淺談基于無源測溫的變電設備溫度在線智能監(jiān)測預警技術(shù)研究

劉細鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：針對目前變電設備運行溫度在采集傳感器的供能、數(shù)據(jù)傳輸和遠程監(jiān)控功能不足問題，本文開發(fā)出一種基于無線無源測溫傳感器的變電設備溫度在線智能監(jiān)測預警系統(tǒng)，主要解決高電壓、強電場干擾環(huán)境下對變電運行設備溫度實時準確采集和數(shù)據(jù)可靠傳輸問題，同時實現(xiàn)對變電站各類運行設備溫度的統(tǒng)一集中監(jiān)測、趨勢分析、異常預警及聯(lián)動保護裝置跳閘保護等功能，有力提高運維人員對設備隱患的預控能力，有效防止溫度異常造成的事故，確保電網(wǎng)及設備運行。

關(guān)鍵詞：無源溫度傳感器在線監(jiān)測異常預警

0 引言
  變電站母線、電纜、斷路器、互感器等運行設備由于長期工作在高電壓、大電流環(huán)境條件下，對各設備溫度的監(jiān)測維護是保證電網(wǎng)可靠工作的環(huán)節(jié)。尤其是高壓開關(guān)柜、組合電器等封閉式運行設備，自身散熱條件較差，而且依靠人工定期測溫的方法很難完成對柜內(nèi)設備溫度的直接測量和在線監(jiān)測。由于缺乏行之有效的設備溫度在線監(jiān)測預警系統(tǒng)，近年來關(guān)于變電站內(nèi)設備運行溫度過高造成的火災事故時有報道，嚴重影響電網(wǎng)供電可靠性，同時也給電力企業(yè)造成了較大的經(jīng)濟損失甚至是人身傷亡。
  因此，采用合理有效且數(shù)據(jù)可靠的溫度檢測技術(shù)對互感器、母線、電纜及動作開關(guān)觸頭等易發(fā)熱部位進行溫度實時在線監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)設備運行溫度異常隱患并實現(xiàn)異常告警，對于保證變電站設備可靠運行具有十分重要的意義。

1 溫度測量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
1.1 傳統(tǒng)接觸式測溫技術(shù)
  傳統(tǒng)接觸式測溫方法主要以熱電偶測溫和熱電阻測溫為代表。熱電偶是基于賽貝克效應采集導體回路熱電流信號實現(xiàn)溫度測量的。熱電阻測溫是基于熱敏電阻特性實現(xiàn)對物體溫度的測量。接觸式測溫的優(yōu)點是測量精度高、范圍大，但對環(huán)境變化也比較敏感，通常需增加補償裝置，且要與被測對象直接接觸。在變電站內(nèi)對高壓設備進行溫度接觸式測量，一方面是操作不便，隱患大；另一方面是需要金屬導線傳輸信號，絕緣性能不能保證。

1.2 非接觸式測溫技術(shù)
  非接觸式測溫技術(shù)典型的應用是基于物體輻射的紅外線測溫方法、以及基于溫度變化對光柵波長變化的光纖光柵測溫方法。
紅外測溫傳感器（也稱紅外探頭）是市面上應用較普遍的一類非接觸式測溫裝置，測溫速度快、靈敏度高，但由于對設備自身材質(zhì)和測溫環(huán)境及距離等有較高要求，因此通常只用來測量物體表面溫度，對金屬類物體測溫誤差較大，無法實時測量，不具有監(jiān)測功能。
  光纖測溫傳感器依靠其靈敏度高、抗干擾性強、體積小等特點，目前主要應用于測量領(lǐng)域。但其系統(tǒng)整體造價成本較高，安裝布線較復雜且一定要停電操作，光纖易折、不耐高溫，在應用上具有一定局限性。
  此外，無線測溫技術(shù)是近年來新型的一種集成測溫傳感器和無線通信技術(shù)的測溫方法。主要是利用有源溫度傳感器進行溫度測量，然后通過傳感器集成的無線發(fā)射模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，初步具備了溫度在線監(jiān)測的基礎(chǔ)。傳感器取電方式普遍采用有源方式，即通過鋰電池取電，存在電池電量狀態(tài)無法監(jiān)控和盲目更換等問題。因此，測溫裝置可靠供電是目前在線測溫系統(tǒng)亟待解決的問題之一。
  本文在充分研究總結(jié)上述各類測溫手段優(yōu)劣特性的基礎(chǔ)上，綜合考慮測溫裝置的可靠性和經(jīng)濟性，研制一種新型的無線無源測溫傳感器，其技術(shù)突破在于裝置的供能單元采用“無源"供電模式，并基于此開發(fā)一套變電設備溫度在線智能監(jiān)測預警系統(tǒng)。

