引言

換流站內(nèi)設(shè)備眾多,加上換流站復(fù)雜的電磁環(huán)境,使換流站在日常運(yùn)維中面臨巨大的設(shè)備隱患跟蹤壓力。在實(shí)際運(yùn)行中,現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)只能對(duì)主設(shè)備和核心控制保護(hù)裝置的運(yùn)行工況進(jìn)行監(jiān)控,對(duì)于如端子排發(fā)熱、空開發(fā)熱等設(shè)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(jìn)行設(shè)備隱患跟蹤。一旦設(shè)備缺陷惡化,往往無(wú)法第一時(shí)間獲悉,給直流系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行埋下巨大隱患。此外,出于信息安全考慮,如果將數(shù)據(jù)以物聯(lián)網(wǎng)的方式上傳至云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控,則有可能出現(xiàn)信息泄露風(fēng)險(xiǎn)。

因此,本文使用低功率433MHz模塊為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì),建立了一套換流站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),通過在數(shù)據(jù)發(fā)射端接入傳感器,實(shí)現(xiàn)對(duì)換流站內(nèi)設(shè)備的有效不間斷監(jiān)控,同時(shí)杜絕了在互聯(lián)網(wǎng)中信息泄露的風(fēng)險(xiǎn),并以低功率433MHz模塊搭配不同的信號(hào)增益方案,實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸距離可控,使數(shù)據(jù)難以傳輸?shù)竭h(yuǎn)方,防止被遠(yuǎn)距離監(jiān)聽,且無(wú)需在現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)中接入任何設(shè)備,按需靈活配置監(jiān)控裝置,隱患消除后即可撤離設(shè)備,實(shí)現(xiàn)成本最小化。

1系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)換流站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用場(chǎng)景,本系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)總體由發(fā)射端和接收端組成。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng),降低功耗,本系統(tǒng)采用單向通信設(shè)計(jì),即信號(hào)僅由發(fā)射端發(fā)出,接收端僅接收信號(hào)。因此,可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)發(fā)射端同時(shí)發(fā)射,一個(gè)或多個(gè)接收端同時(shí)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(hào)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(hào)增益模塊組成。發(fā)射端中的傳感器根據(jù)實(shí)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(hào)增益模塊根據(jù)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(hào)放大器等:接收端的液晶顯示器可以根據(jù)發(fā)射端數(shù)量靈活采用不同樣式,如液晶數(shù)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(jī)。

2設(shè)備選型

2.1傳感器

傳感器根據(jù)實(shí)際需要,可以靈活選用。在換流站中,設(shè)備隱患通常是發(fā)熱形式。因此,本系統(tǒng)選用MLx9014AAA非接觸式紅外測(cè)溫模塊。該模塊溫度解析度可達(dá)0.01℃,可以同時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度和被測(cè)物體溫度。模塊的EEPRAM有32個(gè)16位存儲(chǔ)單元,其中存儲(chǔ)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(hào)從管腳輸出溫度數(shù)據(jù)。

2.2433MHz模塊

本系統(tǒng)采用HC-12433MHz無(wú)線串口模塊。該模塊可以設(shè)置128個(gè)頻道,當(dāng)頻道為基準(zhǔn)頻道時(shí),頻率為433.0MHz,頻道步進(jìn)為0.4MHz,第100頻道的工作頻率為473.0MHz。兩個(gè)同頻道的模塊之間可以成對(duì)進(jìn)行通信,而不會(huì)受其他頻道干擾。HC-12433MHz無(wú)線串口模塊有兩個(gè)天線端口,其中為預(yù)設(shè)的sMA天線座,可以接入sMA天線,或使用轉(zhuǎn)接頭接入其他類型天線:另一個(gè)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(dāng)進(jìn)行成對(duì)通信時(shí),發(fā)射端模塊從RxD端口輸入數(shù)據(jù),從天線端口發(fā)射信號(hào),接收端模塊通過天線端口接收信號(hào),并從TxD端口輸出數(shù)據(jù)。

2.3控制模塊

由于本系統(tǒng)不需要進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算,因此選用基于sTM32F103C8T6單片機(jī)的最小系統(tǒng)開發(fā)板。該單片機(jī)具有高性能、低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn),片上資源包括48kBsRAM、256kBF1ash、11個(gè)定時(shí)器、2個(gè)IIC、5個(gè)串口、1個(gè)UsB、3個(gè)sPI、3個(gè)12位ADC、2個(gè)12位DAC及51個(gè)通用I/0口。因此,使用本模塊,接收端理論上可以同時(shí)接入56個(gè)HC-12433MHz無(wú)線串口模塊,即同時(shí)監(jiān)控56個(gè)傳感器數(shù)據(jù)。開發(fā)板電源為5V,可以使用USs供電,方便在換流站現(xiàn)場(chǎng)布置,必要時(shí)也可以用電池或移動(dòng)充電電源供電,使應(yīng)用場(chǎng)景最大化。

