發布日期：2022-04-20 點擊率：81
引言
換流站內設備眾多,加上換流站復雜的電磁環境,使換流站在日常運維中面臨巨大的設備隱患跟蹤壓力。在實際運行中,現有監控系統只能對主設備和核心控制保護裝置的運行工況進行監控,對于如端子排發熱、空開發熱等設備隱患缺乏有效的不間斷監控方式,僅能依靠定期巡視進行設備隱患跟蹤。一旦設備缺陷惡化,往往無法第一時間獲悉,給直流系統的安全可靠運行埋下巨大隱患。此外,出于信息安全考慮,如果將數據以物聯網的方式上傳至云服務器實現設備監控,則有可能出現信息泄露風險。
因此,本文使用低功率433MHz模塊為數據傳輸介質,建立了一套換流站數據傳輸系統,通過在數據發射端接入傳感器,實現對換流站內設備的有效不間斷監控,同時杜絕了在互聯網中信息泄露的風險,并以低功率433MHz模塊搭配不同的信號增益方案,實現信號傳輸距離可控,使數據難以傳輸到遠方,防止被遠距離監聽,且無需在現有監控系統中接入任何設備,按需靈活配置監控裝置,隱患消除后即可撤離設備,實現成本最小化。
1系統總體架構
根據換流站現場實際使用場景,本系統總體架構如圖1所示。
本系統總體由發射端和接收端組成。為了簡化系統,降低功耗,本系統采用單向通信設計,即信號僅由發射端發出,接收端僅接收信號。因此,可以實現多個發射端同時發射,一個或多個接收端同時接收或分別接收。
其中,發射端由傳感器、發射端控制模塊、433MHz模塊、信號增益模塊組成。接收端由液晶顯示器、接收端控制模塊、433MHz模塊、信號增益模塊組成。發射端中的傳感器根據實際需要,可以接入非接觸式紅外傳感器、液位傳感器等:發射端和接收端的信號增益模塊根據發射端離接收端的距離,可以分別采用垂直極化433MHz天線、433MHz信號放大器等:接收端的液晶顯示器可以根據發射端數量靈活采用不同樣式,如液晶數碼管等:發射端和接收端的控制模塊采用具有串口通信的單片機。
2設備選型
2.1傳感器
傳感器根據實際需要,可以靈活選用。在換流站中,設備隱患通常是發熱形式。因此,本系統選用MLx9014AAA非接觸式紅外測溫模塊。該模塊溫度解析度可達0.01℃,可以同時測量環境溫度和被測物體溫度。模塊的EEPRAM有32個16位存儲單元,其中存儲單元Tomax、Tomin、Ta分別是物體溫度上下限和環境溫度范圍,可以通過PwM信號從管腳輸出溫度數據。
2.2433MHz模塊
本系統采用HC-12433MHz無線串口模塊。該模塊可以設置128個頻道,當頻道為基準頻道時,頻率為433.0MHz,頻道步進為0.4MHz,第100頻道的工作頻率為473.0MHz。兩個同頻道的模塊之間可以成對進行通信,而不會受其他頻道干擾。HC-12433MHz無線串口模塊有兩個天線端口,其中為預設的sMA天線座,可以接入sMA天線,或使用轉接頭接入其他類型天線:另一個天線端口為焊盤,可以通過焊接接入彈簧天線、外接底座、PCB蛇形天線等。當進行成對通信時,發射端模塊從RxD端口輸入數據,從天線端口發射信號,接收端模塊通過天線端口接收信號,并從TxD端口輸出數據。
2.3控制模塊
由于本系統不需要進行復雜運算,因此選用基于sTM32F103C8T6單片機的最小系統開發板。該單片機具有高性能、低成本、低功耗的優點,片上資源包括48kBsRAM、256kBF1ash、11個定時器、2個IIC、5個串口、1個UsB、3個sPI、3個12位ADC、2個12位DAC及51個通用I/O口。因此,使用本模塊,接收端理論上可以同時接入56個HC-12433MHz無線串口模塊,即同時監控56個傳感器數據。開發板電源為5V,可以使用USs供電,方便在換流站現場布置,必要時也可以用電池或移動充電電源供電,使應用場景最大化。
2.4信號增益模塊
