魏可剛，房祥龍，林楚喬，陳厚合

(1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司通化供電公司，吉林 通化 134001； 2.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

基于紅外測溫和無線傳輸技術(shù)的電力設備溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)設計

魏可剛1，房祥龍1，林楚喬2，陳厚合2

(1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司通化供電公司，吉林 通化 134001； 2.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

摘要：設計了一種基于非接觸式紅外測溫和GPRS組網(wǎng)的電力設備溫度監(jiān)測系統(tǒng)。采用高精度的非接觸式紅外溫度傳感器獲取高壓電氣設備運行時的溫度，保證了電氣安全，克服了傳統(tǒng)接觸式測溫的不足；采用軟件校準的方法，進一步提高紅外傳感器的測量精度和對不同電氣設備溫度采集的適應性。采用GPRS組建無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，實現(xiàn)一個控制中心對大范圍內(nèi)電氣設備的溫度在線監(jiān)測。設計的分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)，保證了溫度監(jiān)測的準確性和實時性；不需要對高壓設備停電就能夠完成溫度采集終端的現(xiàn)場安裝。

關(guān)鍵詞：紅外測溫;無線傳輸;在線監(jiān)測;分布式

0引言

高壓電氣設備是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其安全運行是保證電力系統(tǒng)安全和保證供電可靠性的基礎(chǔ)。對電氣設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，當設備運行狀態(tài)惡化或異常時，提前有計劃的安排檢修和更換，是防止非計劃停電和防止電力惡性事故的有效手段[1-2]。設備的劣化和缺陷的發(fā)展具有統(tǒng)計性，發(fā)展的速度也有快有慢，但大多數(shù)具有一定的發(fā)展期，在這期間會產(chǎn)生各種前期征兆，表現(xiàn)為電氣、物理、化學等特性發(fā)生少量漸進性的變化。

溫度是表征電氣設備運行狀態(tài)的一個重要參數(shù)。實際運行經(jīng)驗和理論分析表明，母排、電纜接頭處發(fā)生的各類故障并不是一個突發(fā)的過程，因為設備局部溫度不斷升高，使絕緣逐步老化、泄漏電流逐漸增加，到達一定程度后再發(fā)生擊穿，是一個由量變到質(zhì)變的過程。因此，連續(xù)地監(jiān)測設備溫度的變化，就可以掌握其運行狀況，根據(jù)情況適時進行停電檢修。通過電氣設備實時在線監(jiān)測，對電氣設備運行狀態(tài)進行監(jiān)控和評估，是保證電氣設備安全運行的有效手段之一。

國內(nèi)外對電氣設備溫度監(jiān)測進行了大量研究，研制開發(fā)了一系列電氣設備溫度監(jiān)測系統(tǒng)，主要應用于發(fā)電廠、變電站等小的范圍內(nèi)[3-5]；監(jiān)測模式主要有定期的人工巡監(jiān)和在線監(jiān)測方式，目前的在線監(jiān)測主要采用接觸式的溫度傳感器進行溫度變換，這種方式在電氣設備電壓等級較高時具有一定的安全隱患。也有采用測溫光纖、光柵進行溫度監(jiān)測，這種模式現(xiàn)場施工量較大，費用較高。這些接觸式的溫度監(jiān)測方式都需要對高壓電氣設備進行停電后才能夠施工安裝。采用紅外點溫儀、紅外熱成像儀等人工巡監(jiān)的方式，只適合于對特殊設備進行特定的分析時使用。

