顧朝敏,李曉峰,董 馳,劉宏亮,李天輝

(國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021)

0 引 言

隨著電力需求的快速增長，對電力設(shè)備的各項指標(biāo)也提出了越來越高的要求[1-2]。開關(guān)柜作為電力系統(tǒng)重要的組成部分，其關(guān)鍵部位（如觸頭、電極等）溫度的高低是非常重要的一個指標(biāo)，近年來得到越來越廣泛的關(guān)注[3-4]。開關(guān)柜一些金屬部位由于制造工藝不良、觸頭氧化、電弧沖擊等原因都有可能導(dǎo)致其溫度急劇升高，若溫度長期高于一定的閾值，則會造成開關(guān)柜的設(shè)備壽命減少甚至過熱燒毀[5-7]。進(jìn)一步導(dǎo)致電力系統(tǒng)設(shè)備故障，引起跳閘等電力系統(tǒng)事故[8-11]。

目前，電力運維人員廣泛采用的開關(guān)柜的測溫方法是人工測溫法[12]。但該方法檢測的準(zhǔn)確度受人為主觀性影響較大，不同的電力運維人員操作，檢測數(shù)據(jù)可能不盡相同，而且人工操作不適用于設(shè)備的長期測量，無法滿足實時性的要求[13-15]。此外，人工操作手持式測溫設(shè)備采用的是有線通信，不僅會造成開關(guān)柜的布線繁瑣，在通信線污穢嚴(yán)重的情況下，還會造成開關(guān)柜絕緣水平下降，影響電力設(shè)備的運行安全。另一種電力設(shè)備測溫是使用接觸式的傳感器來采集溫度，其特點是接觸式的，所以就導(dǎo)致安裝時必須進(jìn)行檢修停電，不僅如此，接觸式的測溫元件極易發(fā)生故障，一旦發(fā)生故障，需停電進(jìn)行檢修，影響用戶用電[16]。

基于以上分析，本文提出了一種基于Lora的開關(guān)柜關(guān)鍵部位溫度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用具有絕緣能力的測溫傳感器，其故障修復(fù)不需要檢修停電，提高了電力系統(tǒng)的供電可靠性。通信方面，采用Lora的無線通信方式，不會對開關(guān)柜的絕緣水平造成影響。所有采集的溫度數(shù)據(jù)通過無線通信系統(tǒng)傳輸?shù)奖O(jiān)控主機上，并通過顯示頁面交互，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析，將相關(guān)的預(yù)警信息發(fā)送給電力運維人員，減少電力運維人員的運維工作量。

1 開關(guān)柜關(guān)鍵部位溫度監(jiān)測方案

本文設(shè)計的開關(guān)柜關(guān)鍵部位溫度監(jiān)測系統(tǒng)方案如圖1所示。該系統(tǒng)的由溫度感知層、有線通信層和后處理層組成。

圖1 開關(guān)柜關(guān)鍵部位溫度檢測系統(tǒng)方案

該方案子系統(tǒng)里面包含溫度傳感器和無線中繼。開關(guān)柜里安裝具有絕緣能力的溫度傳感器，其性能優(yōu)越，故障率極低，若發(fā)生故障時，不需要停電檢修，提高了電力系統(tǒng)的供電可靠性。溫度感知層采用的是Lora無線通信技術(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接芯€通信層。

有線通信層采用RS485總線網(wǎng)絡(luò)。由于開關(guān)柜的材質(zhì)是金屬材質(zhì)，且開關(guān)柜結(jié)構(gòu)密閉，Lora射頻信號無法發(fā)送，故向開關(guān)柜外傳輸?shù)牟捎么朔N傳輸模式。另外，此種傳輸模式傳輸性能強且通信協(xié)議簡單，具有很強的拓展性能。

后處理層主機結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。后處理層接收來自數(shù)據(jù)傳輸層的數(shù)據(jù)后，采用自適應(yīng)濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理[17-18]，該算法在數(shù)據(jù)預(yù)處理方面有著一定的優(yōu)勢，相關(guān)參數(shù)較少，適用于本文的溫度數(shù)據(jù)預(yù)處理。然后采用線性回歸預(yù)測算法進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的預(yù)測[19]，與溫度預(yù)測同步進(jìn)行的步驟是溫度閾值處理，若超過設(shè)定的溫度閾值，具體分析溫度的高低，確定電力設(shè)備的缺陷等級，然后通過發(fā)送信息給電力設(shè)備運維人員發(fā)出警報信號。溫度預(yù)測與閾值處理分析完之后將處理得到的數(shù)據(jù)通過交互界面進(jìn)行在線實時顯示。主機采用全雙工通信的模式，無論是發(fā)送數(shù)據(jù)，還是下發(fā)指令，均從服務(wù)器向WEB客戶端進(jìn)行，且采用SOCKET模式發(fā)送，能夠?qū)崿F(xiàn)實時性的要求。

圖2 后處理層主機結(jié)構(gòu)

2 溫度感知層結(jié)構(gòu)組成

基于Lora無線網(wǎng)絡(luò)的溫度感知層結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 溫度感知層結(jié)構(gòu)組成

2.1 Lora無線通信系統(tǒng)

本文采用Lora無線通信系統(tǒng)的優(yōu)點如下：

1）Lora無線通信具有良好的抗電磁干擾能力。測溫系統(tǒng)工作在高壓環(huán)境中，有著強磁場的干擾?；趶姶艌龈蓴_的條件，可以將Lora無線通信系統(tǒng)設(shè)定在基于空閑信道評估技術(shù)和動態(tài)信道選擇技術(shù)兩種方法相結(jié)合的工作模式。

