向 乾

漢中職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系 陜西漢中 723002

1 研究背景

變電站作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著電力轉(zhuǎn)換的重要角色，其關(guān)鍵設(shè)備的正常運(yùn)行關(guān)乎電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。隨著變電站電壓等級(jí)的不斷提高，在變電站中，某些設(shè)備的缺陷很容易造成設(shè)備溫度異常，進(jìn)而產(chǎn)生重大安全隱患。目前常用的變電站關(guān)鍵設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)方法主要有三種。第一種是采用示溫蠟片，由人工巡視蠟片的熔化狀況來判斷被測(cè)點(diǎn)溫度是否過高。由于巡檢周期長(zhǎng)，效率低，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無法實(shí)現(xiàn)共享，這一方法已不能滿足變電站智能化建設(shè)的要求[1]。第二種是采用光纖測(cè)溫。光纖測(cè)溫可以通過光纖溫度傳感器獲取溫度，再通過光纖傳輸溫度信息；也可以采用半導(dǎo)體熱敏電阻作為溫度傳感器，再通過光纖傳輸溫度信息。前者對(duì)光源和光信號(hào)的調(diào)制，以及接收電路的技術(shù)和穩(wěn)定性要求較高，且鋪設(shè)光纖工程造價(jià)較高；后者存在半導(dǎo)體抗干擾能力差、光纖布線易折斷、污閃等問題，只能在較小范圍內(nèi)使用[2]。第三種是采用非接觸測(cè)溫。這一方法造價(jià)相對(duì)較低，但在強(qiáng)磁場(chǎng)的變電站中普遍難以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c穩(wěn)定性[3]。

紅外測(cè)溫技術(shù)屬于非接觸測(cè)溫，能有效進(jìn)行高電壓隔離，安全可靠，成本低。筆者基于全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)與紅外技術(shù)，設(shè)計(jì)了變電站無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)，能夠有效完成對(duì)智能變電站關(guān)鍵設(shè)備溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，提高變電站智能巡檢與預(yù)警的效率。

2 系統(tǒng)硬件

智能變電站無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)主要由位于一次側(cè)的紅外溫度采集終端設(shè)備、高壓自具電源、RS 485傳送電路、GSM模塊、人機(jī)交互等部分組成。在監(jiān)測(cè)過程中，紅外探頭實(shí)時(shí)采集被測(cè)點(diǎn)溫度，并將數(shù)據(jù)通過RS 485通信傳送至低壓二次側(cè)。一旦采集的溫度數(shù)據(jù)超過既定上限值，二次側(cè)設(shè)備會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警，并通過GSM模塊將溫度異常點(diǎn)詳細(xì)信息傳送至指定的移動(dòng)電話終端，提醒值班人員。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能變電站無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.1 紅外溫度采集終端設(shè)備

紅外溫度采集終端設(shè)備采用MIK-AL-10型紅外探頭，如圖2所示。這一探頭屬于非接觸式測(cè)溫探頭，具有測(cè)量精度高、響應(yīng)時(shí)間短、發(fā)射頻率高、耐高溫、傳輸速率快、使用安全、小巧輕便、易于安裝等特點(diǎn)。利用紅外溫差比較法對(duì)變電站設(shè)備進(jìn)行溫升故障評(píng)定，依據(jù)設(shè)備可承受的最大溫度上升值或同類設(shè)備可承受的溫升進(jìn)行判別，適合應(yīng)用于負(fù)荷電流致熱型設(shè)備。紅外溫差比較法所得到的結(jié)果δ定義如下：

圖2 MIK-AL-10型紅外探頭

(1)

式中：T2為測(cè)點(diǎn)發(fā)熱溫度，℃；T1為測(cè)點(diǎn)正常溫度，℃；T0為環(huán)境溫度，℃。

當(dāng)所測(cè)得的δ超過30%時(shí)，即認(rèn)定測(cè)點(diǎn)溫度過高。圖3為紅外溫度采集終端設(shè)備的硬件構(gòu)成。

圖3 紅外溫度采集終端設(shè)備硬件構(gòu)成

2.2 高壓自具電源

由于變電站設(shè)備自身有電流流過，因此為紅外溫度采集終端設(shè)備設(shè)計(jì)了高壓自具電源。這一自具電源采用電流互感器取電，使用特制穿心式電流互感器從高壓側(cè)感應(yīng)出電流，然后經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓，轉(zhuǎn)化為合適的電壓，供給紅外溫度采集終端設(shè)備[4]。因?yàn)檫@部分能量相對(duì)于一次側(cè)而言很小，所以不會(huì)對(duì)高壓側(cè)產(chǎn)生影響。高壓自具電源系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 高壓自具電源系統(tǒng)原理圖

電流互感器二次側(cè)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2和鐵芯磁通Φ的關(guān)系為：

e2=-N2dΦ/dt

(2)

(3)

式中：N2為二次側(cè)線圈匝數(shù)；t為時(shí)間。

(4)

式中：Φm為主磁通量；f為一次側(cè)電流頻率；B為互感器磁感應(yīng)強(qiáng)度；S為互感器橫截面積。

因電流互感器流通的電流可從幾十安波動(dòng)至幾千安，因此為使紅外溫度采集終端設(shè)備獲得穩(wěn)定的電源，所設(shè)計(jì)的高壓自具電源將互感出的電流依次經(jīng)過前端沖擊保護(hù)模塊、整流濾波模塊、降壓模塊形成紅外溫度采集終端設(shè)備所需電壓[5]。當(dāng)電流互感器一次側(cè)電流較小時(shí)，所感應(yīng)出的電壓難以為紅外溫度采集終端設(shè)備提供穩(wěn)定的電壓，系統(tǒng)便會(huì)切換為電池供電。當(dāng)一次側(cè)電流較大時(shí)，則會(huì)對(duì)電池進(jìn)行自動(dòng)充電[6]。在實(shí)際運(yùn)行過程中，若一次側(cè)發(fā)生短路故障，達(dá)到數(shù)十千安的暫態(tài)電流時(shí)，電流互感器中會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊電流，但前端沖擊保護(hù)模塊和后級(jí)電路的多重保護(hù)功能可對(duì)高頻能量實(shí)現(xiàn)緩沖，保證系統(tǒng)輸出穩(wěn)定的直流3.3V電壓。

