基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的中置柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)的研究

邵葉晨　胡翔　郭強

摘 要：電力系統(tǒng)每年因高壓中置柜電纜接頭、母線溫度過高引發(fā)的重大事故達(dá)上千起，給生產(chǎn)和經(jīng)營造成重大經(jīng)濟損失。預(yù)防和解決高壓設(shè)備過熱，進(jìn)行電氣設(shè)備的溫度監(jiān)測是解決問題的關(guān)鍵。本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對中置柜溫度監(jiān)測現(xiàn)狀及中置柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)的組成的硬、軟件及監(jiān)測系統(tǒng)的功能進(jìn)行了分析，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)中置柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)的融合。重點針對有關(guān)中置柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)后臺系統(tǒng)設(shè)計并提出了本研究的創(chuàng)新之處。最后，根據(jù)現(xiàn)場運行情況，對測溫的效果進(jìn)行了驗證，證實基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)能夠滿足10kV高壓中置柜的測溫的需要，可以進(jìn)行推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：中置柜；物聯(lián)網(wǎng)；紅外測溫；電纜接頭

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.103

0 引言

電氣設(shè)備運行溫度，是反映其運行狀態(tài)的最直接、最重要的指標(biāo)之一。各種高低壓中置柜內(nèi)部觸頭、變壓器、母排、電纜的接頭等[1-2]，長期運行造成材質(zhì)老化、接觸電阻增大及負(fù)荷過大，引起過熱甚至燒損。通過連續(xù)的溫度在線監(jiān)測，可以發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備的運行狀態(tài)變化，及時發(fā)現(xiàn)存在的故障隱患[3-4]。目前離線、在線電氣設(shè)備溫度監(jiān)測，只能對人為認(rèn)定的薄弱點進(jìn)行監(jiān)測，存在很大的局限性。

1 中置柜溫度監(jiān)測現(xiàn)狀分析

目前，國內(nèi)外在電氣設(shè)備溫度監(jiān)測方面采取的方法可分為離線式和在線式。離線的監(jiān)測方法主要有固定粘貼式蠟片貼測溫法、熱電偶法和數(shù)字溫度傳感器測溫法等。由于離線監(jiān)測方式不能及時發(fā)現(xiàn)中置柜等電氣設(shè)備潛在的故障，離線溫度檢測技術(shù)已經(jīng)很難滿足電力系統(tǒng)的需要。在線的監(jiān)測方法主要有光纖測溫和紅外測溫法。光纖溫度測布線復(fù)雜、投資大、線路老化問題嚴(yán)重且拆換困難、移動性較差，因此實際中應(yīng)用并不廣泛，很難做到普及。

以上的各種監(jiān)測方法的監(jiān)測點多為事先預(yù)置，剛性較強，一但設(shè)定就很難改變，且數(shù)據(jù)傳輸多采用有線的方式，給中置柜的現(xiàn)場安裝帶來很大的不便?；谝陨蠝y溫方式存在的問題和缺陷，本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于中置柜溫度測量系統(tǒng)中，改變現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及通訊方式，設(shè)計了一種基于紅外測溫的在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了開關(guān)柜內(nèi)電氣設(shè)備的全景溫度監(jiān)測。

2 物聯(lián)網(wǎng)與開關(guān)柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)的融合

2.1 設(shè)計思路和原則

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計的立體式全方位中置柜內(nèi)電氣設(shè)備運行溫度監(jiān)測系統(tǒng)，主要由全景掃描執(zhí)行單元、紅外溫度探測器（實現(xiàn)非接觸式測溫）、信號放大器及信號處理單元、顯示輸出單元等部分組成。全景掃描執(zhí)行單元實現(xiàn)將紅外溫度探測器對準(zhǔn)被測象；紅外探測器將被測對象的紅外輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號；該電信號經(jīng)放大器和信號處理電路（內(nèi)置轉(zhuǎn)換算法和目標(biāo)發(fā)射率校正算法）轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y對象的溫度值，最終通過通訊系統(tǒng)（有線、無線）送達(dá)接收處理裝置，并在顯示輸出單元輸出顯示。

2.2 功能簡介及技術(shù)架構(gòu)圖

（1）系統(tǒng)通過非接觸式紅外測溫裝置，實現(xiàn)對柜內(nèi)的空間的全方位掃描式監(jiān)測，并將采集到的數(shù)據(jù)在電氣參數(shù)監(jiān)測儀上顯示。

（2）正常情況下每隔30分鐘，將實時溫度值通過有線和無線方式傳輸?shù)胶笈_系統(tǒng)，當(dāng)監(jiān)測溫度超限時，實現(xiàn)就地及遠(yuǎn)程報警功能。

（3）后臺系統(tǒng)實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，早期故障檢測、狀態(tài)評估和故障告警等功能。后臺系統(tǒng)具有短信報警功能，當(dāng)監(jiān)測溫度異常時，利用GSM網(wǎng)絡(luò)的短信功能及時通報相關(guān)人員，實現(xiàn)遠(yuǎn)程報警。

