李徽勝,羅惠雄,劉 佳

（1．廣州南方電力集團(tuán)電器有限公司，廣東 廣州 510285；2．廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州黃埔供電局，廣東 廣州 510700）

1 引言

電力設(shè)備在運(yùn)行中，由于過負(fù)荷、電纜和觸頭接觸不良、短路等原因造成的事故時(shí)有發(fā)生[1]。由于電纜頭制作工藝問題，10kV 環(huán)網(wǎng)柜在運(yùn)行中可能會(huì)因電纜頭發(fā)熱進(jìn)而引起局部放電或絕緣老化，最終可能會(huì)導(dǎo)致環(huán)網(wǎng)柜發(fā)生單相接地并發(fā)生相間短路爆炸事故。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和配電網(wǎng)規(guī)模的迅速發(fā)展，設(shè)備數(shù)量與種類越來越多，但相關(guān)設(shè)備的智能化程度卻較低，運(yùn)行和維護(hù)的復(fù)雜度也越來越高。傳統(tǒng)的運(yùn)維方式費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，無法保證配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性，因而單一依賴于傳統(tǒng)的人工運(yùn)維模式難以滿足未來發(fā)展需求。蘇東、馬仲能等人對(duì)配網(wǎng)開關(guān)柜全生命周期成本模型及敏感度做出分析，分析表明一個(gè)配網(wǎng)開關(guān)柜的巡檢成本高達(dá)327 萬，而故障成本高達(dá)120．44萬[2]。

因此，實(shí)現(xiàn)配電設(shè)備狀態(tài)感知、運(yùn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)獲取、故障信息主動(dòng)預(yù)警，降低運(yùn)營成本，是落實(shí)“數(shù)字南網(wǎng)”的具體舉措。本文設(shè)計(jì)了集成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、無線通信等技術(shù)，通過在環(huán)網(wǎng)柜電纜頭植入無線測(cè)溫傳感器，從而實(shí)時(shí)掌控環(huán)網(wǎng)柜溫度變化趨勢(shì)，該方法可以為智能運(yùn)維提供決策依據(jù)，解決環(huán)網(wǎng)柜電纜頭測(cè)溫難題。

2 無線測(cè)溫系統(tǒng)解決方案

無線測(cè)溫系統(tǒng)按三層架構(gòu)設(shè)計(jì)，感知層主要包括布置于環(huán)網(wǎng)柜的無線測(cè)溫傳感器、數(shù)據(jù)采集終端，負(fù)責(zé)底層數(shù)據(jù)采集和邊緣計(jì)算；網(wǎng)絡(luò)層由網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、有線或無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算平臺(tái)等組成，負(fù)責(zé)將采集終端的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)安全加密后傳輸給云計(jì)算平臺(tái)；應(yīng)用層物聯(lián)網(wǎng)與用戶的接口，與用戶的業(yè)務(wù)需求相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能化服務(wù)應(yīng)用。

2.1 無線測(cè)溫硬件架構(gòu)

無線測(cè)溫監(jiān)控硬件系統(tǒng)主要由測(cè)溫傳感器、Zigbee通信模塊、數(shù)據(jù)采集終端、通信總線或以太網(wǎng)口、工控機(jī)、云服務(wù)器和移動(dòng)應(yīng)用終端等組成。通過傳感器實(shí)時(shí)采集環(huán)網(wǎng)柜電纜頭位置的溫度，以無線通信形式傳輸給數(shù)據(jù)采集終端，經(jīng)數(shù)據(jù)處理、運(yùn)算分析后在本地顯示測(cè)量溫度值，同時(shí)通過RS48總線或以太網(wǎng)接口，將數(shù)據(jù)傳輸工控機(jī)，并保存在云服務(wù)器，客戶可通過監(jiān)控主站或移動(dòng)應(yīng)用客戶端查閱溫度信息。

圖1 環(huán)網(wǎng)柜無線測(cè)溫系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)無線傳輸方案