本文設計了基于非接觸式紅外測溫和GPRS組網(wǎng)[6]的電力設備溫度監(jiān)測系統(tǒng)。采用高精度的非接觸式紅外溫度傳感器獲取高壓電氣設備運行時的溫度，采用GPRS組建無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，實現(xiàn)大范圍內(nèi)電氣設備的溫度在線監(jiān)測[7-8]。所設計的系統(tǒng)能夠在電氣設備不間斷供電的情況下進行安裝施工、能夠?qū)Ω鞣N高壓電氣設備(如母排、電纜接頭、變壓器本體等)進行監(jiān)測；系統(tǒng)具有很強的擴展性。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)測裝置(下位機)、無線通信網(wǎng)絡、和上位機管理系統(tǒng)組成，采用分布式控制結(jié)構(gòu)，“集中監(jiān)控,分散采集”的工業(yè)控制方式。在各監(jiān)測區(qū)域安裝一個溫度監(jiān)測裝置，通過連接紅外溫度傳感器監(jiān)測各監(jiān)測點的溫度。監(jiān)測裝置負責對各監(jiān)測點溫度實時監(jiān)測，超過警戒溫度則自動發(fā)送報警信號到集控中心上位機管理系統(tǒng)。上位機管理系統(tǒng)通過無線通信與各監(jiān)測裝置進行數(shù)據(jù)交互，可實時顯示各監(jiān)測點的溫度信息；并對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行處理，完成報警、歷史運行溫度曲線生成、設備狀態(tài)評估、數(shù)據(jù)存儲、打印報表等功能。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2紅外溫度監(jiān)測采集終端設計

2.1　采集終端硬件結(jié)構(gòu)設計

紅外溫度監(jiān)測采集終端監(jiān)測裝置通紅外溫度傳感器，采集各電纜接頭的溫度數(shù)據(jù)并傳送到微處理器；微處理器對數(shù)據(jù)進行處理，當發(fā)現(xiàn)接頭溫度超過設定的溫度限值時，控制GPRS模塊發(fā)送報警信息到上位機；通過GPRS模塊無線通信響應上位機的各種命令。根據(jù)需要，將某些時刻的溫度數(shù)據(jù)作為歷史數(shù)據(jù)存儲并傳送至上位機，使得上位機管理系統(tǒng)能夠?qū)v史數(shù)據(jù)進行分析，從而判斷電纜接頭的運行狀態(tài)。采集終端監(jiān)測裝置硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　溫度采集單元硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2　采集終端軟件設計

采集終端的軟件采用模塊化程序結(jié)構(gòu)設計，軟件設計使用C語言進行編程。軟件主流程圖和命令接收中斷流程圖如圖3(a)、(b)所示。

圖3　溫度采集單元軟件流程圖

程序包括以下幾個模塊。主程序：其主要功能是對微處理器以及外圍接口器件進行初始化及程序流向控制等；時間處理子程序：對終端裝置進行時間更新和讀取時間值；溫度采集子程序：采集各監(jiān)測點溫度值，并判斷溫度是否越限；顯示處理子程序：循環(huán)顯示各路電纜接頭溫度值，以便于現(xiàn)場觀查；通訊接收子程序：接收上位機發(fā)送來的各種命令，包括對上位機手機號的設定、溫度限值的設定、上位機讀取當前溫度值等；通訊發(fā)送子程序：發(fā)送報警信號或根據(jù)上位機的命令發(fā)送相應數(shù)據(jù)到上位機。

3上位機管理系統(tǒng)的設計

3.1　上位機管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能

上位機管理系統(tǒng)安裝在監(jiān)控中心內(nèi)，實現(xiàn)對電氣設備溫度的遠程監(jiān)測、預警、報警與設備運行狀態(tài)評估，以便更好地防止事故的發(fā)生。

軟件系統(tǒng)采用VB開發(fā)，采用了多線程技術(shù)，使數(shù)據(jù)采集占用獨立的線程，避免用戶界面操作頻繁導致運行緩慢和等待。數(shù)據(jù)庫使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)SQL Server 2000。上位機管理系統(tǒng)功能框圖如圖4所示。

圖4　上位機管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3.2　設備運行狀態(tài)評估方法

設備運行狀態(tài)評估采取溫度變化趨勢、溫升速率和三相溫度差分析相結(jié)合的綜合評估方法。

當監(jiān)測的電氣設備溫度超過運行溫度允許值時，進行及時報警，以便運行人員對設備采取措施避免事故的發(fā)生外，對非報警的監(jiān)測設備采取運行狀態(tài)評估，找出隱患并在停電檢修時加以解決，這樣提高了設備的運行可靠性和檢修的針對性。

