劉德勝 羅進(jìn)響 張宗淼 陳泳舟 陳淵楠

（珠海康晉電氣股份有限公司）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備在能源傳輸和配電系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色。然而，由于長(zhǎng)期運(yùn)行、環(huán)境因素以及設(shè)備自身因素的影響，高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的溫升異常問(wèn)題一直是電力行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)之一[1]。這種溫升異常可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備性能下降、損壞甚至故障，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成潛在威脅。24kV高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備與普通開(kāi)關(guān)設(shè)備相比，在溫度上通常有著更嚴(yán)格的要求和更高的關(guān)注度[2]。這是因?yàn)楦邏洪_(kāi)關(guān)設(shè)備通常承載更大的電流和電壓，其運(yùn)行環(huán)境更為惡劣，所以溫度異常會(huì)更加危險(xiǎn)和嚴(yán)重。此外，高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的故障可能會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)和用電設(shè)備造成嚴(yán)重的影響，因此需要更加密切地監(jiān)測(cè)和管理其溫度情況。針對(duì)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)一般會(huì)設(shè)計(jì)得更為敏感和精確，以確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫升異常并采取相應(yīng)的措施，維護(hù)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3]。因此，對(duì)24kV高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備溫升異常的識(shí)別方法進(jìn)行深入研究具有重要意義。有效的溫升異常識(shí)別可以幫助運(yùn)營(yíng)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，采取預(yù)防性維護(hù)措施，最大程度地減少設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性[4]。此外，溫升異常識(shí)別方法的研究也有助于制定更為精準(zhǔn)的設(shè)備管理策略，提高設(shè)備運(yùn)行效率，降低維護(hù)成本，并為電力系統(tǒng)的智能化健康發(fā)展提供重要支撐。因此，該研究具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義。

顧朝敏等人[5]提出一種電力開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)方案，將溫度感知層部署在關(guān)鍵部位的溫度傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)感知關(guān)鍵部位的溫度變化情況，利用有線通信層接收溫度感知層傳來(lái)的數(shù)據(jù)，利用LoRa通信技術(shù)進(jìn)行無(wú)線傳輸，傳輸至監(jiān)控中心后，采用后處理層進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)。曹俊磊等人[6]將光纖光柵溫度傳感器安裝至開(kāi)關(guān)柜中，采集開(kāi)關(guān)柜溫度數(shù)據(jù)，利用自回歸系數(shù)，構(gòu)建溫度預(yù)測(cè)模型，將溫度差值與上升幅度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，組建溫度異常警告模型。

基于以上已有研究，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備溫升識(shí)別的效率和精準(zhǔn)度，以24kV高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一種溫升異常識(shí)別方法。

1 24kV高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備溫升異常識(shí)別

1.1 溫升識(shí)別架構(gòu)設(shè)計(jì)

Zigbee作為一種低功耗、短距離的無(wú)線通信協(xié)議，非常適合于高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備這種需要長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行、但又具有嚴(yán)格能源消耗要求的場(chǎng)景。Zigbee支持Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多對(duì)一的通信特性，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸和集中控制中心的數(shù)據(jù)收集，適應(yīng)了高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備分布廣泛且數(shù)量眾多的特點(diǎn)。此外，Zigbee協(xié)議本身具有良好的抗干擾特性，有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，采用Zigbee作為高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備溫升識(shí)別的通信手段，有利于降低能耗、提高傳輸效率，并確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸和處理。

利用Zigbee設(shè)計(jì)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備溫升識(shí)別架構(gòu)的原理如下。

1）傳感器采集：首先，在高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備上布置溫度傳感器，通過(guò)Zigbee模塊將傳感器實(shí)時(shí)采集到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)采集器或集中控制中心。

2）數(shù)據(jù)傳輸：Zigbee作為一種低功耗、短距離的無(wú)線通信協(xié)議，可以將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，支持多對(duì)一的通信特性，適合于設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。

3）數(shù)據(jù)處理與分析：數(shù)據(jù)采集器或集中控制中心收集來(lái)自各個(gè)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，例如判斷是否出現(xiàn)異常情況。

4）報(bào)警與預(yù)防措施：一旦監(jiān)測(cè)到溫度異常，系統(tǒng)可以立即發(fā)出警報(bào)，通知相關(guān)人員進(jìn)行處理，或者根據(jù)預(yù)設(shè)的策略自動(dòng)采取預(yù)防措施，如停機(jī)、切斷電源等，以確保設(shè)備和運(yùn)行安全。

該架構(gòu)包括以下幾個(gè)結(jié)構(gòu)和模塊：溫度傳感器、Zigbee模塊、數(shù)據(jù)采集器或集中控制中心、報(bào)警系統(tǒng)、相關(guān)的預(yù)防措施執(zhí)行單元、用戶(hù)界面與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)，如圖1所示。