2.3 RS 485傳送電路

因變電站中有較強(qiáng)的電磁干擾，為使數(shù)據(jù)在復(fù)雜的電磁環(huán)境中能夠穩(wěn)定傳送，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)RS 485傳送電路[7-8]。這一電路采用差分方式傳送數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，可將獲取的數(shù)據(jù)穩(wěn)定地傳送至二次側(cè)進(jìn)行匯總。當(dāng)數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)時(shí)，需要進(jìn)行RS 485至RS 232的轉(zhuǎn)換，便于上位機(jī)軟件調(diào)用。

2.4 GSM模塊

當(dāng)數(shù)據(jù)傳送至低壓二次側(cè)后，會(huì)分別進(jìn)行匯總，同時(shí)將匯總的數(shù)據(jù)與既定溫度值進(jìn)行比較。一旦發(fā)現(xiàn)某個(gè)被測(cè)點(diǎn)溫度異常，系統(tǒng)二次側(cè)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行聲光報(bào)警，并將自動(dòng)生成的報(bào)警信息通過GSM發(fā)送至指定的移動(dòng)電話終端，便于進(jìn)行故障排除。所使用的GSM模塊為GTM900C型，最高耐溫 80℃，通過標(biāo)準(zhǔn)通用異步收發(fā)口進(jìn)行連接，具有一個(gè)通用串行總線接口和一個(gè)RS 232接口，易于和單片機(jī)進(jìn)行通信[9]。在智能變電站無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)中，GSM主要完成報(bào)警信息發(fā)送工作，因此只需使用短信功能。

3 系統(tǒng)工作流程

在應(yīng)用智能變電站無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，先進(jìn)行設(shè)備初始化，然后根據(jù)設(shè)定的時(shí)間20s進(jìn)行輪詢。輪詢開始后，由單片機(jī)向紅外探頭發(fā)送采集溫度指令，并將采集的溫度數(shù)據(jù)回傳至單片機(jī)。單片機(jī)再將獲得的數(shù)據(jù)通過RS 485通信傳送至低壓二次側(cè)，二次側(cè)設(shè)備進(jìn)行溫度判定。如果溫度異常，則進(jìn)行聲光報(bào)警，并通過GSM將短信發(fā)送至指定的移動(dòng)電話終端[10-11]。系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作流程

GSM模塊作為報(bào)警信息發(fā)送的重要設(shè)備，需要使用到AT指令。為保證系統(tǒng)接收AT指令運(yùn)行的穩(wěn)定性，需要開機(jī)后保持20s以上的時(shí)間再接收指令[12]。

4 驗(yàn)證測(cè)試

將所設(shè)計(jì)的智能變電站無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)安裝在變電站實(shí)驗(yàn)所，針對(duì)開關(guān)設(shè)備進(jìn)行整體驗(yàn)證測(cè)試，如圖6所示。

圖6 智能變電站無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)安裝示意圖

增大斷路器流過的一次側(cè)電流，測(cè)試高壓自具電源所產(chǎn)生的二次側(cè)電流。測(cè)試中逐漸將流經(jīng)斷路器的一次側(cè)電流由20A增大至1500A,經(jīng)過一段時(shí)間，發(fā)現(xiàn)二次側(cè)電流增幅穩(wěn)定，可輸出穩(wěn)定的3.3V電壓，即紅外溫度采集終端設(shè)備可以獲得穩(wěn)定的電源。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 高壓自具電源測(cè)試數(shù)據(jù)

針對(duì)觸頭有明顯損傷的斷路器安裝5號(hào)、6號(hào)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)，測(cè)試中持續(xù)增大該斷路器流經(jīng)的電流，觀察二次側(cè)設(shè)備所顯示的溫度變化情況，如圖8所示。當(dāng)電流較大時(shí)，斷路器上5號(hào)、6號(hào)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的溫度逐漸升高，當(dāng)溫度超過既定上限值時(shí)，系統(tǒng)通過GSM可準(zhǔn)確地將測(cè)溫點(diǎn)信息發(fā)送至指定的移動(dòng)電話終端，如圖9所示。

圖8 系統(tǒng)監(jiān)控界面

圖9 GSM信息

由測(cè)試結(jié)果可見，所設(shè)計(jì)的智能變電站無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)關(guān)鍵設(shè)備溫度進(jìn)行周期性自動(dòng)監(jiān)控。與傳統(tǒng)測(cè)溫方法相比，一方面提高了工作效率，降低了設(shè)備成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了智能化水平；另一方面也提高了測(cè)量精度，通過RS 485通信傳送可以從根本上提高系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，使數(shù)據(jù)傳送的可靠性得到有效保障。

5 結(jié)束語

基于GSM與紅外技術(shù)設(shè)計(jì)了智能變電站無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)，具有非接觸、精度高、響應(yīng)快、適應(yīng)面廣等特點(diǎn)，在變電站電氣設(shè)備發(fā)熱缺陷診斷中可以發(fā)揮明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并降低工人作業(yè)強(qiáng)度，增強(qiáng)診斷時(shí)效性，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性。

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