無線測(cè)溫裝置直接測(cè)量環(huán)網(wǎng)柜高壓電纜頭關(guān)鍵位置溫度，長(zhǎng)期處于高壓磁場(chǎng)中，既要解決電磁干擾問題，同時(shí)需解決絕緣以及數(shù)據(jù)傳輸問題，這是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。為解決上述問題，本測(cè)溫系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，傳感器澆注于高壓電纜堵頭中，數(shù)據(jù)采集終端安裝于環(huán)網(wǎng)柜的低壓二次小室，傳感器與數(shù)據(jù)采集終端之間采用基于Zigbee 協(xié)議無線傳輸，無需改變環(huán)網(wǎng)柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，避免受高壓電磁場(chǎng)的干擾，同時(shí)便于今后運(yùn)行與維護(hù)。

該方案數(shù)據(jù)傳輸基于Zigbee 協(xié)議，Zigbee 是基于IEEE 802．15．4 標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)域網(wǎng)協(xié)議[3-4]，基于Zigbee 協(xié)議的通訊技術(shù)是一種功耗低、距離較近且簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的無線通訊技術(shù)，能夠很好地應(yīng)用于變配電站內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸。

如圖2所示，傳感器中集成了無線數(shù)據(jù)傳輸發(fā)射模塊，數(shù)據(jù)采集終端中集成了接收模塊，接收端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中器的功能，接收、上傳、運(yùn)算所在范圍內(nèi)溫度傳感模塊的數(shù)據(jù)，從而實(shí)時(shí)、可靠地收集范圍內(nèi)的有效數(shù)據(jù)。該模塊采用樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)中的通信功能。

圖2 測(cè)溫裝置無線數(shù)據(jù)傳輸原理框圖

3 無線傳感器設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)

3.1 微功率感應(yīng)取能傳感器設(shè)計(jì)

無線測(cè)溫傳感器是利用壓感應(yīng)取能，熱電阻接觸式測(cè)溫與無線傳輸技術(shù)原理，實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜電纜頭的溫度實(shí)時(shí)采集。測(cè)溫傳感器是將測(cè)溫探頭、電源模塊、金屬屏蔽罩、無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊和MCU核心模塊澆注于環(huán)氧樹脂電纜堵頭內(nèi)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。當(dāng)電纜運(yùn)行時(shí)，在傳感器高壓導(dǎo)電端內(nèi)部產(chǎn)生交變電場(chǎng)，由金屬屏蔽罩和電纜芯線之間的懸浮電容C1形成電勢(shì)差，該電勢(shì)差經(jīng)濾波、整流和穩(wěn)壓后為傳感器供能。傳感器電路板設(shè)有熱電阻，直接與電纜連接螺桿連接，測(cè)量此處溫度。MCU核心模塊監(jiān)測(cè)熱電阻的線性變化，來判斷電纜頭連接處的溫度變化，并將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)無線的方式傳輸給數(shù)據(jù)采集終端，由采集終端完成數(shù)據(jù)采集、處理與運(yùn)算，并將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控后臺(tái)或移動(dòng)客戶端，測(cè)溫原理如圖4所示。

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4 無線測(cè)溫裝置原理框圖

3.2 傳感器的耐高溫和抗干擾等性能設(shè)計(jì)

傳感器內(nèi)置于經(jīng)環(huán)氧樹脂澆注的電纜堵頭內(nèi)，且處于高壓磁場(chǎng)中，為確保傳感器運(yùn)行時(shí)的可靠性，需解決傳感器的自身的局部放電、散熱與抗干擾等問題。傳感器需要在設(shè)計(jì)取能裝置時(shí)候充分考慮到杜絕間隙放電和介質(zhì)放電的問題。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面通過在傳感器電路板外設(shè)計(jì)了金屬屏蔽罩，用于均勻內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)分布，并通過ANSYS 仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，傳感器的澆注工藝方面，必須保證澆注后傳感器內(nèi)部無氣泡。

