基于nRF24L01的电缆在线监测系统终端的研究

引言

　　城市中高压供电电缆大约每300米就存在一处电缆接头，很多情况下为了降低技术与施工的难度，将电缆接头安装在供电电缆分接箱中。电缆分接箱是一种户内或户外装置，通常安装于街边、路旁或者小区等地，用于对电缆线路进行分接、分支、接续或转换，在某些场合可断开运行中的电缆线路，以便于电缆线路和电气设备的检修。由于分接箱中电缆接头施工质量不过关，施工人员对预制式电缆附件的施工工艺不熟悉等一系列原因，使得电缆接头在长时间、大电流(过负荷)运行条件下容易发生过热，导致事故，严重影响了电力系统的安全可靠运行，造成了巨大的经济损失。

　　本方案根据供电企业的实际需要，采用无线技术设计了一种新型电缆接头温度监测系统终端。它位于各电缆接头处采集温度数据和电缆电流数据，通过近距离微功耗无线技术将分接箱中的测量数据汇集于位于分接箱底部的数据集中器，再上传至监控中心的PC，实现了城市供电电缆分接箱电缆接头运行温度和电流的低成本在线可靠监测。

硬件电路设计

测量原理

　　实际运行经验和理论分析均表明，电缆接头处发生的各类故障并不是一个突发的过程，是一个由量变到质变的过程，通常表现为电缆接头处温度不断升高。此外，在电力系统中，电力设备存在负载电流与温度正相关的规律:当负载电流增大时会出现温度升高，而负载电流减小时会出现降温的现象。

　　分接箱电缆接头表面温度是反映其运行状态的重要参数。对电缆接头温度进行不间断地监测和统计分析，可使运行人员全面掌握其工作状况，及时了解电缆接头的老化情况，在必要时结合生产情况提出检修计划，避免或减少故障的发生，提高供电系统安全性、可靠性，从而促进供电企业增收节支，提高经济效益。

　　根据分接箱电气安全规程，相与相接头之间空间距离不小于1cm，接头与分接箱侧壁和顶部的空间距离不小于15cm，各接头与三芯电缆分裂处垂直距离不小于70cm。分接箱电缆接头导体外部为绝缘护套层，而绝缘护套层表面实际上存在着几百伏至上千伏不等的电压。电缆接头导体温度主要取决于通过导体中的电流I、接触电阻R和环境温度TE，在通过电流和环境温度变化不大的情况下，主要受接触电阻的影响。测点温度为接头导体温度T和环境温度TE的分温，通过它虽不能直接测出接头导体部分的实际温度，但在现场环境情况下，它与接头导体温度近似成线性关系。因此，对于分接箱电缆接头温度的监测，主要测量电缆接头表面温度与通过电缆接头的电流，以及分接箱环境温湿度等。

供电系统设计

　　监测终端供电电路的设计思想是，利用特制线圈从电缆感应出一定功率的交流电压，通过整流、滤波和稳压之后，提供给监测终端。电流大致在10A~300A范围的中高压电缆上的交流电压，之后利用整流、滤波电路将交流变为直流，利用稳压电路将约为5V的直流电压变为+3.3V的直流恒压供给监测终端。另外，为了防止在电缆大电流情况下，特制线圈感应电压过大导致后端电路烧毁，为电路增加了过电压保护电路，起到保护器件的作用。如图1所示。

　　该电路设计的难点主要在于，电缆电流较小时，要尽量保证电源的供应;而当电缆处于大负荷运行状态，甚至是短路故障电流时，要给予电源板足够的保护，不能损坏器件。
该电源包括供能线圈，整流滤波稳压电路，控制线圈，控制电路以及防雷保护电路。

　　供能线圈为特制的小型CT(电流互感器)，利用电磁感应从电缆获得能量。该装置选用饱和磁感应强度较低、导磁率较高的硅钢片制作铁芯。供能线圈/控制线圈以及整流滤波稳压电路，控制电路和防雷保护电路与监测终端固定在铁芯一侧，便于减小体积和重量。根据电磁感应原理，确定线圈的匝数，保证电缆电流在10A以上时可提供稳定的3.3V稳压输出。供能线圈的输出接防雷保护电路后，再连接到整流滤波稳压电路。

