张敏1,2，方健1,2，王红斌1,2，罗林欢1，郝方舟1，杨帆1,2，林翔1,2
(1. 广东电网有限责任公司广州供电局，广东 广州 510620；2. 中国南方电网公司 中低压电气设备
质量检验测试重点实验室，广东 广州 510620)
摘 要：为提高配电房的环境监控力度和运维管理水平，设计了一款能实时监测多种气体浓度和温湿度的多功能传感器。对传感器的原理、电路设计、软件设计和功能参数等进行了详细介绍。传感器以STM32L151RDT6微处理器为主控芯片，以先进光谱和电化学技术为原理对多种气体同时进行检测，使用基于ZigBee （一种短距离无线传输协议）的无线传输模块和485有线网络实现传感器与监控中心之间的数据传输和通信，通过上位机对配电房运行状态作出判断和预警。经过测试：设计的KIS-GTH5A 型多功能传感器的气体检测精度在量程的±3%之内，温度和相对湿度检测精度分别在±0.5 ℃和±3%之内。具有性能高、体积小、功耗低等优点，符合配电房气体的浓度和温湿度的检测要求。关键词：多功能传感器；实时监测；光谱测量；单片机；无线传输DOI ：10.11930/j.issn.1004-9649.202006097 0 引言
随着配电房智能化升级改造的深入开展，对传感器的性能和运维效率要求也越来越高。配电房中的传感
设备作为整个配电房监控系统的最前端，与周围各个需要检测的环境直接进行接触，其性能和运维效率直接影响配电房的智能化改造水平。目前配电房中已有的传感器普遍为单用途设计，每个传感器针对单一气体进行测量监控，而且传感器体积大，安装不便。除此之外，现有传感器还存在使用寿命短、精度偏低，需要停电返厂人工校正等。这导致智能配电房运维成本和操作难度提高。在推进配电房智能化改造过程中，传感设备的智能化升级起着关键作用[1]。智能化、移动化、集成化、多样化、微型化、数字化是配电房传感器发展的方向与重点[2]。
SF 6气体作为断路器、高压开关、高压变压器和高压传输线等设备的首选绝缘介质，拥有良好的热稳定性、化学稳定性、绝缘和灭弧性能，
因此在电力行业的高压设备中被广泛应用。在SF 6环网柜运行过程中一旦发生泄漏，SF 6及其分解物会在相对密闭的配电房内沉积，造成局部缺氧，从而对巡检人员产生极大的危害。绝缘体的劣化引起的放电现象会消耗氧气O 2，生成臭氧O 3，故可以通过检测O 3和O 2的浓度变化来间接监测开关柜内是否存在放电现象，以达到对开关柜内绝缘状态的评估[3-5]。配电房内供电设备的正常运行与温度指数有着密切的联系。高压柜的母排连接处、隔离刀闸或触头处、变压器低压出线处等设备连接处均是发热的敏感部位，过高或者过低的温度都会使得设备连接处绝缘下降，从而导致设备损坏，而且环境湿度对设备也有着同样的负面影响，配电房里面湿度过大将会引起设备漏电现象[6-7]。电力设备运行区域的SF 6、O 2、O 3浓度以及温湿度的准确监控和及时预警具有重要意义。
已经开发出来的多功能传感器大多数只能检测2种左右的环境变量，本文设计并实验了一种新型的多功能传感器用于检测五种环境变量，即SF 6、O 2、O 3浓度以及温度和湿度。应用微机电系统（micro-electro-mechanical system ，MEMS ）[8-10]、无线传感等技术[11]提高一体化水平和设备间信息互联互通能力，实现设备远程智能监控。
收稿日期：2020−06−08； 修回日期：2020−12−28。基金项目：中国南方电网有限责任公司科技项目(基于物联网技术和M E M S 技术的配电房智能传感设备研制，GZHKJXM20180056)
。
第 54 卷 第 2 期中国电力
Vol. 54, No. 22021 年 2 月
ELECTRIC POWER
Feb. 2021
1 基本功能及整体设计方案
