(1.石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043；2.山西省電力公司太原市電力局，山西 太原 030053)

0 引言

隨著電力向著高電壓、大機組、大容量的迅速發(fā)展,變電站中各主要電氣設備能否正常運行將直接關系到電力系統的運行情況。在變電站中,各電氣設備長期處于運行中,各觸點及連接點等部位因老化會造成接觸電阻增大的問題,極易產生發(fā)熱現象[1]。若不及時處理，會導致火災和區(qū)域性大面積停電，故解決電氣設備過熱問題是杜絕此類事故發(fā)生的重要手段。

對電氣設備的運行溫度,尤其是敏感位置溫度的監(jiān)測是故障預警和預防事故的重要手段?？偨Y現有電力系統的測溫方法,主要有光纖測溫和紅外線測溫法等。紅外測溫儀攜帶和使用方便靈活,無干擾環(huán)境下測量精度高，但紅外測溫儀的抗干擾能力弱，測量中對環(huán)境要求高，而變電站中各電氣設備常年處于復雜環(huán)境，故檢測的精度會大大降低。光纖測溫法全程都通過光的形式傳播，體積小便于安裝，但缺陷在于光纖傳遞費用昂貴，其性價比不高，且用于測溫的半導體溫度傳感器探頭的抗干擾能力太差，無法適應偏遠地區(qū)變電站惡劣環(huán)境的要求[2-3]。

近年來使用較多的ZigBee無線通信技術雖傳輸速度快，但可靠性不高[3]。而GPRS無線通信技術就以信號穿透能力強和傳輸可靠性高的優(yōu)勢能彌補現有系統的缺點，其傳感器能方便地安裝在電氣設備的表面，大大增強監(jiān)測數據的準確性。

在結合實際監(jiān)測終端設計的基礎上，采用Silverlight新技術進行建模和繪圖，而客戶端通過WCF Server與服務端互聯完成通訊連接，在監(jiān)測頁面上，值班工作人員可以看到變電站實時的溫度信息，并當溫度超過報警點時，會發(fā)出警報提示工作人員。本設計已在太原市迎澤區(qū)變電站試運行成功，此系統能夠實現溫度實時監(jiān)測和報警的功能。

1 變電站溫度監(jiān)測系統設計

根據溫度監(jiān)測系統的各個模塊分工不同，將系統分為基于GPRS的無線測溫模塊和基于B/S的在線監(jiān)測模塊。

圖1 溫度采集端

圖2 溫度接收端

(1)基于GPRS的無線測溫模塊。測溫系統的結構設計基于GPRS通訊協議，采用以AT指令為媒介的改進版GPRS程序設計與數據傳輸PC主機的方法，實現溫度數據的傳輸，圖1與圖2分別為溫度采集端框圖和溫度接收端框圖。

(2)基于B/S的在線監(jiān)測模塊?；贐/S的在線監(jiān)測模塊具有用戶端零維護系統的特點，能夠大大降低用戶在維護系統擴展中的成本，在以WCF通訊服務基礎下完成數據通信后，能實現實時監(jiān)測功能。

2 基于GPRS的無線測溫模塊設計

2.1 采集端與接收端的硬件設計

圖3為采集端CAD圖。圖4為接收端CAD圖。

圖3 采集端CAD圖

圖4 接收端CAD圖

加入時鐘振蕩電路為電路提供時序，并利用復位電路保證電路的穩(wěn)定，當測量溫度值超過設定值時，報警器發(fā)出警告，處理故障后按下復位開關，報警聲停止，溫度報警電路完成警示的效果。此監(jiān)測系統的測溫模塊能夠實現對溫度數據的采集、傳輸、存儲和報警功能。

2.2 測溫模塊的軟件設計

計算機初始化延遲一段時間后讀取所測試的溫度值，然后由讀取狀態(tài)寄存器判斷數據接收情況，并在液晶屏上顯示并不斷刷新數據的變化。

2.2.1 數據傳輸方法

與傳統的方法不同，改進后的數據傳輸方法先使用計算機指令ipconfig查詢IP地址，在確定本機為公網后，采用Net Assist對網絡設置進行修改，將原設置改為TCP server ，IP地址改為指令查詢的地址號，觀察端口號8086能否連接，連接成功后，連接對象上能顯示出端口號與IP地址。

2.2.2 改進版GPRS模塊通訊設計

若要實現以AT指令為媒介的改進版GPRS模塊數據傳輸方法，將GPRS與移動網絡連接，在設置出AT指令參數后，通過AT+GPRS APN對GPRS網絡的名稱進行設置，設置完畢即可通過AT+GPRSUSR和AT+GPRSPWD修改的GPRS接入密碼。若能接收到給定的建網指令，則執(zhí)行命令，若未接收到任何指令，GPRS網絡即可自動斷開。

