智能變電站無線溫度監控系統的設計

向 乾

漢中職業技術學院 機電工程系 陜西漢中 723002

1 研究背景

變電站作為電力系統的重要組成部分，承擔著電力轉換的重要角色，其關鍵設備的正常運行關乎電力系統的安全穩定。隨著變電站電壓等級的不斷提高，在變電站中，某些設備的缺陷很容易造成設備溫度異常，進而產生重大安全隱患。目前常用的變電站關鍵設備溫度監測方法主要有三種。第一種是采用示溫蠟片，由人工巡視蠟片的熔化狀況來判斷被測點溫度是否過高。由于巡檢周期長，效率低，監測數據無法實現共享，這一方法已不能滿足變電站智能化建設的要求[1]。第二種是采用光纖測溫。光纖測溫可以通過光纖溫度傳感器獲取溫度，再通過光纖傳輸溫度信息；也可以采用半導體熱敏電阻作為溫度傳感器，再通過光纖傳輸溫度信息。前者對光源和光信號的調制，以及接收電路的技術和穩定性要求較高，且鋪設光纖工程造價較高；后者存在半導體抗干擾能力差、光纖布線易折斷、污閃等問題，只能在較小范圍內使用[2]。第三種是采用非接觸測溫。這一方法造價相對較低，但在強磁場的變電站中普遍難以確保數據傳輸的可靠性與穩定性[3]。

紅外測溫技術屬于非接觸測溫，能有效進行高電壓隔離，安全可靠，成本低。筆者基于全球移動通信系統(GSM)與紅外技術，設計了變電站無線溫度監控系統，能夠有效完成對智能變電站關鍵設備溫度的實時在線監測，提高變電站智能巡檢與預警的效率。

2 系統硬件

智能變電站無線溫度監控系統主要由位于一次側的紅外溫度采集終端設備、高壓自具電源、RS 485傳送電路、GSM模塊、人機交互等部分組成。在監測過程中，紅外探頭實時采集被測點溫度，并將數據通過RS 485通信傳送至低壓二次側。一旦采集的溫度數據超過既定上限值，二次側設備會進行聲光報警，并通過GSM模塊將溫度異常點詳細信息傳送至指定的移動電話終端，提醒值班人員。系統硬件架構如圖1所示。

圖1 智能變電站無線溫度監控系統硬件架構

2.1 紅外溫度采集終端設備

紅外溫度采集終端設備采用MIK-AL-10型紅外探頭，如圖2所示。這一探頭屬于非接觸式測溫探頭，具有測量精度高、響應時間短、發射頻率高、耐高溫、傳輸速率快、使用安全、小巧輕便、易于安裝等特點。利用紅外溫差比較法對變電站設備進行溫升故障評定，依據設備可承受的最大溫度上升值或同類設備可承受的溫升進行判別，適合應用于負荷電流致熱型設備。紅外溫差比較法所得到的結果δ定義如下：

圖2 MIK-AL-10型紅外探頭

(1)

式中：T2為測點發熱溫度，℃；T1為測點正常溫度，℃；T0為環境溫度，℃。

當所測得的δ超過30%時，即認定測點溫度過高。圖3為紅外溫度采集終端設備的硬件構成。

圖3 紅外溫度采集終端設備硬件構成

2.2 高壓自具電源

由于變電站設備自身有電流流過，因此為紅外溫度采集終端設備設計了高壓自具電源。這一自具電源采用電流互感器取電，使用特制穿心式電流互感器從高壓側感應出電流，然后經整流、濾波、穩壓，轉化為合適的電壓，供給紅外溫度采集終端設備[4]。因為這部分能量相對于一次側而言很小，所以不會對高壓側產生影響。高壓自具電源系統原理如圖4所示。

圖4 高壓自具電源系統原理圖

電流互感器二次側的感應電動勢e2和鐵芯磁通Φ的關系為：

e2=-N2dΦ/dt

(2)

(3)

式中：N2為二次側線圈匝數；t為時間。

(4)

式中：Φm為主磁通量；f為一次側電流頻率；B為互感器磁感應強度；S為互感器橫截面積。

因電流互感器流通的電流可從幾十安波動至幾千安，因此為使紅外溫度采集終端設備獲得穩定的電源，所設計的高壓自具電源將互感出的電流依次經過前端沖擊保護模塊、整流濾波模塊、降壓模塊形成紅外溫度采集終端設備所需電壓[5]。當電流互感器一次側電流較小時，所感應出的電壓難以為紅外溫度采集終端設備提供穩定的電壓，系統便會切換為電池供電。當一次側電流較大時，則會對電池進行自動充電[6]。在實際運行過程中，若一次側發生短路故障，達到數十千安的暫態電流時，電流互感器中會產生較強的沖擊電流，但前端沖擊保護模塊和后級電路的多重保護功能可對高頻能量實現緩沖，保證系統輸出穩定的直流3.3V電壓。

2.3 RS 485傳送電路

因變電站中有較強的電磁干擾，為使數據在復雜的電磁環境中能夠穩定傳送，在系統中設計RS 485傳送電路[7-8]。這一電路采用差分方式傳送數據，提高了系統的抗干擾能力，可將獲取的數據穩定地傳送至二次側進行匯總。當數據傳送至上位機時，需要進行RS 485至RS 232的轉換，便于上位機軟件調用。