2.4信號(hào)增益模塊

本系統(tǒng)選用低功耗B443Mz模塊的目的是為了降低無(wú)線信號(hào)傳輸能力,通過信號(hào)增益模塊調(diào)節(jié)信號(hào)傳輸距離,使信號(hào)傳輸距離可控。信號(hào)增益模塊是直接接入到MC-124443Mz無(wú)線串口模塊的信號(hào)發(fā)射/接收端上,用以增強(qiáng)信號(hào)發(fā)射和接收能力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),如果接收端和發(fā)射端的MC-124443Mz無(wú)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(hào)傳輸距離僅有15m左右,且穿墻能力低下,不能滿足換流站實(shí)際需求。因此,本系統(tǒng)中的信號(hào)增益模塊必不可少。

為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu),在本系統(tǒng)中信號(hào)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(hào)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(tǒng)中,該天線的規(guī)格為105m長(zhǎng),帶磁吸座,增益400.s,駐波比系數(shù)為d105,功率容量50<,通過wP8/S3A轉(zhuǎn)換接頭接入到MC-124443Mz無(wú)線串口模塊的S3A座。

8x-444雙向信號(hào)放大模組工作頻段為400～4803Mz,接收增益為(14士2）.s,發(fā)射增益可通過調(diào)節(jié)設(shè)置在模組上的電位器,在（10士2）～（20士2）.s進(jìn)行調(diào)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(jù)wNPUT端口和0UTPUT端口的信號(hào)流方向,可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。在裝置上有電位器,通過調(diào)節(jié)電位器即可調(diào)節(jié)發(fā)射功率。由于本系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù),可直接調(diào)節(jié)電位器,使增益達(dá)到最大,實(shí)現(xiàn)距離最大化。

3具體設(shè)計(jì)

3.1硬件接線

本系統(tǒng)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?jīng)Q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(hào),則可以接入至通用w/0端口中?？刂颇K預(yù)留一個(gè)串口與MC-124443Mz無(wú)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(wú)線串口模塊的R8D端口用串口通信的方式輸出傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)。MC-124443Mz無(wú)線串口模塊的信號(hào)收發(fā)端口根據(jù)實(shí)際需求,接入信號(hào)增益模塊。

在接收端中,MC-124443Mz無(wú)線串口模塊的信號(hào)收發(fā)端口接入垂直極化4443Mz天線,接收自發(fā)射端同頻道MC-124443Mz無(wú)線串口模塊從垂直極化4443Mz天線發(fā)出的信號(hào),T8D端口接入控制模塊的其中一個(gè)串口,將信號(hào)輸入到控制模塊中。接收端根據(jù)實(shí)際需要,接入相應(yīng)的顯示模塊。

3.2軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件較為輕量化,可分為發(fā)射端、接收端和MC-124443Mz無(wú)線串口模塊三部分。發(fā)射端定期掃描讀取傳感器數(shù)據(jù),經(jīng)過處理后,將數(shù)據(jù)輸出到與MC-124443Mz無(wú)線串口模塊R8D相接的串口中。

接收端定期掃描全部接入MC-124443Mz無(wú)線串口模塊的端口,讀取從MC-124443Mz無(wú)線串口模塊T8D輸出的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)顯示至顯示模塊中。

MC-124443Mz無(wú)線串口模塊的軟件是設(shè)置性的,根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置波特率,并以AT指令的方式根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置收發(fā)功率。由于MC-124443Mz無(wú)線串口模塊的發(fā)射功率較低,因此可以默認(rèn)將收發(fā)功率設(shè)為最高值,提高信號(hào)收發(fā)效果。

4現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

根據(jù)前文所述,搭建了一個(gè)單發(fā)射、單接收的最小系統(tǒng),以測(cè)試本系統(tǒng)在換流站復(fù)雜電磁環(huán)境下的可用性。為了實(shí)現(xiàn)軟硬件測(cè)試,在發(fā)射端接入了一個(gè)3L89014AAA非接觸式紅外測(cè)溫模塊,如果系統(tǒng)能正常工作,接收端可以獲得傳感器測(cè)量到的溫度數(shù)據(jù)。測(cè)試環(huán)境:氣溫29℃,空氣濕度58.0%,接收端信號(hào)接收模塊均為垂直極化4443Mz天線。

換流站距離實(shí)測(cè)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(nèi)最遠(yuǎn)端直流場(chǎng)設(shè)備的距離為251+,考慮到障礙物對(duì)信號(hào)的衰減,經(jīng)過實(shí)測(cè),在發(fā)射端以最大信號(hào)發(fā)射能力配置的情況下,主控室仍然能接收到直流場(chǎng)最遠(yuǎn)處設(shè)備的信號(hào)。因此,本系統(tǒng)足夠在換流站中使用。

5結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明,本系統(tǒng)在換流站中具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。此外,該系統(tǒng)發(fā)送端和接收端裝置布置靈活,硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)單,可以輕松增加、刪減測(cè)量點(diǎn)和測(cè)量量,可以解決換流站運(yùn)行中部分設(shè)備隱患難以連續(xù)監(jiān)測(cè)的問題。