3 中置柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）傳動裝置。為了現(xiàn)實全景溫度掃描監(jiān)測，設(shè)計了一套類云臺的運動機構(gòu)，該機構(gòu)以經(jīng)向和緯向旋轉(zhuǎn)裝置為主體。經(jīng)向轉(zhuǎn)動裝置由步進(jìn)電機驅(qū)動，經(jīng)二級齒輪傳動后，帶動紅外溫度監(jiān)測儀進(jìn)行經(jīng)向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動軸上設(shè)置限位開關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)動到極限角度后，觸發(fā)限位開關(guān)，進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為135°（俯角-45°，仰角90°）。

（2）紅外溫度掃描裝置。紅外溫度掃描裝置的主要功能是采集溫度信息，安裝于類云臺機構(gòu)的上部。在控制電路的控制下隨類云臺機構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)測定點坐標(biāo)時，類云臺機構(gòu)停止旋轉(zhuǎn)，控制電路發(fā)出采樣命令，實現(xiàn)對被測對象的溫度采集。

3.2 電源模塊設(shè)計

中置柜溫度檢測系統(tǒng)所需要提供的電源主要為 24V，24V電壓可以經(jīng)開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為驅(qū)動舵機運行電壓和MCU運行所需的5V電壓。電源主要是由 USB提供；利用開關(guān)電源對240V電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換可以得到24V電源； 5V不用外界提供，只需要通過單片機AD轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓即可得到。

4 后臺系統(tǒng)設(shè)計

（1）系統(tǒng)總體架構(gòu)。后臺系統(tǒng)是一個功能強大、界面清晰、操作簡便的綜合應(yīng)用系統(tǒng)，作為構(gòu)建中置柜智能監(jiān)控及應(yīng)用系統(tǒng)的重要組成部分，可實現(xiàn)中置柜多源信息的綜合管理和高級應(yīng)用。整個系統(tǒng)由基礎(chǔ)服務(wù)、數(shù)據(jù)庫、通訊、圖形和報表5個平臺作為支撐。在此基礎(chǔ)上已開發(fā)出主接線圖、實時數(shù)據(jù)、統(tǒng)計報表等6塊主要應(yīng)用。

（2）通信狀態(tài)。該界面可以直觀顯示監(jiān)控系統(tǒng)通信狀態(tài)聯(lián)絡(luò)情況，并且可以細(xì)化到單臺中置柜智能模塊之間的通信情況，綠色表示通信正常，紅色表示通信故障。運維人員可根據(jù)該功能對通信情況進(jìn)行實時監(jiān)控，并快速做出反應(yīng)，消除通信故障。

（3）統(tǒng)計報表。統(tǒng)計報表內(nèi)容按照日期可分為日報表和月報表；按照查詢方式可分為中置柜報表（縱向查詢）、功能報表（橫向查詢）、組合報表、綜合評價報表。此外，還可直接導(dǎo)出統(tǒng)計報表。

（4）綜合評價。利用算法對采集得到的電纜溫度和環(huán)境參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，并通過雷達(dá)圖和數(shù)據(jù)表格方式將故障診斷和綜合評估結(jié)果直觀地顯示出來，結(jié)果可以報表形式進(jìn)行存儲和提取。各個評估結(jié)果都對應(yīng)不同的、特定的工作建議，用戶可依據(jù)建議制定維護(hù)和檢修工作計劃。

評價結(jié)果以分?jǐn)?shù)形式表示，從0分到100分，分別對應(yīng)優(yōu)質(zhì)、良好、合格和較差4個等級，每個等級對應(yīng)不同顏色，最后，根據(jù)最終綜合評價結(jié)果給出相應(yīng)的建議，運行維護(hù)人員可以根據(jù)建議制定工作計劃。評價結(jié)果和綜合建議每小時刷新一次，并將其生成報表，便于歷史查詢。具體建議見表1和表2：

5 總結(jié)

該產(chǎn)品為與浙江群力電氣有限公司共同開發(fā)研制，目前已在浙江余杭區(qū)的某居民小區(qū)掛網(wǎng)試運行三個月，整套系統(tǒng)運行狀況良好，基本解決了柜內(nèi)母排連接點、電纜接頭等部位出現(xiàn)異常溫升時引發(fā)的故障，提高了監(jiān)測系統(tǒng)的有效性和電氣設(shè)備運行的可靠性，證實該產(chǎn)品可以滿足10kV以上高壓中置柜溫度監(jiān)測的需要。監(jiān)測儀還具有參數(shù)設(shè)定方便，可拓展性強等優(yōu)點。該產(chǎn)品成本控制在1000-1300元，售價按2000-2800元，每年售出5000臺，按照群力電氣公司中置柜在市場上銷售的份額來看，每年該產(chǎn)品可創(chuàng)利潤160萬元左右。整套產(chǎn)品具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益，可以進(jìn)行推廣應(yīng)用。

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本文系吉林省發(fā)改委產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新專項資金項目（2016C074）和吉林市科技局科技發(fā)展規(guī)劃項目（20156406）成果之一。