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【摘要】 设计和开发了一套基于声表面波和Modbus/TCP技术的开关柜温度诊断分析系统，详细介绍了整个系统平台的总体设计方案。该平台包含硬件和软件两部分，对传感器的选用、数据交互、系统的组成及功能也做了较为详细的阐述。
【关键词】 声表面波 Modbus/TCP 数据交互
Abstract： In this paper， the author designs and develops a set of temperature diagnosis and analysis system for switch cabinet based on the SAW and Modbus/TCP technology. The overall design scheme of the system platform is introduced in detail. The platform includes the hardware and software. A more detailed description of each part is made including the selection of sensors， data exchange， software modules.
Keywords： SAW， Modbus/TCP， data exchange
一、引言
迄今为止，电网设备检修经历了故障维修、定期检修、状态检修三个阶段，作为在电力系统输电、电能转换和电能消耗中起着控制和保护电路的开关柜，实施状态检修是有必要的。
电网技术的发展，尤其是传感器、计算机技术、微电子技术的快速发展，传统电力开关柜越来越不能适应现代电网的发展要求。网络通信技术的发展使人机对话、系统内各设备间的通信协作提供了理论基础[1]。
大多数高压开关设备采用封闭结构，散热条件差，而且长时间工作于高电压、大电流等恶劣环境中，很容易引起热量的积累而导致其内部温度升高[2]。常规的测温方式覆盖面低、便利性差，有的无法做到实时监测，有的引入新的安全隐患，导致事故停电火灾频发。据统计，我国每年发生电力事故，40%由高压电气设备过热所致；而在采用高压开关柜和电力电缆的供电系统中有70%以上的电缆运行故障是因为连接部位接触电阻变大、过负荷等引起接头温度过高所致。对高压开关柜连接点的温度变化进行实时监测及预警是非常必要的。
二、系统设计方案
2.1系统设计概述
目前高压开关柜温度在线监测方法主要有CCD摄像头监测示温蜡片测温法、红外测温法、光纤测温法和无线网络法[3]，由于中压开关柜内存在大电流、高电压，电磁环境极为恶劣等诸多困难因素，现有开关柜测温技术都存在着各种各样的局限性。本系统采用声表面波器件，安装在开关柜内部，长期运行不会积污，不会引入新的安全隐患。
开关柜从内部结构可分为仪表室、母线室、开关室、电缆室，本系统采集模块可同时采集和监测三室（母线室、开关室、电缆室）的温度信息。
2.2系统整体方案
既要保证独立模块的高效，又要兼顾整体系统的稳定可靠，系统采用了分层
架构设计。如图1所示。
传感器与测量装置之间采用无线传输的方式进行数据交互，为现场安装提供了便利。
测量装置与通讯管理机之间采用CS架构，装置在接收到管理机主动询问的测点信息时主动上送各传感器温度信息，采用标准Modbus/TC协议进行数据通信。
为更好的进行数据展示，服务器与管理机之间采用BS架构，采用标准Modbus/TCP协议进行数据通信。
三、硬件设计
3.1温度传感器
按照电源供给方式不同，无线传感器可分为三类，采用特殊设计的声表（SAW）谐振器，工作时不需要任何电源以及工作在射频频段的特性，使得SWA应用于肮脏潮湿、核辐射、有爆炸危险的危险环境具有很大优势[4]。当有一个特点频率的电波输入到声表谐振器，谐振器输出的电波信号频率会随着环境温度的变化而变化，利用谐振器的这个特性，通过采集谐振器输出频率，就可以得到对应的环境溫度。
3.2通讯集中器的设计
通讯集中器采用高度集成的ARM处理器为核心部件，具有4路隔离串口和两路快速以太网接口，可以实现串口设备到以太网的自动信息采集和通信协议转换，以及基于以太网的通信管理，满足计算机监控系统中的多种通信需求。
通讯集中器主要是作为现场控制的通信扩展 设备。该装置既可以通过串口也可以通过以太网接口实现与上级系统或与下级设备通信的功能，根据需要进行组合，给实际工程应用带来了极大的灵活性。