圖1 高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備溫升識(shí)別架構(gòu)圖

1.2 高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備溫升監(jiān)測(cè)

按照安裝示意圖2，首先在高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備上選擇合適的位置安裝DS18B20溫升傳感器，將傳感器連接到相應(yīng)的電源和接口上，并嚴(yán)格按照傳感器的安裝說(shuō)明進(jìn)行操作。DS18B20傳感器通過(guò)單總線接口與控制器進(jìn)行通信，因此需要將傳感器的數(shù)據(jù)線連接至微處理器的數(shù)據(jù)采集接口上。設(shè)計(jì)并編寫(xiě)程序，使得控制器能夠通過(guò)單總線接口與DS18B20傳感器進(jìn)行通信，并獲得溫度數(shù)據(jù)。這個(gè)程序需要負(fù)責(zé)初始化傳感器、發(fā)起溫度測(cè)量指令、接收并解析傳感器返回的數(shù)據(jù)，最終得到準(zhǔn)確的溫度數(shù)值?？刂破靼凑粘绦蛟O(shè)計(jì)的方式對(duì)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后可以在控制器內(nèi)部存儲(chǔ)、處理這些數(shù)據(jù)，或者通過(guò)通信接口將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給上位系統(tǒng)或監(jiān)控中心，以做進(jìn)一步的分析與處理。

圖2 DS18B20溫升傳感器

所選用的DS18B20溫升傳感器相關(guān)物理參數(shù)如表1所示，其具備高分辨率與耐熱力，既能保證識(shí)別正確性，還能確保適用范圍。

表1 DS18B20溫升傳感器物理參數(shù)

1.3 高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備溫升異常識(shí)別

1.3.1 判定指標(biāo)

單一的判定指標(biāo)存在過(guò)于片面的弊端，為提升識(shí)別靈敏度，采用多指標(biāo)相融合的策略，判斷高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的溫升異常狀況。多指標(biāo)相融合的優(yōu)勢(shì)在于其能夠綜合考慮多個(gè)方面的信息，減少單一指標(biāo)帶來(lái)的片面性和誤判風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)將多種傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，可以提高系統(tǒng)對(duì)設(shè)備狀態(tài)變化的感知能力，增強(qiáng)對(duì)異常情況的識(shí)別和預(yù)警能力，從而有效提升識(shí)別的準(zhǔn)確性和靈敏度。此外，多指標(biāo)相融合還有利于從全局的角度對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，為系統(tǒng)維護(hù)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防提供更加全面的參考依據(jù)。

1）多級(jí)溫升閾值A(chǔ)。多級(jí)溫升閾值是指根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的不同設(shè)定不同的溫升閾值，例如低負(fù)載狀態(tài)下可以允許較高的溫升，而在高負(fù)載狀態(tài)下則需要更嚴(yán)格的溫升限制。這種策略能夠更準(zhǔn)確地反映設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)，提高對(duì)異常情況的識(shí)別靈敏度。計(jì)算式為：

式中，所選時(shí)間段的起始時(shí)間與終止時(shí)間分別為t1、tn，該時(shí)段的預(yù)測(cè)溫升均值為，起始時(shí)與終止時(shí)的預(yù)測(cè)溫升各為T(mén)(1)、T(n)，預(yù)測(cè)的t2時(shí)刻溫升為T(mén)(2)。

2）相對(duì)溫差比值B。相對(duì)溫差比值是指通過(guò)比較同一設(shè)備不同位置的溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算出它們之間的相對(duì)溫差比值，利用這種方法可以消除環(huán)境溫度變化對(duì)溫升判斷的影響，更加準(zhǔn)確地評(píng)估設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)的變化情況。計(jì)算式為：

3）相間溫升差值C。相間溫升差值是指對(duì)比同一電氣設(shè)備不同相之間的溫升情況，通過(guò)分析相間溫升差值的變化，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部可能存在的故障或不均衡狀態(tài)，從而提前預(yù)警并采取措施避免進(jìn)一步惡化。假設(shè)相間的溫度的最大值與最小值分別是Tmax、Tmin，計(jì)算式為：

4）溫度增加幅度D。溫度增加幅度是指在一段時(shí)間內(nèi)溫度的變化量，通常用來(lái)衡量設(shè)備溫度快速上升的程度。通過(guò)監(jiān)測(cè)和分析溫度增加幅度，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行異常或故障狀態(tài)，提前采取預(yù)防措施，以避免設(shè)備過(guò)熱、損壞或造成安全隱患。溫度增加幅度的監(jiān)測(cè)對(duì)于預(yù)警系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)維具有重要意義，有助于保障設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和安全性。計(jì)算式為：

