郭凱華 董 明 姜春雨

（華能上安電廠，河北 石家莊 050399）

0 引言

根據(jù)《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》中要求，開(kāi)展隔離刀閘溫度檢測(cè)，對(duì)溫度異常的隔離刀閘進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析和處理，防止導(dǎo)電回路過(guò)熱引發(fā)的惡性事故。實(shí)現(xiàn)溫度在線監(jiān)測(cè)是保障高壓隔離刀閘安全運(yùn)行的重要手段，因此安裝一套在線溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是非常必要的[1]。

建設(shè)在線溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)實(shí)現(xiàn)隔離刀閘狀態(tài)檢修，減輕運(yùn)維壓力，減少現(xiàn)場(chǎng)人員巡檢危險(xiǎn)、保證運(yùn)行可靠性、避免因?yàn)楦綦x刀閘事故導(dǎo)致“非?！本强煽?、有效、實(shí)用的技術(shù)保障手段。

1 應(yīng)用于電氣連接點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

應(yīng)用于電氣連接點(diǎn)的溫度傳感器必須滿足各種復(fù)雜的使用環(huán)境。高壓電力設(shè)備的絕緣、防護(hù)等性能要求傳感器不能通過(guò)有線方式連接，加之很多設(shè)備承載的負(fù)荷比較小，普通的電流感應(yīng)器不能承擔(dān)功耗過(guò)大的傳感器正常工作，這就要求必須采用一種無(wú)源無(wú)線且低功耗的傳感器；電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的高安全性、高可靠性以及現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性也要求組網(wǎng)方式能夠靈活多變[2]。為此，采用物聯(lián)網(wǎng)的自取能技術(shù)、低功耗傳感技術(shù)、自組網(wǎng)射頻通信技術(shù)對(duì)高壓設(shè)備電氣連接點(diǎn)溫度在線監(jiān)測(cè)提出了解決上述問(wèn)題的方案。

1.1 電壓獲取電能電路（獨(dú)立電容體感應(yīng)取電）

高壓設(shè)備存在強(qiáng)大的高壓電場(chǎng)，從高壓電場(chǎng)中獲取能量是該方案的核心。通俗的說(shuō)就是通過(guò)電壓獲取能量的手段。

孤立電容體獲取到電荷后即可轉(zhuǎn)換為電能。此時(shí)電容體獲取的是高電壓，微弱電流狀況，甚至大于一般元器件的泄露電流。要將如此低的電流轉(zhuǎn)換為傳感器能使用的電源就需要以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟。1）開(kāi)關(guān)電源：將高壓電、弱電流轉(zhuǎn)換為低電壓、大電流；2）儲(chǔ)能：將轉(zhuǎn)換后的能量?jī)?chǔ)備起來(lái)供傳感器使用；3）儲(chǔ)能控制（電壓控制）：類似水壩的閘門，將涓涓細(xì)流儲(chǔ)備起來(lái)，當(dāng)傳感器需要時(shí)開(kāi)啟閘門。當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)備不足時(shí)及時(shí)關(guān)閉閘門繼續(xù)進(jìn)行儲(chǔ)能。電壓獲取能量單元邏輯圖如圖1 所示。

圖1 電壓獲取能量單元邏輯圖

1.2 電流獲取能量裝置

該部分比較簡(jiǎn)單。利用的就是傳統(tǒng)的電流互感器原理。只是該技術(shù)的核心是要將傳統(tǒng)的電流互感器做的非常小巧，另外一個(gè)技術(shù)核心就是鐵芯應(yīng)能迅速飽和，并避免大電流工況下發(fā)熱。

獲取到電流后，經(jīng)過(guò)整流后進(jìn)入能量?jī)?chǔ)備電路，該電路和電壓感應(yīng)部分共用電路，都分別將能量傳送至儲(chǔ)能模塊。

1.3 低功耗傳感技術(shù)

應(yīng)用于電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的溫度傳感器的必須滿足低功耗的要求，需要在微弱電流下可靠工作，選用特殊的坡莫合金做磁芯材料，確保磁導(dǎo)是普通硅鋼的10 倍以上，體積小巧且柔軟；在微弱電流工況下電量不足，應(yīng)避免傳感器震蕩，要采用低功耗電子開(kāi)關(guān)：電量充滿后傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)，若電量不滿足要求，傳感器停止工作。

1.4 微功耗開(kāi)關(guān)電源

微功耗開(kāi)關(guān)電源示意圖如圖2 所示，圖中的開(kāi)關(guān)電源以一個(gè)開(kāi)關(guān)管表示，但實(shí)際電路卻無(wú)法用普通的開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)，必須采用獨(dú)特的電路設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)管耐壓只有1000V，最大的問(wèn)題是功耗較大，靜態(tài)泄露電力都在1mA 左右。該項(xiàng)目采用雙向高壓觸發(fā)二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的作用。當(dāng)電容的電壓儲(chǔ)備達(dá)到額定電壓后，高壓觸發(fā)二極管導(dǎo)通。電路通過(guò)LC 電路對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行儲(chǔ)能、降壓。其目的是將高電壓，微弱電流轉(zhuǎn)換為直流5V、20mA 左右的直流電源，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的作用。