2 變電設備溫度在線智能監(jiān)測預警系統(tǒng)設計
  本文設計開發(fā)的變電設備溫度在線智能監(jiān)測預警系統(tǒng)，融合數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)、無線通信傳輸技術(shù)，對高壓強電磁干擾環(huán)境下變設備實現(xiàn)運行溫度實時準確監(jiān)測。同時實現(xiàn)對變電站各類運行設備溫度的統(tǒng)一監(jiān)測和趨勢分析、異常預警及聯(lián)動跳閘保護等功能，方便運維管理人員及時有效的處理設備事故隱患。
  變電設備溫度在線智能監(jiān)測預警系統(tǒng)主要由無線無源溫度傳感器，無線測溫終端，后臺監(jiān)控主機等三部分組成。

2.1 無線溫度傳感器
  無線無源溫度傳感器主要由溫度采集模塊和無線通信模塊構(gòu)成。為保證數(shù)據(jù)傳輸連續(xù)可靠，采用抗干擾性能強的無線通信模塊。其中，序號1是取電合金片：用于感應取電；序號2是模塊主體：實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集發(fā)送；序號3是溫度傳感器探頭，能以磁吸附或卡扣方式固定于測溫點。

2.2 無線測溫終端
  無線測溫終端主要實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的收集，并能通過GPRS網(wǎng)絡自動上傳到后臺監(jiān)控主機，也可以按照主機的召喚指令上傳監(jiān)測點溫度數(shù)據(jù)。終端結(jié)構(gòu)設計簡單，體積小，可以方便地安裝在開關(guān)柜、PT柜、配電箱或分支箱內(nèi)。

2.3 后臺監(jiān)控主機
  后臺監(jiān)控主機主要由通信單元、智能控制單元、顯示單元等組成。
無線測溫終端可以把溫度數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送到通訊單元接收模塊上，通信接收模塊可接收5萬個測溫終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過串口線將數(shù)據(jù)發(fā)給智能控制單元；控制單元實現(xiàn)溫度信息數(shù)據(jù)比對、趨勢分析、異常報警、聯(lián)動線路跳閘、查詢、召喚及記錄等；顯示單元進行數(shù)據(jù)顯示，也可以通過曲線和表格的形式直觀顯示。

2.4 功能特點
（1）溫度超限預警：設定設備運行溫度限值，通過數(shù)據(jù)比對實現(xiàn)溫度超限的預警。
（2）趨勢分析預警：當溫度變化率較快，超出設定值后進行預警。
（3）主動上報和主站召喚：可設定按照固定周期（如1min或5min一次）主動上傳溫度數(shù)據(jù)，也可以在后臺主機召喚時即時上傳監(jiān)測點溫度數(shù)據(jù)。
（4）故障跳閘保護：設備溫度異常報警后可聯(lián)動繼電保護裝置實現(xiàn)跳閘保護。
（5）異常自動記錄及統(tǒng)計功能：實現(xiàn)變電設備異常數(shù)據(jù)自動記錄、統(tǒng)計，便于后期分析和有針對性制定監(jiān)控和預防措施。

3 安科瑞無線測溫系統(tǒng)介紹與選型
  安科瑞無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)當前無線測溫系統(tǒng)的要求，在廣泛征求用戶和家意見的基礎(chǔ)上,充分吸收當前國內(nèi)外廠家的成功案例，并結(jié)合安科瑞多年來的豐富經(jīng)驗，采用面向?qū)ο蟮姆謱臃植际皆O計思想，結(jié)合自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、通信技術(shù)而設計的一款專業(yè)的無線測溫軟件。
 

3.1 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
  Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)通過RS485總線或以太網(wǎng)與間隔層的設備直接進行通信（如圖1），系統(tǒng)設計遵循國際標準Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規(guī)約，可靠性和開放性都得到了很大地提高。
  Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)具有遙信、遙測、遙控、遙調(diào)、遙設、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能?？梢员O(jiān)控無線測溫系統(tǒng)的設備運行狀況，實現(xiàn)快速報警響應，預防嚴重故障發(fā)生。
  Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)主要特點是開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件兼容性強，軟件移植性好，應用功能豐富。該系統(tǒng)具有強大的處理能力，快速的事件響應，友好的人機界面，方便的擴充手段。其軟件系統(tǒng)的設計依據(jù)軟件工程的設計規(guī)范,模塊劃分合理，接口簡捷明了，主要包括主控模塊、人機界面、圖形組態(tài)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、通信管理等幾大模塊。