多功能传感器可实现对智能电房、高压开关室气体绝缘开关（GIS ）等各种环境的SF 6、O 3、O 2气体浓度和温湿度进行监测和分析，取代了采用多个单参数传感器对目标环境状态监测。设计的多功能传感器型号为KIS-GTH5A ，其基本功能为：（1）能同时连续在线监测3种气体浓度信息，以及目标环境中的温湿度参数；（2）多功能传感器具备自检功能，并且各传感模块可进行零点标定；（3）传感探头采用产品模块设计，实现即插即用；（4）检测数据可通过基于ZigBee （一种短距离无线传输协议）的无线数据传输或者485有线网络与终端进行通信；（5）可对报警阈值进行设定和调整；（6）可判断各检测参数范围是否超过阈值，并依据状态异常智能预测模型对配电房运行状态进行故障预警。
KIS-GTH5A 多功能传感器主要由电源模块、气体检测模块、温湿度检测模块、隔离电路、微处理器、
无线传输模块、485有线通信、存储模块、上位机组成。结构框图如图1所示，工作时，各传感模块将与气体和温湿度有关的信息转化为电信号或者数字信号，其中电信号经过A/D 转换进行模数转换然后传递至微处理器，数字信号直接传递至微处理器，然后再由微处理器同时进行数据处理、存储，通过无线传输模块或485有线网络进行与上位机之间的数据信息传输。上位机根据检测到的参数，结合状态异常智能预测模型得到配电房运行状态预测信息，给出
安全或异常的提示；当检测到的参数已经超过系统设置阈值时，上位机显示配电房状态运行异常。
2 硬件结构设计
火麻仁胶囊2.1 传感模块
气体传感模块和温湿度传感模块的性能决定了多功能传感器的检测性能。目前常用的气体传感模块根据工作原理可分为非光学检测型和光学检测型，其中非光学检测型包括电化学型、催化燃烧型、热导型[12]等，光学检测型包括非散红外吸收型、紫外差分吸收型、荧光淬灭型[13]等。考虑到被测对象的环境以及特性，采用光学检测型传感模块测量SF 6和O 2气体，采用基于丝网印刷的电化学型测量O 3，同时考虑到传感器成本问题，采用集温度和湿度检测于一体的传感模块进行温湿度测量。SF 6、O 2气体探测模块与温湿度传感模块的通信电路都采用串口通信，具有简单可靠的特点。
非散红外吸收光谱法[14]测量气体是通过物质对于红外光区的电磁辐射进行选择性吸收来实现的。10~11 μm 远红外光经过一定浓度的SF 6气体之后，光强在红外吸收现象的影响下会减弱，其衰减程度与气体浓度成正相关，因此与气体浓度有关的信息就可以通过对比光强在吸收前后的变化得到。本文选用韦弗斯公司生产的WFS-S1-S 型SF 6检测模块，基于先进的MEMS 封装技术，有效减少了体积，同时自带温度补偿，测量结果可直接数字输出和模拟输出。
荧光淬灭技术[15]测量氧气的原理是基于氧气对一些荧光物质的荧光具有淬灭作用，导致荧光强度发生变化，然后通过检测不同氧气浓度下指
示剂的荧光强度，以达到检测氧气浓度的目的。其最大的优点是检测过程中无须消耗氧气，且响应时间短，不受外界电磁场的干扰。多功能传感器中测量O 2选用英国SST 公司Lumin OX 系列的检测模块，测量结果可直接数字输出，无须额外转换电路，结构简单。
电化学法[16]是目前气体检测的常用方式：臭氧检测选择了SPEC Sensors 公司生产的基于丝网印刷技术的电流型传感模块，基于MEMS 封装技术使得该传感模块体积达到立方毫米级别。工作
电源模块
无线传输微处理器上位机外围电路
存储模块SF 6 检测模块O 2 检测模块O 3 检测模块温湿度检测模块
A/D 转换
485 有线通信
状态异常智能预测模型
图
寡核苷酸探针1 KIS-GTH5A 多功能传感器结构框架
Fig. 1 Structure block of KIS-GTH5A
multifunctional sensor
第 2 期张敏等：多功能配电房状态监测传感器的设计
时，臭氧与电极发生反应产生与气体浓度成正比的电流，通过外部电路或工作电极流出，工作电极电流即为传感模块输出信号，然后经过A/D 转换电路转换成数字信号，其模拟信号处理及AD 转换电路如图2所示。
温湿度测量采用法国Humirel 公司高性能的HTU20D 型温湿度传感模块，具有响应速度快、抗干扰能力强和精度高等优点，同时体积微小（3.0×3.0×1.1）mm 3且功耗低（最大消耗2.7 μW ）。其测量结果可直接输出标定的标准I2C 格式数字信号。
