引言

換流站內設備眾多,加上換流站復雜的電磁環(huán)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(jiān)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(jiān)控,對于如端子排發(fā)熱、空開發(fā)熱等設備隱患缺乏有效的不間斷監(jiān)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(jiān)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(fā)射端接入傳感器,實現對換流站內設備的有效不間斷監(jiān)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(jiān)聽,且無需在現有監(jiān)控系統中接入任何設備,按需靈活配置監(jiān)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(fā)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(fā)射端發(fā)出,接收端僅接收信號。因此,可以實現多個發(fā)射端同時發(fā)射,一個或多個接收端同時接收或分別接收。

其中,發(fā)射端由傳感器、發(fā)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(fā)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(fā)射端和接收端的信號增益模塊根據發(fā)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(fā)射端數量靈活采用不同樣式,如液晶數碼管等:發(fā)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(fā)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(huán)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(huán)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(fā)射端模塊從RxD端口輸入數據,從天線端口發(fā)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(fā)板。該單片機具有高性能、低成本、低功耗的優(yōu)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(jiān)控56個傳感器數據。開發(fā)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(jié)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(fā)射/接收端上,用以增強信號發(fā)射和接收能力。根據現場實測,如果接收端和發(fā)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(guī)全向天線,適用于4443Mz頻段。本系統中,該天線的規(guī)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(fā)射增益可通過調節(jié)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(fā)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(fā)射和接收的自動轉換。在裝置上有電位器,通過調節(jié)電位器即可調節(jié)發(fā)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(jié)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(fā)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?？刂颇K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(fā)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(fā)端口接入垂直極化4443Mz天線,接收自發(fā)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(fā)功率。由于MC-124443Mz無線串口模塊的發(fā)射功率較低,因此可以默認將收發(fā)功率設為最高值,提高信號收發(fā)效果。

4現場測試

根據前文所述,搭建了一個單發(fā)射、單接收的最小系統,以測試本系統在換流站復雜電磁環(huán)境下的可用性。為了實現軟硬件測試,在發(fā)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(huán)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(qū)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(fā)射端以最大信號發(fā)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(fā)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(xù)監(jiān)測的問題。