圖2 微功耗開(kāi)關(guān)電源示意圖

1.5 自組網(wǎng)射頻通信技術(shù)

ZigBee 技術(shù)是一種短距離、低功耗、低速率和低成本的無(wú)線通信技術(shù)，其應(yīng)用于電力設(shè)備傳感層數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸方面，具有如下特點(diǎn)。1）低功耗：溫度傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景要求其功耗必須非常低，而一個(gè)傳感器的主要能耗集中在無(wú)線通信上面。因此，通信模塊的低功耗就成了必備選項(xiàng)。2）可靠性：ZigBee 協(xié)議在物理層上采用了直接序列擴(kuò)頻（DSSS）技術(shù)來(lái)抑制噪聲的干擾。3）安全性：加密算法采用AES-128，提供了數(shù)據(jù)的完整性檢查和鑒權(quán)功能。4）實(shí)時(shí)性：ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作延時(shí)短，只有15ms～20ms，通常來(lái)說(shuō)電力設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)時(shí)效性不需要精確到ms 級(jí)別。因此由ZigBee 模塊構(gòu)成的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)完全可以滿足溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。5）經(jīng)濟(jì)性：ZigBee 使用的工作頻率是免費(fèi)的，在2.4GHz 時(shí)，最高傳輸速率（也是ZigBee 的最大傳輸速率）為250kbit/s，在射頻功率為20dBm（（100mW）情況下，2.4G 頻率的室內(nèi)傳輸距離大約是10～20 米，室外最大可達(dá)到300 米，完全滿足變電站對(duì)無(wú)線測(cè)溫的技術(shù)要求。

2 系統(tǒng)組成

無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)變電站高壓設(shè)備電氣連接點(diǎn)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在站端構(gòu)建一套溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)高壓隔離刀閘設(shè)備電氣連接部位的實(shí)時(shí)溫度。從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)上來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)可分為3 層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體系如下：感知層（溫度傳感器）、網(wǎng)絡(luò)層（數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)器、網(wǎng)關(guān)）、應(yīng)用層（監(jiān)控主站，包括服務(wù)器和本地顯示裝置）[3]。

圖3 無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)

溫度傳感器布置在隔離刀閘動(dòng)靜觸頭接口附近，獲取溫度信息，通過(guò)Lora 無(wú)線通信方式將溫度信號(hào)發(fā)送給數(shù)據(jù)集中器，數(shù)據(jù)集中器接收溫度信息，進(jìn)行初步分析處理后，通過(guò)以太網(wǎng)上傳至監(jiān)控主站。監(jiān)控主站實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)管理分析軟件，能夠?qū)崟r(shí)顯示隔離刀閘溫度數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)的記錄和對(duì)比分析、預(yù)警及報(bào)警、運(yùn)行狀態(tài)全程記錄等功能。

工作人員可以通過(guò)無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交互實(shí)現(xiàn)預(yù)警、智能診斷與溫度查詢等功能。主要的模塊功能如圖 4 所示。

圖4 主要的模塊功能圖

模塊功能可從以下 3 個(gè)方面進(jìn)行：1）數(shù)據(jù)采集。無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)通過(guò)安裝的測(cè)溫節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓隔離刀閘觸點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)與接頭溫度數(shù)據(jù)的采集，將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)之后，經(jīng)芯片處理，發(fā)送到監(jiān)控中心。2）實(shí)時(shí)溫度查詢。工作人員可以登陸相關(guān)頁(yè)面，通過(guò)客戶端對(duì)隔離刀閘的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，也可以根據(jù)其記錄的溫度查詢相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)。3）智能診斷與預(yù)警。當(dāng)隔離刀閘的測(cè)點(diǎn)溫度超過(guò)限值或者其溫度變化率超過(guò)規(guī)定限值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)并且顯示出對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)值，以此來(lái)提醒監(jiān)控中線的工作人員，隔離刀閘刀口可能存在溫度隱患。

2.1 溫度傳感器

溫度傳感器內(nèi)部硬件設(shè)施中增加了電磁屏蔽和保護(hù)電路等設(shè)施。電磁感應(yīng)取電電路需要采用電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能功能，若選用傳統(tǒng)的電解電容確實(shí)存在高溫情況下漏液、容量變小的問(wèn)題，選用固態(tài)電容作為儲(chǔ)能元器件，可以避免高溫情況下電容失效，以此確保電子元器件在125℃的環(huán)境下仍然能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。外殼采用硅橡膠材料，硅橡膠是一種耐高低溫（-60℃～250℃）、耐臭氧化并具有良好電絕緣性能的特種橡膠，是應(yīng)用于電力系統(tǒng)中絕佳的絕緣材料。

溫度傳感器由感應(yīng)取電模塊、溫度測(cè)量模塊、控制模塊、無(wú)線傳輸模塊組成。外殼為耐高溫絕緣材料，并由絕緣材料密封，其具有體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)高壓隔離刀閘的觸指，對(duì)觸點(diǎn)的監(jiān)測(cè)可以在很大程度上降低隔離刀閘的故障率。

