基于ZigBee技術(shù)的高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)

趙炳成，沈立新，丁周松

（蕭山供電局，杭州 311200）

目前絕大多數(shù)高壓設(shè)備均采用封閉式結(jié)構(gòu)。由于開關(guān)柜體的密閉性設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的測溫方式已無法對高壓開關(guān)柜內(nèi)的設(shè)備安全準(zhǔn)確測溫，因而不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)柜內(nèi)設(shè)備的發(fā)熱點(diǎn)，設(shè)備的安全可靠性也得不到有效保證。本文介紹一種新型高壓開關(guān)柜在線監(jiān)測方法，運(yùn)用基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過在開關(guān)柜內(nèi)合理布置數(shù)字溫度傳感器，從而獲得開關(guān)柜實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)測溫原理及結(jié)構(gòu)組成

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)由溫度采集終端、數(shù)據(jù)集中器和監(jiān)測主機(jī)3部分組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用無線通信技術(shù)進(jìn)行高壓隔離和信號傳輸，較好地解決了采集終端和顯示終端高/低電壓的隔離傳輸，保證了開關(guān)柜原有的絕緣性能。

1.2 測溫工作原理

溫度采集終端安裝在開關(guān)柜斷路器高壓觸臂上，由數(shù)字溫度傳感器、微處理器及ZigBee通信芯片等部分組成，負(fù)責(zé)采集開關(guān)柜斷路器A，B，C三相的上、下觸頭溫度，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將采集到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)集中器。數(shù)據(jù)集中器安裝在開關(guān)柜的保護(hù)柜門上，負(fù)責(zé)接收溫度采集終端發(fā)送的溫度信號，將處理結(jié)果顯示在就地液晶面板，并通過RS-485通訊總線將采集數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控主機(jī)。監(jiān)控主機(jī)安裝溫度監(jiān)測分析軟件，并以輪詢的方式采集各設(shè)備溫度。系統(tǒng)監(jiān)測軟件對接收到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、分析，如果溫度超過報(bào)警值則產(chǎn)生報(bào)警信號，并上報(bào)調(diào)度SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控）系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

高壓開關(guān)柜在高電壓、大電流的狀態(tài)下運(yùn)行，事故瞬間還會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的電磁暫態(tài)過程，這些都將產(chǎn)生強(qiáng)電場、磁場及強(qiáng)電磁干擾，對微電子系統(tǒng)及微弱信號處理非常不利。為了消除這些干擾，必須同時(shí)采用軟、硬件抗干擾措施，在軟件設(shè)計(jì)上應(yīng)用數(shù)字編碼、解碼技術(shù)，剔除干擾信號；在硬件上采用金屬屏蔽，加強(qiáng)各級濾波，消除高頻干擾。為消除隨機(jī)干擾，利用觸頭溫度變化相對較緩慢的特點(diǎn)，對檢測點(diǎn)信號循環(huán)發(fā)送、多次采集，排除異常數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)可靠。

1.3 高壓側(cè)自具電源

由于無線溫度傳感器安裝在高壓開關(guān)柜內(nèi)斷路器手車的觸臂上，在設(shè)計(jì)裝置的供電電源時(shí)，必須考慮絕緣及較好的穩(wěn)定性。目前，國內(nèi)針對高壓側(cè)電子裝置電源供給問題的研究很多，較為成熟和可靠的方案是蓄電池、激光和特制電源供能。化學(xué)電池因無法連續(xù)不斷地提供穩(wěn)定、可靠的電能，而且更換特別困難，顯然不滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。激光供能系統(tǒng)相對復(fù)雜，而且成本過高。因此設(shè)計(jì)中采用在成本方面有較大優(yōu)勢的互感器取電供能方案，利用特制的穿心式電流互感器從高壓側(cè)母線感應(yīng)能量，互感器取電后經(jīng)過能量控制、整流、濾波、穩(wěn)壓等一系列措施后，最終為測溫裝置提供穩(wěn)定的電源。

為保證電流互感器能提供較為穩(wěn)定的電源，需要利用鐵心磁飽和特性，適當(dāng)選取電流互感器鐵心的截面積及鐵磁材料的導(dǎo)磁率，使其在母線流過小電流時(shí)能正常勵(lì)磁，而一旦母線上有大電流，鐵心將磁飽和，從而保證電源穩(wěn)定，再通過電子穩(wěn)壓裝置向傳感器提供穩(wěn)定可靠的電源。

1.4 系統(tǒng)監(jiān)測軟件

高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測軟件由數(shù)據(jù)庫、智能診斷、人機(jī)界面和網(wǎng)絡(luò)通信4個(gè)模塊組成。

