/光纖以太網接口、IXD顯示屏、射頻電路和天線；所述第二無線收發器、GPRS模塊/光纖以太網接口和LCD顯示屏分別與微處理器相連，所述天線通過射頻電路與第二無線收發器相連。
9.如權利要求7所述的溫度在線監測系統，其特征在于，所述無線測溫匯集器用于收集電纜溝道中無線傳感器節點上傳的溫度數據、溫度數據的本地顯示及告警參數、配置無線傳感器節點的參數；接收并執行監控中心的命令以及上傳監測數據。
10.如權利要求1所述的溫度在線監測系統，其特征在于，所述無線傳感器節點與無線測溫匯集器無線通信的頻段為433MHz，通信協議為IEEE802.15.4g，并通過密鑰進行認證。
11.一種地埋電纜中間接頭溫度在線監測方法，其特征在于，所述方法包括下述步驟: (1)熱電發生器將其兩側的溫差轉換為電壓信號，并輸出至無線傳感器節點的能量收集器； (2)能量收集器將熱電發生器輸出的電壓轉換為微控制器、第一無線收發器和半導體溫度傳感器的工作電壓，無線傳感器節點進入工作模式； (3)所述無線傳感器節點采用逐點收集的方式上傳監測數據至無線測溫匯集器； (4)無線測溫匯集器接收到無線傳感器節點發送的數據后，進行本地顯示，同時將數據上傳到監控中心，并提供報警功能。
12.如權利要求11所述的溫度在線監測方法，其特征在于，所述步驟(2)中，當輸出電壓達到預設值的93%時向微控制器輸出有效的PGOOD信號，同時對超級電容進行充電；當熱電發生器輸出的電壓低于20mV時，超級電容開始放電，并通過能量收集管理芯片為微控制器、第一無線收發器和半導體溫度傳感器供電。
13.如權利要求11所述的溫度在線監測方法，其特征在于，所述步驟(3)中，電纜溝道中每個無線傳感器節點中擁有唯一的編號及位置信息。
14.如權利要求11所述的溫度在線監測方法，其特征在于，所述步驟(4)中，用戶可通過LCD屏設置無線傳感器節點的配置參數數據下發時，首先無線測溫匯集器將數據傳給N號節點，然后由N號節點傳給N-1號節點，最后由2號節點傳給I號節點；所述配置參數包括發射功率、數據采集與發送間隔、工作模式以及時間與日期。
【文檔編號】G08C17/02GK103575415SQ201310418493
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年9月13日 優先權日:2013年9月13日
【發明者】盛萬興, 孫軍平, 李玉凌, 李二霞, 史常凱, 姜建釗, 許保平, 樊勇華, 孫智濤, 周自強, 徐曉華, 江明強 申請人:國家電網公司, 中國電力科學研究院, 國網浙江海寧市供電公司