R25IIC ADDR IIC SCL IIC SDA
VDD
R53
10 K
R5210 K
R2210 K
GND
GND
U15123456
7
15VDD C58
100 nF/50 V DGND MENB SCL SDA NC VDD CE RE WE
摇盘机VREF C1C57AGND DAP LMP91000
VOUT
C28
91011NC
NC NC NC NC NC NC NC
R2312
1314R8S
D
5
461P6R21CN RE WK WK VDD
G
SI2301
双金属螺杆
23789
V REF
V REF
O3 Sensor
+TC13+TC1110 uF/10 V 470 pF/50 V 10 uF/10 V
100 uF/50 V
100 uF/50 V
100 uF/50 V 10 uF/10 V 10 uF/10 V GND
GND R24
C55
U16VRNF GND GND 142
3C60
20 Ω/1%
20 Ω/1%
27.4 Ω/1%
1 KΩV A VIO IN+IN−
SCLK DOUT CS
ADC161S626CIMM
R266
789510
C56
C59++TC12TC10
D3V3GND
D5V
SP12 SCK SP12 MISO SP12 CS
MOS1
图 2 O 3模拟信号处理及AD 转换电路
Fig. 2 O 3 analog signal processing and AD conversion circuit
上述4个传感模块采用了产品模块化设计，包括：传感探头模块、功能性线路板模块、外壳模块3部分，其中传感探头模块采用了即插即用设计，极大地降低了维护成本和操作人员要求，提高了维护效率。2.2 数据传输
多功能传感器支持无线数据传输和485有线2种通信方式。其中无线数据传输模块采用基于ZigBee 技术[17]的F8913D 数据传输模块，工作频率为2.405~2.485GHz ，共16个物理频段，可有效地避免自身的频段干扰，同时可通过扩展频段避开wifi 和蓝牙的干扰，视距传输距离可达2 500 m 。
无线传输模块通信连接如图3所示，工作电压为2.8~3.3 V ，最高传输速率可达1 Mb/s ，支持TTL 串口通信并提供UART 接口。F8913D 可设置多种工作模式：一般模式、唤醒模式、定时休眠模式、定时
深度休眠模式，其最大工作电流148 mA （直流电压3.3 V ），休眠电流最低小于1 μA ，满足低功耗设计要求。
485有线网络[18]是使用广泛的工业通信方式，具有噪声抑制效果好、传输速率快、传输距离远、成本低等优点。基本工作原理是利用单片机的串口（RXD5 TXD5）收发数据，通过磁隔离
芯片ADuM1201AR 进行隔离，隔离后通过485收发器（SP485E ）转换为485信号，通信电路如图4所示。2.3 微处理器
为遵循低功耗设计理念，并能同时处理多个模块数据，本课题采用意法半导体公司产生的STM32L151RDT6单片机作为微处理器。该单片机采用基于ARM （advanced RISC machine ）架构的Cortex-M3 32位的RISC （精简指令集计算机）内核，最高工作频率32 MHz ，内含高达 48 kB 的RAM 和384 kB 的Flash （闪存），性能优越。此外兼具丰富资源，拥有watchdog （看门狗）、DMA （direct memory access ，直接存储器访问）控制器、ADC （analog-to-digital converter ，模拟数字转换器）和GPIO （general-purpose input/output ，通用型之输入输出）接口，提供SPI （serial peripheral interface ，串行外围接口）、I2C （inter-integrated circuit ，双向二线制同步串行总线）、UART （universal asynchronous receiver/transmitter ，通用异步收发传输器）、USART （universal synchronous/asynchronous receiver/transmitter, 通用同步/异步串行接收/发送器）等多种通信方式。通过USART