傳感器在高溫環(huán)境中工作也是本研究的難點(diǎn)之一，本設(shè)計(jì)采用電壓感應(yīng)取能，傳感器采用低功耗電路設(shè)計(jì)，基于Zigbee 協(xié)議的低功耗通信模塊，確保微弱能量情況下工作，傳感器運(yùn)行時(shí)的工作電流為微安級(jí)，通訊瞬時(shí)電流15mA。同時(shí)，傳感器應(yīng)考慮高溫環(huán)境下的正常工作，因此，傳感器選用的材料能夠保障60℃以上的環(huán)境溫度穩(wěn)定運(yùn)行，150℃時(shí)數(shù)據(jù)能正常測(cè)量，280℃時(shí)傳感器內(nèi)部元器件不發(fā)生形變或損壞。

無線信號(hào)傳輸采取抗干擾措施，在元器件選擇上采用抗干擾力強(qiáng)，溫度范圍廣的器件。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)根據(jù)規(guī)則充分考慮EMC 特性。最后，傳感器信號(hào)傳輸采用ZigBee協(xié)議進(jìn)行無線傳輸，ZigBee采用O-QPSK信號(hào)調(diào)制方式，自身具有很強(qiáng)的抗干擾和糾錯(cuò)能力。

3.3 提高絕緣與避免局放

由于測(cè)溫傳感器集成在電纜絕緣堵頭內(nèi)部，因此如何確保絕緣強(qiáng)度，避免局放產(chǎn)生是設(shè)計(jì)的核心要素之一。測(cè)溫傳感器優(yōu)化電路板設(shè)計(jì)，將所有的器件集成在很小的環(huán)型電路板內(nèi)，確保電路板安裝在絕緣堵頭銅金屬件內(nèi)，不會(huì)因?yàn)閭鞲衅鞯拇嬖诙档铜h(huán)氧樹脂的厚度。

傳感器依靠分壓原理獲取能量，需要在高壓與接地端中間布置一金屬電極。該電極的布置在高壓電場(chǎng)中會(huì)形成懸浮電極，造成較大的局部放電。為了避免懸浮電極產(chǎn)生局放，需要在取能電路中充分考慮。依靠取能電路穩(wěn)定工作，且充放電頻率匹配來確保懸浮電極無局放產(chǎn)生。

4 數(shù)據(jù)處理與告警機(jī)制

4.1 軟件抗干擾設(shè)計(jì)

測(cè)溫傳感器與采集器之間采用無線傳輸方式，無線信號(hào)在傳輸中，易收到外界干擾而造成誤傳、誤收和信號(hào)無法接收等情況。為提高可靠性，載軟件設(shè)計(jì)方面，通過以下幾種措施解決：

CRC 循環(huán)冗余校驗(yàn)：循環(huán)冗余校驗(yàn)對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容和CRC算法，得到16比特的CRC校驗(yàn)碼，填充在幀的CRC 部分發(fā)送給接收方。若接收方對(duì)接收到數(shù)據(jù)和CRC算法進(jìn)行計(jì)算，得到16比特的CRC校驗(yàn)碼如果和數(shù)據(jù)傳輸部分的CRC 吻合，則發(fā)送時(shí)沒有出現(xiàn)比特錯(cuò)誤；若不吻合，則發(fā)送時(shí)出現(xiàn)比特錯(cuò)誤，丟棄該數(shù)據(jù)。

防碰撞與無線信道監(jiān)測(cè)機(jī)制：ZigBee采用的是CSMA/CA（載波監(jiān)聽多路訪問）的防碰撞機(jī)制。送出數(shù)據(jù)前，監(jiān)聽媒體狀態(tài)，等沒有人使用媒體，維持一段時(shí)間后，再等待一段隨機(jī)的時(shí)間后依然沒有人使用，才送出數(shù)據(jù)。由于每個(gè)設(shè)備采用的隨機(jī)時(shí)間不同，所以可以減少?zèng)_突的機(jī)會(huì)?；蛘咚统鰯?shù)據(jù)前，先送一段小小的請(qǐng)求傳送報(bào)文給目標(biāo)端，等待目標(biāo)端回應(yīng)報(bào)文后，才開始傳送。