1.3.2 開(kāi)關(guān)設(shè)備溫升異常識(shí)別模型

基于以上指標(biāo)值，利用DS18B20溫升傳感器采集開(kāi)關(guān)設(shè)備溫升數(shù)據(jù)，采用差分自回歸移動(dòng)平均模型ARIMA(p,d,q)，預(yù)測(cè)溫升。將異常溫度數(shù)值與上述指標(biāo)閾值進(jìn)行對(duì)比，若超過(guò)閾值，則輸出識(shí)別結(jié)果。溫升識(shí)別模型如圖3所示。

圖3 開(kāi)關(guān)設(shè)備溫升異常識(shí)別模型示意圖

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

選取某24kV中壓電網(wǎng)中的SF6氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備作為測(cè)試對(duì)象，將DS18B20溫升傳感器安裝在該設(shè)備上，采集其溫度變化數(shù)據(jù)。設(shè)置設(shè)備的溫升異常程度等級(jí)，如表2所示。

表2 高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備溫升異常識(shí)別等級(jí)結(jié)果

1）正常工作范圍：設(shè)備在正常工作范圍內(nèi)，無(wú)溫升異常，正常運(yùn)行；

2）輕微異常：溫升略高于正常范圍，可能受環(huán)境溫度等外部影響，需要密切觀察；

3）中度異常：溫升明顯超出正常范圍，可能存在潛在故障隱患，需要及時(shí)關(guān)注和處理；

4）嚴(yán)重異常：溫升嚴(yán)重超標(biāo)，已經(jīng)影響設(shè)備性能，需要緊急處理以避免設(shè)備損壞或事故發(fā)生；

5）危急異常：溫升達(dá)到危險(xiǎn)水平，可能對(duì)設(shè)備、人員和電網(wǎng)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，需要立即采取緊急措施；

6）緊急停機(jī)：當(dāng)溫升達(dá)到這一等級(jí)時(shí)，應(yīng)當(dāng)立刻停機(jī)檢修，以防止設(shè)備損壞和事故發(fā)生。

為驗(yàn)證研究方法的異常溫升識(shí)別的準(zhǔn)確性，設(shè)定實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為1000min，對(duì)比研究方法識(shí)別出的溫度升高程度與預(yù)先設(shè)定的已知溫升的差異性。為突出研究方法性能，以文獻(xiàn)[5]方法和文獻(xiàn)[6]方法為對(duì)比組，實(shí)現(xiàn)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。具體結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫升幅度的識(shí)別結(jié)果

根據(jù)圖4可知，研究方法識(shí)別結(jié)果與真實(shí)溫升具有極高的一致性。這是因?yàn)檠芯糠椒ńY(jié)合了多種指標(biāo)綜合分析高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的溫升情況，將Zigbee技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸，利用DS18B20溫升傳感器采集實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)并將其傳輸至監(jiān)控中心。在識(shí)別方法中，多級(jí)溫升閾值、相對(duì)溫差比值、相間溫升差值以及溫度增加幅度指標(biāo)的融合，能夠全面考量設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并結(jié)合Zigbee技術(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫升情況的快速監(jiān)測(cè)和分析。通過(guò)將異常溫度數(shù)值與指標(biāo)閾值進(jìn)行對(duì)比，可以更加準(zhǔn)確地識(shí)別出設(shè)備的溫升異常狀況。

下面驗(yàn)證識(shí)別時(shí)延指標(biāo)，以測(cè)試研究方法的應(yīng)用效率。設(shè)定實(shí)驗(yàn)次數(shù)為1000次，每間隔100次記錄不同方法的應(yīng)用時(shí)延，對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖5 識(shí)別反應(yīng)時(shí)間示意圖

根據(jù)圖5可知，與文獻(xiàn)方法相比，研究方法的時(shí)延顯著更低，可控制在2ms以下。這是因?yàn)檠芯糠椒ɡ肸igbee技術(shù)，結(jié)合快速響應(yīng)的DS18B20傳感器和多指標(biāo)融合分析的方法，能夠在短時(shí)間內(nèi)快速完成對(duì)24kV高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備溫升異常的識(shí)別，從而有效降低了識(shí)別的時(shí)延。

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究通過(guò)利用Zigbee技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新的24kV高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備溫升異常識(shí)別方法，將DS18B20溫升傳感器與多項(xiàng)指標(biāo)融合分析相結(jié)合，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備溫升異常的快速而準(zhǔn)確的識(shí)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠顯著降低識(shí)別過(guò)程的時(shí)延，并提高溫升識(shí)別的精度，為提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常狀態(tài)提供了有力支持。

未來(lái)，這一方法有望在電力系統(tǒng)領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用，可以應(yīng)用于變電站、配電網(wǎng)等24kV高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的溫升異常監(jiān)測(cè)與預(yù)警。同時(shí)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將更多的設(shè)備納入監(jiān)測(cè)范圍，進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。這一研究成果有著廣闊的應(yīng)用前景，有望為電力設(shè)備運(yùn)維管理提供更可靠的技術(shù)支持，促進(jìn)電力系統(tǒng)的智能化發(fā)展。