实现与无线传输模块、气体检测模块通信，通过
中国电力
第 54 卷
UART 与485有线模块通信，此外，SPI1和ADC 用于控制O 3模块的配置操作，I2C1用于读写EEPROM （带电可擦可编程只读存储器）数据和温湿度模块通信，如图5所示。
DAM STM32L151RDT6
watchdog ADC USART
UART
SPI I2C GPIO 单片机状态监测读取 AD 数据温湿度模块通信读取 EEROM 485 有线通信O 2 模块通信
驱动拨码开关
空调用制冷技术与 LED O 3 信号采集O 3 模块配置ZigBee 、SF 6、O 3 模块通信
图 5 STM32L151RDT6工作示意
Fig. 5 STM32L151RDT6 working diagram
2.4 电源模块
为满足多功能传感器供电需求且兼顾锂电池容量和体积，选择了外接24 V 直流电压的有线供电方式，电源模块型号为上海积跃电子CT6-KD2405。
多功能传感器在正常工作状态下，SF 6、O 2、
O 3、温湿度等传感模块的工作电压为5 V ，电源模块使用DC-DC 转换电路将外接24 V 直流电压稳定在5 V ，然后提供给传感模块供电。
STM32L151RDT6单片机的供电电压为1.65~3.60 V ，因此采用MPS 公司的低压差MP20046DN 模块将5.0 V 电压转换为3.3 V 以实现稳定供电。
485有线电路及其外部接口稳定供电电压为5 V ，
D3V3BLM21PG300SN1
L1
TVS19M1608C080
GND
+TC5
220 uF/10 V 4.7 uF/10 V100 uF/50 V C35
C36101
U1020191176171848GND
J254321
CC Debug
D3V3
RST
F8913D
VCC
GND
TXD
RXD CTS RTS SLEEP_RQ
SLEEP/ON Associate
RST
A VDD5
D0D1D2D3D4DD DC RD/DE NA 231216913155
R49
R48R45R440 Ω0 Ω0 Ω0 ΩZigbee Zigbee Zigbee TXD RXD
RST
GND
GND
GND
14
C38
100 nF/50 V
10 nF/10 V
+TC6
TVS9
M1608C080
SLEEP
T V S 4T V S 8M 1608C 080
M 1608C 080
M 1608C 080
T V S 5
图 3 F8913D 无线传输模块通信电路
Fig. 3 F8913D wireless transmission module communication circuit
RXD5TXD5
R13R104.7 KΩ 4.7 KΩ
D3V3C6
100 nF/50 V
100 nF/50 V
100 nF/50 V
100 nF/50 V GND GND1
GND2
GND
GND-G
GND-G
GND-G GND-G
GND-G
GND-G
GND-G GND-G U31234
VDD1VDD2VOA VIA VIB VOB ADuM1201AR
87651234
8765
C7D5V-G
D5V-G
D5V-G
D5V-G
D5V-G
D5V-G R910 K
Q1
9015
R19R18R16
R15C161.2 KΩ 1 KΩ 1 KΩ
5.1 Ω5.1 Ω
1 KΩ
10 K
U2Ro RE
DE
Di VCC
B A GND SP485E
R11C8
R12R17R141.5 KΩTVS1
SMBJ6.0CA
TR1
TR2
485-B
MZ11-10A400600RM
TVS2
SMBJ6.0CA
485-A
TVS3
SMBJ6.0CA
MZ11-10A400600RM
图 4 485有线通信电路