借助AT+TCPOPEN指令來實現網絡連接，調試出的GPRS通信系統還要觀察GPRS模塊是否接收到OK指令，以及GPRS模塊接收指令后是否輸出GPRS Modem。從而進一步確定無線協調器與網絡連接成功，如圖5和圖6所示。

圖5 GPRS通信程序流程圖

圖6 測溫模塊簡易制作圖

2.3 無線協議的比較

各類無線協議均有各自的優(yōu)缺點，表1中列出典型代表ZigBee與GPRS的優(yōu)缺點比較。

表1 ZigBee與GPRS的比較

通過表1的比較，在無線傳輸協議中，GPRS擁有更好的可靠性，能確保在傳輸過程中無數據丟失的現象發(fā)生[4]，通過數據的驗證，GPRS協議能在降低測溫傳感器安裝成本的同時也達到滿足數據穩(wěn)定傳輸的要求。

3 監(jiān)測系統架構與實現關鍵技術

3.1 溫度實時數據模型原理

變電站中的電氣設備往往會存在多個溫度監(jiān)測點，在進行溫度傳感器 ID與電氣設備 ID映射時，與傳統的映射不同，本設計的映射采用新型多對多的形式。拿電氣設備中的閘刀開關舉例，在閘刀開關的動、靜觸點上各自安裝一個測溫傳感器，因為2個傳感器監(jiān)測的是同一設備，若進行一對一映射，那么在數據傳輸時會導致數據的丟失，故一對多的結構不能使用，只能使用多對多映射[5]，根據測溫元件的測量位置，將變電站中各主要電氣設備進行分割，將整體分割為多組個體進行多對多映射。

3.2 監(jiān)測平臺結構

改進后的B/S結構相較于傳統的C/S結構，能夠實現多個客戶同時訪問一個客戶端的功能。表2為2種結構各自特點的分析。

表2 2種結構各自特點的分析

3.3 基于 Silverlight和 WCF技術的新型實時監(jiān)測功能實現

3.3.1 數據展示方式的比較

傳統的數據展示方法主要是繪制圖表，此類方法單一且不能為工作人員提供總體結構的直觀感受[6]。采用Silverlight新技術進行建模和繪制模型，與傳統的展示方法相比，觀測人員能以更直觀的方式看到整個變電站各主要電氣設備的溫度實時數據變化。

3.3.2 配電網主接線圖繪制

使用統一建模語言(UML圖)來表示主接線圖的總體結構模型，把系統中的各個監(jiān)測點抽象為各個類別，并將各個類別由Silverlight 供應Ellipse和Path等原始繪圖零件完成初始化，之后采用實例化模式進行建模和繪圖[5]。

圖7 WCF服務的結構圖

3.3.3 數據圖形一體化功能的實現

完成建模和繪圖后，通過WCF通訊服務完成通信，SQL server將測出的溫度值存儲在數據庫中，此時變電站值班工作人員能實時獲得溫度數據。

圖8 太原市迎澤區(qū)變電站無線測溫系統

4 溫度監(jiān)測系統運行的效果

4.1 系統運行環(huán)境

系統基于Microsoft NET架構，C語言作為系統的開發(fā)語言。采用Windows Server 2010 實現對PC機管控 ，Web服務器軟件為 IIS6.0。

4.2 傳感器的安裝方案

太原市迎澤區(qū)變電站在電力電纜電纜接頭處、母線接頭處、電纜接頭處，以及變壓器輸配電線路端口處等設備處安裝測溫傳感器，對溫度進行實時監(jiān)測。

4.3 實時監(jiān)測圖的演示

圖8是溫度實時監(jiān)測系統中監(jiān)測部分截圖，其中實線部分代表2號主變室內環(huán)境溫度，虛線部分代表此設備區(qū)域安裝有測溫傳感器，灰色區(qū)域代表測溫元件的測量點，在文字提示下，值班人員能夠精確找出測量位點。圖中顯示的數據均是各電氣設備的實時溫度值，可以看到圖中大部分數據為正常值，其中“35 kV套管側溫度”溫度較高，達到了溫度預警的條件，若此溫度繼續(xù)上升，則發(fā)出警示信息。

太原迎澤區(qū)變電站2號主變正處于工作狀態(tài)，此變電站負責向太原迎澤區(qū)域內的35 kV負載段供電，當負載電流通過2號主變，根據熱量公式：Q=I2R，計算得出，由于流經低壓側套管的電流過大進而造成熱量過大，故產生了溫度預警[8]。

4.4 傳輸數據精確度實驗

當太原市迎澤區(qū)變電站內的110 kV變壓器在額定運行情況下，對常溫下的110 kV變壓器的低壓繞組進行測試，表3 變電站中干式變壓器溫度監(jiān)測值與理論計算值對比，表中相對溫差是指變壓器A、B、C三相的平均溫度與計算值間的偏差。