4.2 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存

數(shù)據(jù)采集終端收到傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲(chǔ)。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上，按照隊(duì)列的先進(jìn)先出法制進(jìn)行存儲(chǔ)，支持3年的歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

4.3 告警與防誤報(bào)機(jī)制

無線測(cè)溫系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與處理后的數(shù)據(jù)，在就地或通過后臺(tái)顯示溫度值，當(dāng)設(shè)備發(fā)生溫度異?；蛴捎诰€路中的諧波等干擾因素造成誤報(bào)，系統(tǒng)將根據(jù)傳感器采集的溫度絕對(duì)值、絕對(duì)溫差、相對(duì)溫差（三相不平衡）、歷史趨勢(shì)這五項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析，發(fā)出報(bào)警信號(hào)或閉鎖報(bào)警。數(shù)據(jù)采集終端針對(duì)每個(gè)測(cè)溫傳感器進(jìn)行告警設(shè)置，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)定的閾值進(jìn)行比較判斷。具體邏輯如圖5所示，當(dāng)狀態(tài)處于正常時(shí)，監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)突然超出允許波動(dòng)范圍，裝置記錄次數(shù)，若記錄次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)次數(shù)時(shí)，裝置發(fā)出告警信號(hào)，否則進(jìn)入休眠狀態(tài)；當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過波動(dòng)范圍時(shí)間持續(xù)達(dá)到時(shí)間閾值時(shí)，產(chǎn)生告警信息并發(fā)送。這種多次超限統(tǒng)計(jì)判斷告警模式，可避免周邊電磁干擾帶來的誤報(bào)問題。

圖5 告警與防誤報(bào)程序邏輯

圖6 G01柜溫度監(jiān)測(cè)曲線圖

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

本系統(tǒng)經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試，并在廣州某智能配電房項(xiàng)目中開展了掛網(wǎng)運(yùn)行。該智能配電房?jī)?nèi)安裝12 面智能環(huán)網(wǎng)柜，分別由10kV 南翔F20 與10kV 石橋F16 進(jìn)行環(huán)網(wǎng)型供電。在每面開關(guān)柜A、B、C三相電纜頭內(nèi)分別安裝1只無線測(cè)溫傳感器，每段母線安裝1 套數(shù)據(jù)采集終端，傳感器與數(shù)據(jù)采集終端之間采用Zigbee協(xié)議自組網(wǎng)通信。數(shù)據(jù)采集終端通過RS485總線與該房的智能電房監(jiān)控終端連接，數(shù)據(jù)經(jīng)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)侥彻╇娋种髡?，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。經(jīng)過3 個(gè)月的掛網(wǎng)試運(yùn)行和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確可靠，能在后臺(tái)實(shí)時(shí)掌握環(huán)網(wǎng)柜的溫度變化，為該運(yùn)行單位減少了線下運(yùn)維工作量。圖1摘取該房G01柜2019年10-12月監(jiān)測(cè)溫度繪制的曲線圖，運(yùn)行人員能準(zhǔn)確掌握開關(guān)柜的運(yùn)行溫度變化趨勢(shì)，運(yùn)行期間未曾發(fā)生數(shù)據(jù)誤報(bào)信息。

6 結(jié)束語

隨著數(shù)字電網(wǎng)與配電物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)配電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)全面感知、數(shù)字化以及全面可觀、可測(cè)、可控是配電物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。開關(guān)柜的電連接處溫度過高或者升高過快，對(duì)開關(guān)柜的安全可靠運(yùn)行的影響十分重大[5-8]，而基于Zigbee 通信的高壓感應(yīng)取電測(cè)溫技術(shù)，具有測(cè)量精度高、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、成本低，可以更加全面和準(zhǔn)確的掌握環(huán)網(wǎng)柜的溫度變化曲線和健康狀況。后續(xù)工作還可以結(jié)合人工智能技術(shù)，為運(yùn)維單位實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維，進(jìn)一步提高運(yùn)維工作效率和供電可靠性。