Fig. 4 485 wired communication circuit
曲嘉瑞
第 2 期张敏等：多功能配电房状态监测传感器的设计
为了尽可能地消除传输过程中的干扰[19]，设计时增加了A D I公司推出的基于磁耦隔离技术的ADuM120x数字隔离器，以提高抗干扰能力以满足电力行业电磁兼容性能标准。
2.5 电磁兼容设计
配电房所处的高频、高压环境会产生复杂的电磁场，配电房中的传感器容易受到自身以及其他设备的电磁干扰，传感器的测量精度会因此降低。针对上述问题，本文从研究电磁骚扰源与敏感设备自身两个方面出发，提出了一些提升传感器电磁兼容性措施。由表1中KIS-GTH5A型多功能传感器送检测试的结果可得，以下措施能有效解决传感器的电磁兼容问题。
目前减少电磁骚扰源最常用的手段就是利用屏蔽技术来阻挡或减少电磁辐射干扰能量传输[20]。KIS-GTH5A型多功能传感器采用导电、导磁体的封闭面（铝材料的金属盒）来对内外两侧的空间进行电磁性隔离，将从空间两侧传输的电磁能量抑制到了极小量，从而达到减弱外部干扰信号的效果。在传感器内部采用ADI公司的高性能小型磁偶芯片进行信号隔离，电源用隔离模块隔离，基于公司特有的电力防误解技术，485电路即使现场误接AC 380V也不会损失，可靠性极好，从而减少传感器内部的静电干扰。浪涌和脉冲均由前端保护电路进行处理。除此之外，由于接地是提高电子设备电磁兼容能力的一种重要方法，该多功能传感器通过对壳体进行可靠接地处理来减少电磁场的影响。
表 1 KIS-GTH5A型多功能传感器电磁兼容试验结果
Table 1 EMC test results of KIS-GTH5A multifunctional sensor 试验序号试验内容试验结果
1工频磁场抗扰度试验传感器应能抗御频率为50 Hz、磁场强度为100 A/m的工频磁场影响而不发生错误动作，并能正常工作
2辐射电磁场抗扰度试验监测系统所有设备应能承受频率为150 kHz~80 MHz、试验电平为10 V的射频场感应的电磁骚扰不发生错误动作和损坏，并能正常工作
3静电放电抗扰度试验满足GB/T 17 626.2—2006 静电放电抗扰度试验规定的严酷等级3级标准
4电快速瞬变脉冲抗扰度试验满足GB/T 17 626.4—2008 电快速瞬变脉冲抗扰度试验规定的严酷等级3级标准
5浪涌抗扰度试验GB/T 17 626.5—2008 浪涌（冲击）抗扰度试验规定的严酷等级3级标准
3 软件设计
多功能传感器软件设计主要包括2个部分：下位机程序设计以及上位机程序设计。下位机程序设计主
要包括仪器初始化、信号采集、无线数据传输、串口通信等，其采用无操作系统的运行环境，主函数与中断函数、应用层模块之间通过全局标志位进行状态传递，以实现不同任务之间的切换。上位机主要接收来自下位机的数据，显示并判断和预测智能配电房运行状态。
3.1 主程序
主程序主要完成系统初始化设定、数据采集与处理、参数配置以及子程序流和功能函数的循环调用等。仪器开机后立刻读取EEPROM（带电可擦可编程只读存储器）内部记录的参数，并且配置相应的全局变量，然后进入数据采集，该流程会对传感器进行初始化判断，确认所有传感模块都完成初始化且稳定后进行数据采集、处理和存储，最终通过无线数据传输或485有线通信子程序流传递至上位机，判断并预测配电房运行状态，流程如图6所示。
3.2 数据采集处理程序设计
系统启动初始化完成并进入正常工作状态后，将循环轮巡各模块的数据，包括各传感模块采集数据流程。由于实际环境中存在的一些干扰噪声容易使数据出现异常，因此将采集到裸数据进入数据处理流程进行阈值和均值处理等校正处理，以提高多功能传感器测量可靠性和准确性，流程如图7所示。
4 试验与分析
设计的KIS-GTH5A型多功能传感器已完成某实验室的送检测试，测试内容包括量程、精度、响应时间、灵敏度、重复性、零点漂移、EMC （电磁兼容）等级，结果如表2
所示。
中国电力第 54 卷
豫公网安备41160202000603
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