圖1 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)功能
■實時監(jiān)測
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控軟件人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)及有關(guān)故障、告警等信息
■溫度查詢
溫度歷史曲線（1分鐘、5分鐘、60分鐘可選）
■運行報表
查詢各回路設備運行溫度報表.
■實時報警
壁掛式無線測溫監(jiān)控設備具有實時報警功能，設備能夠?qū)囟仍较薜仁录l(fā)出告警。
■設備提供以下凡種告警方式：
a.彈岀事件報驚窗口.
b.實時語音報警功能，能夠?qū)λ惺录l(fā)出語音告警.
C.短信吿警，可以向手機發(fā)送吿警信息短信（需選配短的信的貓）.
■歷史告警査詢
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ袇叹录涗涍M行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)和告警等事件進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。
■用戶權(quán)限管理
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)為保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行，設置了用戶權(quán)限管理功能。
通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如數(shù)據(jù)庫修改等）。可以定義不同級別用戶的 登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的保障。
■定值設置
用于修改高溫定值、超溫定值。
■WEB（可選）
展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息， 設備溫度、通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。首頁顯示場站的變壓器數(shù)量、回路個數(shù)、有功功率、無功功率、用電量、事件記錄等概況信息，可通過實時監(jiān)控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。
實時數(shù)據(jù)曲線可監(jiān)測各個回路的測點溫度、電壓、電流、功率曲線信息。
接線圖頁面通過一次圖實時反映電氣參數(shù)變化，包括測量量、信號量等信息（信號量 需要斷路器提供輔助觸點支持）。
能耗統(tǒng)計頁面顯示各回路的功率峰值和用電量峰值，功率、電能趨勢曲線，電能環(huán)比，用電排名。
運維管理\通信狀態(tài)顯示監(jiān)測接入系統(tǒng)設備的通信狀態(tài)。
■手機APP（可選）
設備數(shù)據(jù)員面顯示各設備的電參量數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)以及曲線。

3.3 安科瑞ARTM系列無線測溫終端產(chǎn)品選型
  安科瑞電氣接點無線測溫方案由無線溫度傳感器、收發(fā)器、顯示單元組成。溫度傳感器直接安裝于斷路器動觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發(fā)熱接點，將測溫數(shù)據(jù)通過無線射頻技術(shù)傳至接收裝置，再由接收器485通訊至測溫終端或無線測溫系統(tǒng)（如圖2）。

圖2 電氣接點在線測溫結(jié)構(gòu)圖

3.3.1 安科瑞無線溫度傳感器
  無線溫度傳感器共有5種，分別對應螺栓固定、表帶固定、扎帶捆綁、合金片固定等安裝方式。針對不同的變電站要求，可根據(jù)傳感器供電方式以及安裝位置的不同，考慮安裝方便的因素，選擇相匹配的傳感器。

3.3.2 安科瑞無線收發(fā)器
  無線測溫收發(fā)器共有3種，通過無線射頻方式接收溫度數(shù)據(jù)。收發(fā)器根據(jù)不同的傳感器型號進行匹配，同時傳感器的傳輸距離決定接收裝置能否多柜接收。

3.3.3 安科瑞顯示終端
  顯示裝置通過RS485連接收發(fā)器，可嵌入式安裝于柜體上，若柜體開孔不便，也可選擇壁掛式安裝于配電室內(nèi)。方便操作人員現(xiàn)場及時查看電氣節(jié)點實時溫度的同時，也可以通過RS485或以太網(wǎng)通訊的方式在后臺系統(tǒng)查看現(xiàn)場情況。

4結(jié)語
  本文研究開發(fā)的基于無源測溫的變電設備溫度在線智能監(jiān)測預警系統(tǒng)已經(jīng)在試點變電站進行安裝應用。截至目前，測溫裝置在取電、測溫、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫嬷笜司项A期目標，具備大范圍推廣應用基礎(chǔ)。溫度在線智能監(jiān)測預警系統(tǒng)實現(xiàn)了變電運行設備溫度的在線監(jiān)測和異常預警功能，大幅減少現(xiàn)場測溫頻次和工作強度，溫度測量更加及時準確，在提高設備運行效率和減少監(jiān)控系統(tǒng)重復投資方面，能夠降低運維及建設成本，帶來巨大的經(jīng)濟效益，同時也為智能電網(wǎng)傳感器系統(tǒng)的精細規(guī)劃和布局提供數(shù)據(jù)參考和實踐依據(jù)。

【參考文獻】
[1]李琮,孫英濤.高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測技術(shù)研究[J].山東電力技術(shù),2017(9):77-80.
[2]高樂天,張朝峰,張紅哲,張軍龍,李蒙慧.基于無源測溫的變電設備溫度在線智能監(jiān)測預警技術(shù)研究.
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版.

作者簡介：劉細鳳，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事無線測溫系統(tǒng)的研發(fā)與應用