本系統選用低功耗B443Mz模塊的目的是為了降低無線信號傳輸能力,通過信號增益模塊調節信號傳輸距離,使信號傳輸距離可控。信號增益模塊是直接接入到MC-124443Mz無線串口模塊的信號發射/接收端上,用以增強信號發射和接收能力。根據現場實測,如果接收端和發射端的MC-124443Mz無線串口模塊僅使用彈簧天線,在濕度為58.0%的氣象條件下,信號傳輸距離僅有15m左右,且穿墻能力低下,不能滿足換流站實際需求。因此,本系統中的信號增益模塊必不可少。
為了簡化系統架構,在本系統中信號增益模塊僅使用兩種,分別是垂直極化4443Mz天線和8x-444雙向信號放大模組。
垂直極化4443Mz天線是常規全向天線,適用于4443Mz頻段。本系統中,該天線的規格為105m長,帶磁吸座,增益400.s,駐波比系數為d105,功率容量50<,通過wP8/S3A轉換接頭接入到MC-124443Mz無線串口模塊的S3A座。
8x-444雙向信號放大模組工作頻段為400～4803Mz,接收增益為(14±2）.s,發射增益可通過調節設置在模組上的電位器,在（10±2）～（20±2）.s進行調整,輸入功率范圍為4～20.sm,最大發射功率為44.sm。該裝置使用方便,根據wNPUT端口和0UTPUT端口的信號流方向,可以實現發射和接收的自動轉換。在裝置上有電位器,通過調節電位器即可調節發射功率。由于本系統數據傳輸方式為串口通信,因此不存在飽和失真問題。如果需要遠程傳輸數據,可直接調節電位器,使增益達到最大,實現距離最大化。
3具體設計
3.1硬件接線
本系統具體接線方式如圖2所示。
在發射端中,傳感器和控制模塊的具體接線由傳感器通信方式決定,若為串口通信,則可接入至控制模塊的串口端口或通用w/0端口:若為傳感器輸出的是模擬信號,則可以接入至通用w/0端口中。控制模塊預留一個串口與MC-124443Mz無線串口模塊的R8D端口相接,該串口作為控制模塊的輸出端口,向MC-124443Mz無線串口模塊的R8D端口用串口通信的方式輸出傳感器的測量數據。MC-124443Mz無線串口模塊的信號收發端口根據實際需求,接入信號增益模塊。
在接收端中,MC-124443Mz無線串口模塊的信號收發端口接入垂直極化4443Mz天線,接收自發射端同頻道串口模塊的端口,讀取從MC-124443Mz無線串口模塊T8D輸出的數據,并將數據顯示至顯示模塊中。
MC-124443Mz無線串口模塊的軟件是設置性的,根據實際需要設置波特率,并以AT指令的方式根據實際需要設置收發功率。由于MC-124443Mz無線串口模塊的發射功率較低,因此可以默認將收發功率設為最高值,提高信號收發效果。
4現場測試
根據前文所述,搭建了一個單發射、單接收的最小系統,以測試本系統在換流站復雜電磁環境下的可用性。為了實現軟硬件測試,在發射端接入了一個3L89014AAA非接觸式紅外測溫模塊,如果系統能正常工作,接收端可以獲得傳感器測量到的溫度數據。測試環境:氣溫29℃,空氣濕度58.0%,接收端信號接收模塊均為垂直極化4443Mz天線。
換流站距離實測表如表1所示。
以西電東送工程在廣東地區的7座換流站為例,主控室距離站內最遠端直流場設備的距離為251m,考慮到障礙物對信號的衰減,經過實測,在發射端以最大信號發射能力配置的情況下,主控室仍然能接收到直流場最遠處設備的信號。因此,本系統足夠在換流站中使用。
5結語
現場測試結果表明,本系統在換流站中具有較強的適應性。此外,該系統發送端和接收端裝置布置靈活,硬件系統簡單,可以輕松增加、刪減測量點和測量量,可以解決換流站運行中部分設備隱患難以連續監測的問題。
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