四、软件设计
4.1温度读取器软件
温度读取软件主要分为数据收发、诊断分析、数据保存、数据回放及信息显示模块。模块结构如下。
数据收发模块：该模块主要负责测点数据的读取。
诊断分析模块：根据读取的测点信息进行诊断分析，判断当前的测点状态，给出判断结果，当达到预设的告警值时，装置进行声光告警。
数据保存模块：为方便查看，所有的温度信息都进行保存。
数据回放模块：可以通过查看保存的历史温度信息来判断开关柜运行情况。
数据显示模块：通过界面实时查看当前各测点信息及当前各点状态，辅助现地人员对开关柜运行状态进行基本判断。
4.2通讯集中器软件
通讯集中器主要完成读取温度数据、转发与上送功能。软件采用CS架构与温度读取器进行交互，采用标准Modbus/ TCP协议进行数据交互。基于以太网技术和标准TCP/IP技术发展起来的Modbus/TCP，直接安插于ISO七层结构中的第四层的TCP/UDP上，其工作原理就是Modbus协议帧嵌入到TCP/IP下层的协议帧中，在物理层进行传输[5]。
为更好的进行数据分析及数据展示，所有的测温数据都集中到集中器进行统一上送，统一上送的数据既可以作为远端监控，也为部署在远程的云数据平台进行大数据分析提供基础数据支撑。
4.3数据展示
监测计算器在接收到集中器上送的数据后，首先把数据存入实时数据库进行保存，最后对集中器数据进行比较、展示，方便用户查看。
五、结语
采用SAW测温传感器安全性高、抗干扰能力强，使用Modbus/TCP技术，传输速度高且实施价格低廉，可更容易地实现实时监控与现场设备的通信。开关柜运用在线测温装置可有效检测开关柜内部温度，预防开关柜内部过热事故的产生。
参 考 文 献
[1] 孙健秧，郭建钊，姚良铸.中压智能开关柜技术综述及解决方案的探讨[J].华东电力， 2012， 40（4）：684-686.
[2] 刘柳，陈建政.高压开关柜温度在线监测系统设计[J].无线互联科技， 2015（4）：38-40.
[3]黄新波.变电设备在线监测与故障诊断[M].北京：中国电力出版社，2012.
[4] 韩韬，施文康.声表面波器件在无线传感系统中的应用[J].光学精密工程， 2001， 9（6）：576-579.
[5] 翁建年，张浩，彭道刚，李辉 .基于嵌入式ARM的Modbus/TCP协议的研究与实现[J].计算机软件与应用， 2009， 26（10）：36-38.
【关键词】 声表面波 Modbus/TCP 数据交互
Abstract： In this paper， the author designs and develops a set of temperature diagnosis and analysis system for switch cabinet based on the SAW and Modbus/TCP technology. The overall design scheme of the system platform is introduced in detail. The platform includes the hardware and software. A more detailed description of each part is made including the selection of sensors， data exchange， software modules.
Keywords： SAW， Modbus/TCP， data exchange
一、引言
迄今为止，电网设备检修经历了故障维修、定期检修、状态检修三个阶段，作为在电力系统输电、电能转换和电能消耗中起着控制和保护电路的开关柜，实施状态检修是有必要的。
电网技术的发展，尤其是传感器、计算机技术、微电子技术的快速发展，传统电力开关柜越来越不能适应现代电网的发展要求。网络通信技术的发展使人机对话、系统内各设备间的通信协作提供了理论基础[1]。
大多数高压开关设备采用封闭结构，散热条件差，而且长时间工作于高电压、大电流等恶劣环境中，很容易引起热量的积累而导致其内部温度升高[2]。常规的测温方式覆盖面低、便利性差，有的无法做到实时监测，有的引入新的安全隐患，导致事故停电火灾频发。据统计，我国每年发生电力事故，40%由高压电气设备过热所致；而在采用高压开关柜和电力电缆的供电系统中有70%以上的电缆运行故障是因为连接部位接触电阻变大、过负荷等引起接头温度过高所致。对高压开关柜连接点的温度变化进行实时监测及预警是非常必要的。