表3 變電站中110 kV變壓器溫度監(jiān)測值與理論計算值對比 ℃

測量出的溫度值與理論計算值相比略有下降，相對誤差分別為2%和3%左右。誤差的原因在于變電站中干式變壓器理論與實際的損耗有所差別[9]，故實際與理論的熱源存在誤差。但是相較于原有的監(jiān)測系統，本監(jiān)測系統以AT指令為媒介的改進版GPRS無線通信程序設計與數據傳輸PC主機的方法，能夠大大提高數據傳輸的精確性，進而有效降低誤差。

4.5 測量精度實驗與性能測試比對

紅外測溫儀在外界干擾小的環(huán)境下測量精度很高，為驗證基于GPRS的溫度監(jiān)測系統測量數據的準確性，現使用溫度源和變電站監(jiān)測常用儀表精度等級為1.0的手持紅外測溫儀對系統進行精度等級比對。將溫度源每15 ℃設置為一個測量點，在測點處同時使用標準溫度計和測溫節(jié)點進行溫度測量，測量數據如表4所示。

表4 測量數據比對 ℃

我國工業(yè)儀表精度等級分為7個等級：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。將2種測溫系統在相同測試環(huán)境(無霧氣和粉塵)下進行實驗[10]。實驗數據表明，二者在同一測試環(huán)境下，已知紅外測溫儀的測量精度，根據公式，引用誤差=(絕對誤差的最大值/儀表量程)×100%計算出系統的引用誤差為0.9%，則其精度等級為1.0，完全滿足變電站中使用儀表測量精度的要求。

3)將桌面型或嵌入式數據庫轉換為Client/Server架構數據庫，服務器端無需安裝數據庫服務器，如SQL Server，客戶端無需單獨安裝數據庫驅動，并且做到網絡線路上只有請求流和結果流，能更有效地利用網絡帶寬，從而達到高性能。

在變電站中進行性能測試，在無遮擋的情況下，測試出SIM900A型GPRS的有效測溫通信距離為120 m，在厚30 cm的墻體遮擋情況下，其有效測溫通信距離為75 m，同精度等級(1.0)的紅外測溫儀測溫有效距離為110 m，在厚30 cm的墻體遮擋情況下，其有效測溫通信距離為42 m。查閱大量文獻后得知，對于現有的紅外測溫法而言，通常采用測量精度為1.0的手持式紅外測溫儀進行溫度測量，但在有霧氣和粉塵的惡劣環(huán)境下，紅外測溫儀的有效測溫距離僅為原有的40%，會嚴重影響測溫數據的準確性[11]。

綜上所述，從測量精度角度分析，在同一干擾較小的環(huán)境下，測試數據表明，GPRS溫度監(jiān)測系統在測量精度等級上與現有常用工業(yè)精度等級為1.0的紅外測溫儀相同。從可靠性角度分析，通過實際測量和查閱資料，得出GPRS溫度監(jiān)測系統的穿透能力和在惡劣環(huán)境下的抗干擾能力要更好。從經濟角度分析，GPRS傳輸模塊的價格更低，大大節(jié)約了變電站的投資成本。結果證明本系統在變電站溫度監(jiān)測過程中具有較好的實用性和經濟性[12]。

5 結語

提出并實現了一種基于GPRS無線測溫模塊和基于B/S的在線監(jiān)測模塊的智能變電站溫度實時監(jiān)測系統設計方案，對以AT指令為媒介GPRS無線通信程序設計與數據傳輸PC主機的方法進行改進，能有效降低系統的搭建成本。在監(jiān)測系統架構實現過程中，使用Silverlight新技術進行建模和繪圖，并以WCF客戶端通過與服務器端互聯完成通訊連接，從而實現變電站值班工作人員第一時間獲得溫度數據和報警信息，與此同時通知相關人員解決問題，大大降低了事故隱患的發(fā)生。

對系統先后進行了2類實驗。首先進行傳輸數據精確度實驗，實驗數據表明，本監(jiān)測系統使用以AT指令為媒介的改進版GPRS無線通信程序設計與數據傳輸PC主機的方法后，大大提高數據傳輸的精確性，進而有效降低了誤差。其次進行了測量精度實驗與性能測試，當基于GPRS的溫度監(jiān)測系統和紅外測溫系統的測量精度等級均為1.0時，分別測試2種系統在有無遮擋時的測溫有效距離。其中基于GPRS的溫度監(jiān)測系統測溫通信有效距離為75 m，紅外測溫儀有效測溫距離42 m。據此計算分析和查閱相關資料得出，本設計的GPRS溫度監(jiān)測系統比現有傳統紅外測溫儀的穿透能力和在惡劣環(huán)境下的抗干擾能力更強[13]。

該系統已在太原迎澤區(qū)變電站試運行，效果良好，試運行結果驗證了系統能實現對無人值守變電站中各主要電氣設備進行準確、在線、連續(xù)的監(jiān)測，為智能變電站各主要電氣設備的正常運行提供了有力支持。