溫度傳感器采用低功耗技術(shù)，各個(gè)傳感器相互間不會(huì)產(chǎn)生干擾，不受高壓電場(chǎng)干擾，可以準(zhǔn)確將信息發(fā)送出來(lái)。

2.2 數(shù)據(jù)集中器

數(shù)據(jù)集中器采用嵌入式工控機(jī)，基于工業(yè)級(jí)32 位ARM9系列CPU，Linux 操作系統(tǒng)，通過(guò)Lora 無(wú)線通信模塊接收無(wú)線通信中繼器上傳的變電站內(nèi)各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單處理、存儲(chǔ)和嵌入式WebServer 服務(wù)器功能，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RJ45 網(wǎng)口以Modbus 協(xié)議上傳至監(jiān)控主站。

在高壓隔離刀閘的動(dòng)觸頭上安裝無(wú)線測(cè)溫終端，無(wú)線測(cè)溫終端通過(guò)433MHz 無(wú)線信號(hào)將監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到溫度監(jiān)測(cè)主機(jī)，通過(guò)液晶顯示屏顯示各隔離刀閘觸頭的實(shí)時(shí)溫度、歷史數(shù)據(jù)表等多種顯示查詢功能，并提供超溫報(bào)警及無(wú)線通信診斷功能。數(shù)據(jù)集中器的外觀及安裝如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)集中器外觀、安裝圖

2.3 監(jiān)控主站

監(jiān)控主站包括1 臺(tái)本地顯示裝置，1 套溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。服務(wù)器安裝于室外，溫度在線監(jiān)測(cè)軟件部署于服務(wù)器。軟件以輪詢的方式采集各設(shè)備溫度。

溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、預(yù)報(bào)警、故障定位、存儲(chǔ)和管理等功能。系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)溫度連續(xù)變化的情況，并以曲線圖顯示，有溫度絕對(duì)值報(bào)警、溫度上升率報(bào)警的功能。為了避免發(fā)送錯(cuò)誤數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤報(bào)，系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)驗(yàn)證機(jī)制，采集溫度超限后系統(tǒng)將連續(xù)采集該地址的溫度，連續(xù)5 次溫度超限且溫度在合理區(qū)間才判定為溫升超限。當(dāng)溫升超限時(shí)發(fā)出報(bào)警提示，提示操作人員檢查升壓站是否出現(xiàn)故障。

主站服務(wù)器具備接入系統(tǒng)局域網(wǎng)，支持局域網(wǎng)內(nèi)其他PC 端通過(guò)IP 訪問(wèn)主站管理系統(tǒng)，查詢主站系統(tǒng)的溫度歷史記錄，讀取溫度曲線和溫度報(bào)表。

3 實(shí)施效果

220kV 隔離刀閘電氣連接點(diǎn)的溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用有線無(wú)線結(jié)合通信模式，傳感器到集中器通過(guò)射頻通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，集中器與主站間通過(guò)4G 通信。系統(tǒng)能夠及時(shí)掌握各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度情況，將設(shè)備監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度等信息發(fā)送到主站系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)上能夠方便地查詢有關(guān)實(shí)時(shí)信息和歷史數(shù)據(jù)。因?yàn)楦綦x刀閘的溫度過(guò)高還有可能是電流或者負(fù)荷增大等原因引起的，所以在設(shè)備出現(xiàn)溫度過(guò)高報(bào)警時(shí)，筆者綜合考慮當(dāng)時(shí)的電流還有環(huán)境溫度等因素，通過(guò)查看電流曲線和環(huán)境溫度等判斷設(shè)備的過(guò)熱是否正常[4]。220kV 隔離刀閘電氣連接點(diǎn)的溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠讓用戶及時(shí)掌握各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在故障前的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)防隱患的發(fā)生，保證設(shè)備的正常運(yùn)行，并提供靈活的參數(shù)調(diào)整手段[5]。

該系統(tǒng)具備運(yùn)行可靠、使用簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的特點(diǎn)，完全滿足電力企業(yè)的要求。

4 結(jié)論

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)自取能技術(shù)、低功耗傳感技術(shù)、自組網(wǎng)射頻通信技術(shù)適用于發(fā)電廠隔離刀閘連接點(diǎn)溫度在線監(jiān)測(cè)，符合國(guó)家、行業(yè)及電網(wǎng)企業(yè)對(duì)電力安全的要求，能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度信息，達(dá)到了實(shí)用的效果。在發(fā)電廠隔離刀閘應(yīng)用溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可有效減輕設(shè)備管理人員的工作量，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，讓工作人員及時(shí)地采取檢修和排查措施，防止設(shè)備故障的惡化，可以避免因溫升過(guò)高而發(fā)生事故，進(jìn)而提升電力系統(tǒng)的智能化水平。對(duì)高壓設(shè)備電氣連接點(diǎn)的溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，將有效保障設(shè)備運(yùn)行安全，提高供電可靠性。