　　由于高压电缆上运行的电流变化范围大，且暂态电流在达到数十倍的额定电流时还要保持电源稳定，要保证电流在达到300A时电源还能正常工作。电缆电流过大时感应线圈的铁芯处于磁饱和状态。铁芯饱和后，磁化曲线呈非线性关系，感应电势变为类似脉冲波，导致稳压电源模块输入电压过高烧毁，不利于电源的实现。 本设计增加了一个控制绕组和控制电路，当电缆电流过大，获取能量过多时，控制供能线圈感应电压在适当的工作范围。

电路设计

　　系统硬件结构图如图2所示。系统核心控制芯片采用时代民芯MXT8051，XT8051是以高速单指令周期8051为核的MCU。电路拥有丰富的外设，包括PWM、UART、WDT，Timer等，大容量存储器，内嵌32Kx8可在线编程flash，10位AD，8位DA，若干OP，36x4 LCD driver、POR以及可编程增益放大器(PGA)等模拟电路。电路集成片上调试系统，通过标准JTAG接口，快速诊断复杂SoC，该调试系统具有不占用任何硬件资源即可进行全速和单步运行、支持硬件断点、软件断点、以及观察内部特殊功能寄存器、程序指针和内部RAM等功能。上位机通过标准JTAG接口以及用户定义指令执行在线编程和在线调试。同时提供调试和编程软件包，该CPU可轻松满足系统控制要求。

　　nRF24L01芯片是挪威Nordic公司推出的2.4GHz单片无线收发芯片，该芯片具有接收灵敏度高、外围电路少、发射功率低、传输速率高、低功耗等优点，它工作在2.4GHz自由频段，支持多点间通信，其最高传输速率达1Mb/s。它采用SoC方法设计，只需少量外围元件便可组成射频收发电路。nRF2401A没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。

算法及软件实现

温度监测和电流监测的实现

　　系统需监测电流和温度。温度监测使用了DS18B20芯片，这是一种单总线温度传感器。本系统共有6路温度信号，需要6只温度传感器，它们挂在一条总线上。操作过程为：单片机预存这6个温度传感器的序列号，首先初始化总线上所有的温度传感器，寻找第一路温度传感器，发出温度转换命令，500ms后，再次匹配此温度传感器，匹配正确后，读温度暂存器的内容，最后将温度寄存器的内容转换成十进制数值存入单片机的缓冲区内。

　　电流监测采用CT实现，先用100比1的CT从电缆上得到一个交变电流，在二次回路侧加入一只0.01Ω的采样电阻，将电流值转变成电压值，此电压值经过运放LM358比例变换成单片机AD可采集的范围，信号送入单片机。单片机采集到信号后，乘以比例变系数，并转换成有效值后显示。

系统功能的实现

　　系统功能实现如图3所示。单片机首先进行端口的初始化，由于使用的单片机是双向输出，所以在使用以前要确定此端口是输入还是输出，是否使能上拉电阻等，尤其是对于SDA接口，在数据传输过程中，既做输出又做输入，因此单片机的输入和输出一定要设置正确。段式液晶是一种动态更新段式显示设备，具有低功耗的特点。在使用之前，要设置段式液晶的段数，公共端口数，帧速率等，设置完成后，可在单片机寄存器中操作液晶的每一段。PWM和AD都是要经过主时钟分频的，根据需要选择合适的时钟。使外部存储器、温度传感器、无线模块工作在就绪状态，要设置操作地址、收发速率、错误校验等。初始化完成后，系统读取存储器配置，以确定系统工作在哪种状态，然后根据设置的状态进行温度转换和电流采集。数据采集完成后，将测量数据放入单片机的数据缓冲区，然后用无线模块把这些数据发送出去。最后，切换到下一通道测量数据，重复以上过程。

结语

　　实际运行结果表明，本方案提出的新型电缆接头在线监测终端采用了感应电源供电，无需外接电源，免维护，监测终端与数据集中器之间采用近距离微功耗无线通信方式，有效传输数据的同时实现了高压隔离，监测终端硬件和软件都采用了超低功耗设计，实现了温度的精确测量，可以预见本产品将会有很好的市场前景。