系統(tǒng)的所有應(yīng)用程序均建立在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為系統(tǒng)提供了統(tǒng)一快速的數(shù)據(jù)訪問機(jī)制，采用共享內(nèi)存技術(shù)，每個(gè)進(jìn)程模塊都可以通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫提供的標(biāo)準(zhǔn)接口存取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。人機(jī)界面是系統(tǒng)和用戶進(jìn)行交互和信息交換的媒介，實(shí)現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與用戶可以接受的形式之間的轉(zhuǎn)換。網(wǎng)絡(luò)通信模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜現(xiàn)場測溫?cái)?shù)據(jù)采集、上報(bào)功能，并將分析軟件的數(shù)據(jù)上報(bào)調(diào)度SCADA系統(tǒng)。

智能診斷系統(tǒng)自動(dòng)記錄測溫?cái)?shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)被測設(shè)備的溫度達(dá)到預(yù)警值或告警值，并發(fā)出相應(yīng)的預(yù)警信號或告警信號時(shí)，系統(tǒng)即將告警信號自動(dòng)保存至數(shù)據(jù)庫。通過定期對比監(jiān)測點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，對測溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并結(jié)合數(shù)據(jù)庫中保存的歷史數(shù)據(jù)，對溫度呈現(xiàn)逐步升高趨勢的監(jiān)測點(diǎn)，在溫度沒有達(dá)到上限值之前進(jìn)行預(yù)警，將故障消除在萌芽狀態(tài)。

系統(tǒng)可以定期對相關(guān)歷史記錄進(jìn)行查詢，選擇相應(yīng)的搜索條件（按設(shè)備間隔或記錄時(shí)間）后查詢歷史數(shù)據(jù)。同時(shí)，系統(tǒng)也提供對記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析的功能，可對一段時(shí)間內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行分析判斷，從而能盡早發(fā)現(xiàn)故障隱患，保障電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。

2 現(xiàn)場安裝調(diào)試

由于高壓開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)各不相同，因而需要合理布置測溫終端元件的安裝位置，以保證采集溫度能正確反應(yīng)被測設(shè)備的實(shí)際溫度。

測溫終端元件在開關(guān)柜斷路器觸臂上有兩種安裝方式，分別為動(dòng)觸頭安裝和靜觸頭安裝。

（1）動(dòng)觸頭安裝方式是將測溫終端安裝在開關(guān)動(dòng)觸頭上，其優(yōu)點(diǎn)在于維護(hù)方便，一旦測溫元件損壞，只需停役故障設(shè)備間隔，單獨(dú)更換開關(guān)動(dòng)觸頭觸臂上的測溫元件即可。但由于動(dòng)觸頭經(jīng)常處于滑動(dòng)狀態(tài)，對測溫終端（特別是溫度探頭）的安裝工藝要求較高，對觸臂的絕緣要求也很高。

（2）靜觸頭安裝方式是將測溫終端安裝在開關(guān)靜觸頭上，其優(yōu)點(diǎn)是安裝簡單。因?yàn)闇y溫終端固定安裝在開關(guān)機(jī)構(gòu)的靜觸臂上，日常運(yùn)行中不存在撞擊、移動(dòng)的危險(xiǎn)，對安裝工藝及觸臂的絕緣要求相對較低。該安裝方式的缺點(diǎn)是維護(hù)成本較高。由于高壓開關(guān)柜設(shè)備中的開關(guān)靜觸頭一般安裝于系統(tǒng)母線側(cè)，一旦測溫元件故障，若需要更換測溫元件，必須停役整條母線。在目前供電可靠性要求日益提高的情況下，靜觸頭安裝方式顯然不能滿足要求。

權(quán)衡之下，決定采用動(dòng)觸頭安裝方式，通過在動(dòng)觸頭觸臂上安裝溫度采集模塊，實(shí)現(xiàn)對觸頭溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。安裝示意見圖2。

圖2 動(dòng)觸頭安裝示意

基于ZigBee技術(shù)的高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)在蕭山35 kV樓塔變電站投入試運(yùn)行后，運(yùn)行情況良好，監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)記錄完好，至今未出現(xiàn)異常情況。

3 結(jié)語

基于ZigBee技術(shù)的高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)采用ZigBee無線通信技術(shù)進(jìn)行信號傳輸，帶有傳感器的測溫模塊安裝在高電位設(shè)備的表面，與低電位接收設(shè)備之間無電氣聯(lián)系，從根本上解決了高壓絕緣問題。系統(tǒng)測溫精度高，成本低廉，且安裝方便，不受開關(guān)柜結(jié)構(gòu)的限制。通過對開關(guān)柜設(shè)備運(yùn)行溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，有效提高了開關(guān)柜設(shè)備的運(yùn)行可靠性，具有較好的工程實(shí)用性和市場推廣價(jià)值。

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