評估方法采用同線路三相接頭溫度差分析法和綜合評判分析法。正常情況下，同線路三相電流有效值大小基本一致，三相各設備運行參數(shù)相同，所以同一電氣位置的三相設備溫度應基本一致。若其中某個設備溫度明顯偏高(一般認為高5 ℃-10 ℃以上)，則可認為該設備存在質(zhì)量問題，應予以關(guān)注。

3.3　基于地理信息系統(tǒng)的設備監(jiān)測管理

地理信息系統(tǒng)(GeograPhical Information Systetn，GlS) 是在計算機硬件、軟件系統(tǒng)支持下，對整個或部分地球表層(包括大氣層)空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進行采集、存儲、管理、運算、分析和可視化表達的信息處理與管理系統(tǒng)。它作為一種先進的計算機技術(shù)，能夠把圖形管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)有機地結(jié)合起來。

本系統(tǒng)針對電力設備地理位置分散的特點，將GIS技術(shù)應用到上位機管理系統(tǒng)的功能開發(fā)和實現(xiàn)中，使運行人員基于電纜、電纜接頭、箱式變壓器母線及主變壓器等分布地理信息圖更直觀的管理和監(jiān)視。同時有利于事故的快速定位和處理。

4現(xiàn)場應用

該系統(tǒng)在某電力公司安裝運行，對箱式變壓器母排、電力電纜、電纜接頭進行溫度監(jiān)測。通過現(xiàn)場安裝調(diào)試及運行，表明該系統(tǒng)能夠?qū)Χ喾N電氣設備進行溫度實時在線監(jiān)測；能夠準確監(jiān)測各設備的運行溫度；系統(tǒng)在增加監(jiān)控點時靈活方便。系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。如圖5所示現(xiàn)場應用。

圖5　現(xiàn)場應用

5結(jié)論

本文設計了基于非接觸式紅外測溫和GPRS組網(wǎng)的電力設備溫度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)由溫度監(jiān)測終端、通信網(wǎng)絡、上位機管理系統(tǒng)組成。所設計的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍、多類型電氣設備的溫度實時在線監(jiān)測，能夠達到設備運行溫度越線報警、設備運行狀態(tài)評估、歷史數(shù)據(jù)存儲以及打印報表等功能。所設計的系統(tǒng)現(xiàn)場安裝方便，擴展性強。

參考文獻

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The Design of Online Monitoring System for Power Equipment Based on Infrared Temperature Measurement and Wireless Transmission Technology

WEI Ke-gang1，F(xiàn)ANG Xiang-long1，LIN Chu-qiao2，CHEN Hou-he2

(1.Tonghua power supply company,State grid Jilin electric power company limited,Tonghua 134001,Jilin;2.School of Electrical Engineering,Northeast Dianli University,Jilin Jilin 132012)

Abstract：This paper designs a power equipment temperature monitoring system based on non-contact infrared temperature measurement and GPRS networking.The high precision non-contact infrared temperature sensor is used to obtain the temperature of high voltage electrical equipment,which can ensure the electrical safety and overcome the shortcomings of traditional contact temperature measurement,and using the method of software calibration to improve the accuracy of infrared sensor and the adaptability of different electrical equipment.GPRS is used to set up wireless data transmission network,to achieve online monitoring of a large range of electrical equipment in a control center.Distributed temperature monitoring system is designed to ensure the accuracy and real-time performance of the temperature monitoring,and could complete the installation of temperature acquisition terminal without power failure of the high voltage equipment.

Key words：Infrared temperature measurement;Wireless transmission;On-line monitoring;Distributed

中圖分類號：TM932

文獻標識碼：A

文章編號：1005-2992(2015)06-0017-04

作者簡介：魏可剛(1975-)，男，吉林省通化市人，國網(wǎng)吉林省電力有限公司通化供電公司工程師，主要研究方向：輸變電設備運行檢修和運行狀態(tài)監(jiān)測.

基金項目：國網(wǎng)吉林省電力有限公司2015年科技發(fā)展計劃項目(15GNZ0389)

收稿日期：2015-09-12