二、系统设计方案
2.1系统设计概述
目前高压开关柜温度在线监测方法主要有CCD摄像头监测示温蜡片测温法、红外测温法、光纤测温法和无线网络法[3]，由于中压开关柜内存在大电流、高电压，电磁环境极为恶劣等诸多困难因素，现有开关柜测温技术都存在着各种各样的局限性。本系统采用声表面波器件，安装在开关柜内部，长期运行不会积污，不会引入新的安全隐患。
开关柜从内部结构可分为仪表室、母线室、开关室、电缆室，本系统采集模块可同时采集和监测三室（母线室、开关室、电缆室）的温度信息。
2.2系统整体方案
既要保证独立模块的高效，又要兼顾整体系统的稳定可靠，系统采用了分层
架构设计。如图1所示。
传感器与测量装置之间采用无线传输的方式进行数据交互，为现场安装提供了便利。
测量装置与通讯管理机之间采用CS架构，装置在接收到管理机主动询问的测点信息时主动上送各传感器温度信息，采用标准Modbus/TC协议进行数据通信。
为更好的进行数据展示，服务器与管理机之间采用BS架构，采用标准Modbus/TCP协议进行数据通信。
三、硬件设计
3.1温度传感器
按照电源供给方式不同，无线传感器可分为三类，采用特殊设计的声表（SAW）谐振器，工作时不需要任何电源以及工作在射频频段的特性，使得SWA应用于肮脏潮湿、核辐射、有爆炸危险的危险环境具有很大优势[4]。当有一个特点频率的电波输入到声表谐振器，谐振器输出的电波信号频率会随着环境温度的变化而变化，利用谐振器的这个特性，通过采集谐振器输出频率，就可以得到对应的环境溫度。
3.2通讯集中器的设计
通讯集中器采用高度集成的ARM处理器为核心部件，具有4路隔离串口和两路快速以太网接口，可以实现串口设备到以太网的自动信息采集和通信协议转换，以及基于以太网的通信管理，满足计算机监控系统中的多种通信需求。
通讯集中器主要是作为现场控制的通信扩展 设备。该装置既可以通过串口也可以通过以太网接口实现与上级系统或与下级设备通信的功能，根据需要进行组合，给实际工程应用带来了极大的灵活性。
四、软件设计
4.1温度读取器软件
温度读取软件主要分为数据收发、诊断分析、数据保存、数据回放及信息显示模块。模块结构如下。
数据收发模块：该模块主要负责测点数据的读取。
诊断分析模块：根据读取的测点信息进行诊断分析，判断当前的测点状态，给出判断结果，当达到预设的告警值时，装置进行声光告警。
数据保存模块：为方便查看，所有的温度信息都进行保存。
数据回放模块：可以通过查看保存的历史温度信息来判断开关柜运行情况。
数据显示模块：通过界面实时查看当前各测点信息及当前各点状态，辅助现地人员对开关柜运行状态进行基本判断。
4.2通讯集中器软件
通讯集中器主要完成读取温度数据、转发与上送功能。软件采用CS架构与温度读取器进行交互，采用标准Modbus/ TCP协议进行数据交互。基于以太网技术和标准TCP/IP技术发展起来的Modbus/TCP，直接安插于ISO七层结构中的第四层的TCP/UDP上，其工作原理就是Modbus协议帧嵌入到TCP/IP下层的协议帧中，在物理层进行传输[5]。
为更好的进行数据分析及数据展示，所有的测温数据都集中到集中器进行统一上送，统一上送的数据既可以作为远端监控，也为部署在远程的云数据平台进行大数据分析提供基础数据支撑。
4.3数据展示
监测计算器在接收到集中器上送的数据后，首先把数据存入实时数据库进行保存，最后对集中器数据进行比较、展示，方便用户查看。
五、结语
采用SAW测温传感器安全性高、抗干扰能力强，使用Modbus/TCP技术，传输速度高且实施价格低廉，可更容易地实现实时监控与现场设备的通信。开关柜运用在线测温装置可有效检测开关柜内部温度，预防开关柜内部过热事故的产生。
参 考 文 献
[1] 孙健秧，郭建钊，姚良铸.中压智能开关柜技术综述及解决方案的探讨[J].华东电力， 2012， 40（4）：684-686.
[2] 刘柳，陈建政.高压开关柜温度在线监测系统设计[J].无线互联科技， 2015（4）：38-40.
[3]黄新波.变电设备在线监测与故障诊断[M].北京：中国电力出版社，2012.
[4] 韩韬，施文康.声表面波器件在无线传感系统中的应用[J].光学精密工程， 2001， 9（6）：576-579.
[5] 翁建年，张浩，彭道刚，李辉 .基于嵌入式ARM的Modbus/TCP协议的研究与实现[J].计算机软件与应用， 2009， 26（10）：36-38.