2.4 GSM模塊

當數據傳送至低壓二次側后，會分別進行匯總，同時將匯總的數據與既定溫度值進行比較。一旦發現某個被測點溫度異常，系統二次側會自動進行聲光報警，并將自動生成的報警信息通過GSM發送至指定的移動電話終端，便于進行故障排除。所使用的GSM模塊為GTM900C型，最高耐溫 80℃，通過標準通用異步收發口進行連接，具有一個通用串行總線接口和一個RS 232接口，易于和單片機進行通信[9]。在智能變電站無線溫度監控系統中，GSM主要完成報警信息發送工作，因此只需使用短信功能。

3 系統工作流程

在應用智能變電站無線溫度監控系統時，先進行設備初始化，然后根據設定的時間20s進行輪詢。輪詢開始后，由單片機向紅外探頭發送采集溫度指令，并將采集的溫度數據回傳至單片機。單片機再將獲得的數據通過RS 485通信傳送至低壓二次側，二次側設備進行溫度判定。如果溫度異常，則進行聲光報警，并通過GSM將短信發送至指定的移動電話終端[10-11]。系統工作流程如圖5所示。

圖5 系統工作流程

GSM模塊作為報警信息發送的重要設備，需要使用到AT指令。為保證系統接收AT指令運行的穩定性，需要開機后保持20s以上的時間再接收指令[12]。

4 驗證測試

將所設計的智能變電站無線溫度監控系統安裝在變電站實驗所，針對開關設備進行整體驗證測試，如圖6所示。

圖6 智能變電站無線溫度監控系統安裝示意圖

增大斷路器流過的一次側電流，測試高壓自具電源所產生的二次側電流。測試中逐漸將流經斷路器的一次側電流由20A增大至1500A,經過一段時間，發現二次側電流增幅穩定，可輸出穩定的3.3V電壓，即紅外溫度采集終端設備可以獲得穩定的電源。測試數據如圖7所示。

圖7 高壓自具電源測試數據

針對觸頭有明顯損傷的斷路器安裝5號、6號測溫節點，測試中持續增大該斷路器流經的電流，觀察二次側設備所顯示的溫度變化情況，如圖8所示。當電流較大時，斷路器上5號、6號測溫節點的溫度逐漸升高，當溫度超過既定上限值時，系統通過GSM可準確地將測溫點信息發送至指定的移動電話終端，如圖9所示。

圖8 系統監控界面

圖9 GSM信息

由測試結果可見，所設計的智能變電站無線溫度監控系統可對關鍵設備溫度進行周期性自動監控。與傳統測溫方法相比，一方面提高了工作效率，降低了設備成本和勞動強度，提高了智能化水平；另一方面也提高了測量精度，通過RS 485通信傳送可以從根本上提高系統的抗電磁干擾能力，使數據傳送的可靠性得到有效保障。

5 結束語

基于GSM與紅外技術設計了智能變電站無線溫度監控系統，具有非接觸、精度高、響應快、適應面廣等特點，在變電站電氣設備發熱缺陷診斷中可以發揮明顯的技術優勢，并降低工人作業強度，增強診斷時效性，提高設備運行可靠性。

[1] 邊瑞恩，王青，喬江峰，等.變電站紅外測溫技術綜述[J].機電信息，2016(18)： 105-106.

[2] 田俊梅，劉民凱，付文華.變電站實時全景紅外智能測溫系統研究[J].電力學報，2014，29(4)： 309-312.

[3] 徐麗華，張龍.變電站電力設備紅外智能巡檢、診斷與高效預警系統的應用研究[J].四川電力技術，2016，39(5)： 5-8，18.

[4] 李晨.變電站紅外測溫在線監測系統[J].電腦編程技巧與維護，2012(22)： 104-105.

[5] 譚湛.紅外成像測溫技術在變電站中的應用[J].電氣工程應用，2009(2)： 32-35.

[6] 薛佩姣，呂燕，張洪洋.開關電源模塊并聯供電系統的研究[J].上海電氣技術，2016,9(3)： 48-52，56.

[7] 胡琳，張明勛，姚志勇.電子式互感器的電磁兼容性能優化設計研究[J].陜西電力，2014，42(11)： 1-5.

[8] 唐忠，楊春旭，崔昊楊.基于GSM短信技術的變電站紅外溫度在線監測裝置[J].華東電力，2010，38(11)：

1753-1755.

[9] 王方，岳艷杰，邱道尹，等.基于紅外技術的變電站溫度監控[J].電網與清潔能源，2011，27(5)： 58-62.

[10] 蘇杰.淺析紅外測溫在變電站設備運行維護中的應用[J].科技創新與應用，2016(22)： 193.

[11] 向乾.基于ZigBee的中壓開關柜觸頭測溫系統研究[D].西安： 西安工程大學，2015.

[12] 時斌.光纖傳感器在高壓設備在線測溫系統中的應用[J].高電壓技術,2007,33(8)： 169-173.