2）Lora無線通信低成本且能耗低。開關(guān)柜中需安裝大量的分布式測溫終端，其安裝的節(jié)點較為分散，且節(jié)點較多。Lora無線通信具有能耗低的特點，因此即使節(jié)點眾多，其仍具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

3）Lora無線通信可靠性高。

2.2 數(shù)據(jù)采集終端

本文的數(shù)據(jù)采集終端采用的是貼片式傳感器，適合在高壓環(huán)境中使用。內(nèi)置E43模塊作為傳輸通道，可保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度。關(guān)鍵部位溫度采集節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 關(guān)鍵部位溫度采集結(jié)構(gòu)圖

貼片式溫度傳感器將采集得到的數(shù)據(jù)通過多路光電耦合電路，再經(jīng)過多路信號處理電路對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通用數(shù)據(jù)包中每個節(jié)點的數(shù)據(jù)包可以通過1個結(jié)構(gòu)體來實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)體具體包括數(shù)據(jù)包的包頭和包尾、節(jié)點的數(shù)據(jù)類型、傳感器的數(shù)據(jù)。

終端節(jié)點的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)組成如表1所示。數(shù)據(jù)包包含包頭、包尾的數(shù)據(jù)。設(shè)備類型為END，節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址在系統(tǒng)上有電的情況下可以實現(xiàn)自動查詢，傳感器的數(shù)據(jù)為5位。

表1 終端節(jié)點的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)組成

2.3 無線中繼

無線中繼電路結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。STM芯片中通過一定的分析轉(zhuǎn)換，將相關(guān)的信息通過交互界面在開關(guān)柜前面柜門的面板上實現(xiàn)實時顯示，與此同時，將相關(guān)的數(shù)據(jù)信息通過打包的方式，通過工業(yè)以太網(wǎng)電路傳輸?shù)缴衔粰C。

圖5 無線中繼結(jié)構(gòu)圖

應(yīng)用貼片式溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)中可能夾雜少量的噪聲信號，為此，STM芯片中加入了滑動濾波算法，去除少量噪聲的干擾，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確度。

去噪前后信號對比如圖6所示。由圖可知，采用滑動濾波算法能夠有效去除噪聲的干擾，提高信號的信噪比。

圖6 去噪前后信號對比

為了能夠準(zhǔn)確判斷開關(guān)柜缺陷的類型，需要采用相應(yīng)的溫度預(yù)測算法對開關(guān)柜的溫度進(jìn)行預(yù)測。溫度在短時間內(nèi)具有積累效應(yīng)，本文考慮近期數(shù)據(jù)的重要性，采用線性回歸方程法對開關(guān)柜的溫度進(jìn)行預(yù)測。

假設(shè)擬合直線的方程為：

設(shè)置由近到遠(yuǎn)的權(quán)重α1,···,αn，α按照比例遞減，加權(quán)離差平方和的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下式所示：

為了使式（2）的值最小，可對式（2）求偏導(dǎo)，令其為0，得：

聯(lián)立式（2）和式（3）就可以求出式（1）中待求參數(shù)a,b的值，從而可以求出預(yù)測的方程。帶入相關(guān)的參數(shù)，可預(yù)測開關(guān)柜的溫度。

3 實驗測試

3.1 溫度感知層測試

對基于Lora的開關(guān)柜觸頭溫度監(jiān)測系統(tǒng)的溫度感知層進(jìn)行測試。相關(guān)的參數(shù)測試指標(biāo)如表2所示。

表2 技術(shù)參數(shù)測試指標(biāo)結(jié)果

由表可知，使用的貼片式溫度傳感器，各項技術(shù)參數(shù)指標(biāo)均滿足要求；Lora無線通信可以實現(xiàn)多點的數(shù)據(jù)傳輸，在強電磁干擾的情況下，仍能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸，其誤碼率很低，通信延時滿足要求。

系統(tǒng)的能耗較低。采用取能線圈供電和鋰電池互為備用的供電方式，停電的狀態(tài)下，依然能夠?qū)崿F(xiàn)工作，滿足系統(tǒng)的供電要求。

3.2 預(yù)測算法和上位機軟件測試

基于Lora的開關(guān)柜關(guān)鍵部位溫度監(jiān)測系統(tǒng)的上位機軟件界面采用LabVIEW圖形化編程來實現(xiàn)。對本文的預(yù)測算法進(jìn)行測試。分別選取15 s、30 s和60 s作為預(yù)測樣本的時間，采用滾動的方式進(jìn)行預(yù)測，得到預(yù)測結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的對比如圖7所示。由圖可知，預(yù)測結(jié)果與實際數(shù)據(jù)基本上是重合的。

圖7 預(yù)測結(jié)果與實測曲線對比圖

4 結(jié)束語

對于傳統(tǒng)手持式人工操作的開關(guān)柜測溫方法存在測量準(zhǔn)確度不高，無法實現(xiàn)在線實時監(jiān)測的缺點，本文設(shè)計了一種基于Lora的開關(guān)柜關(guān)鍵部位溫度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用貼片式溫度傳感器，其不受電磁干擾的影響，且性價比較高，能耗低；相比于傳統(tǒng)的有線通信系統(tǒng)，本文的Lora通信系統(tǒng)傳輸能力強，提高了傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，并且還能實現(xiàn)用戶終端的現(xiàn)場在線顯示和溫度預(yù)測等功能。該系統(tǒng)提高了電力系統(tǒng)運維人員的運維效率，具有一定的參考意義。