基于GSM與紅外技術(shù)的溫差比較法在智能變電站中的應(yīng)用研究

向　乾

(漢中職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，陜西　漢中　723002)

變電站作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著電力轉(zhuǎn)換的重要角色，其關(guān)鍵設(shè)備的正常運(yùn)行關(guān)乎著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。隨著變電站電壓等級(jí)的不斷提高，在變電站中，一些設(shè)備缺陷很容易造成設(shè)備的溫度異常，產(chǎn)生重大的安全隱患。針對(duì)變電站溫升的監(jiān)測(cè)已有相關(guān)研究，目前常用的變電站關(guān)鍵設(shè)備溫升監(jiān)測(cè)主要有3種方案。第1種是采用示溫蠟片法，該種方法是由人工巡視蠟片的融化狀況判斷被測(cè)點(diǎn)是否溫升過(guò)高，由于巡檢周期長(zhǎng)，效率低，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)施智能共享，已不能滿足變電站智能化建設(shè)的基本標(biāo)準(zhǔn)[1]。第2種是采用光纖測(cè)溫法，光纖測(cè)溫分為兩種，分別是采用光纖溫度傳感器獲取溫度再通過(guò)光纖傳輸和利用半導(dǎo)體熱敏電阻作為溫度傳感器，將光纖作為溫度傳輸?shù)拿浇椋?dāng)使用光纖溫度傳感器獲取溫度再通過(guò)光纖傳輸時(shí)，對(duì)光源和光信號(hào)的調(diào)制以及接收電路的技術(shù)和穩(wěn)定性要求較高，且光纖的工程造價(jià)較高；當(dāng)使用半導(dǎo)體器件作為測(cè)溫探頭，將光纖作為溫度傳輸?shù)拿浇闀r(shí)，存在半導(dǎo)體抗干擾差、光纖布線易折斷、存在污閃等問(wèn)題，因此只較小范圍內(nèi)使用該方法[2]。第3種是采用無(wú)線傳輸?shù)姆椒ǎ摲N方法相對(duì)造價(jià)較低，但在強(qiáng)磁場(chǎng)的變電站中難以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c穩(wěn)定性[3]。紅外測(cè)溫技術(shù)屬于一種非接觸的測(cè)溫方式，能夠有效進(jìn)行高電壓隔離，安全可靠、成本低。本文設(shè)計(jì)了一種基于GSM技術(shù)與紅外技術(shù)的變電站溫升監(jiān)控系統(tǒng)，能夠有效完成對(duì)智能變電站關(guān)鍵設(shè)備的溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，提高了變電站智能巡檢與預(yù)警的效率。

1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與功能實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)主要由位于一次側(cè)的紅外溫度采集終端設(shè)備、TA自具電源、RS485傳輸電路、GSM模塊、人機(jī)交互等部分組成。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中紅外探頭實(shí)時(shí)采集被測(cè)點(diǎn)溫度，并將采集數(shù)據(jù)通過(guò)RS485傳輸至低壓二次側(cè)，一旦采集的溫度數(shù)據(jù)超過(guò)既定的上限值，二次側(cè)設(shè)備則會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警，并通過(guò)GSM通信模塊將溫度異常點(diǎn)詳細(xì)信息傳輸至指定的手機(jī)終端，提醒人工進(jìn)行超溫處理。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.1　紅外溫度采集終端設(shè)備

該模塊采用MEACON的MIK-AL-10型紅外探頭，如圖2所示。該探頭屬于非接觸式測(cè)溫探頭，具有測(cè)量精度高、響應(yīng)時(shí)間快、發(fā)射率高、耐高溫、傳輸速率快、使用安全、小巧輕便、易于安裝等特點(diǎn)。利用紅外溫差比較法對(duì)變電站設(shè)備進(jìn)行溫升故障評(píng)定是依據(jù)該設(shè)備可承受的最高溫度上升值或同類溫度可承受的溫度差進(jìn)行判別，比較適合應(yīng)用于負(fù)荷電流致熱型設(shè)備。該方法測(cè)量值為2個(gè)對(duì)應(yīng)測(cè)溫點(diǎn)之間的溫差與其中較熱點(diǎn)的溫升之比δ，當(dāng)所測(cè)得的百分比超過(guò)30%時(shí)，即認(rèn)定被測(cè)點(diǎn)溫升過(guò)高。紅外實(shí)時(shí)在線采集模塊的硬件構(gòu)成如圖3所示，主要由自具電源、紅外探頭、RS485接口電路組成。

圖2　MIK-AL-10型紅外探頭

圖3　紅外在線采集終端模塊硬件構(gòu)成

(1)

式中：δ為相對(duì)溫差；T2為發(fā)熱點(diǎn)溫度；T1為正常相對(duì)應(yīng)溫度；T0為環(huán)境溫度。

1.2　終端自具電源的設(shè)計(jì)

因變電站設(shè)備自身有電流流過(guò)，因此終端采集設(shè)備供電設(shè)計(jì)了自具電源，該自具電源采用電流互感取電，使用特制穿心式電流互感器從高壓側(cè)感應(yīng)出電流，然后經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓，轉(zhuǎn)化為合適的電壓，供給終端采集設(shè)備。因這部分能量相對(duì)一次側(cè)而言很小，故不會(huì)對(duì)高壓側(cè)產(chǎn)生影響。本裝置高壓側(cè)自具電源主要由電流互感器、后級(jí)處理和保護(hù)電路部分構(gòu)成[4]。高壓側(cè)自具電源系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 高壓側(cè)自具電源系統(tǒng)框圖

(2)

式中：N2是二次側(cè)線圈匝數(shù)；Φm為主磁通量；f為一次側(cè)電流頻率；B為互感器磁感應(yīng)強(qiáng)度；S為互感器橫截面積。

因互感器徑流的電流可從幾十A波動(dòng)至幾千A，為使終端采集設(shè)備獲得穩(wěn)定的電源，所設(shè)計(jì)的自具電源將互感出的電流依次經(jīng)過(guò)前端沖擊保護(hù)模塊、整流濾波模塊、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)模塊、降壓模塊以及DC/DC模塊形成高壓側(cè)溫度采集裝置所需電壓[5]。當(dāng)互感器一次側(cè)電流較小時(shí)，所感應(yīng)出的電壓難以為終端采集設(shè)備提供穩(wěn)定的電壓時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)切換電池供電，當(dāng)一次側(cè)電流較高時(shí)則會(huì)對(duì)裝置中的電池進(jìn)行自動(dòng)充電[6]。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，若一次側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，達(dá)到數(shù)十kA的暫態(tài)電流時(shí)，電流互感器中會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的的沖擊電流，但在經(jīng)過(guò)前端沖擊保護(hù)電路和后級(jí)電路的多重保護(hù)功能后可實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻能量的緩沖，可以保證系統(tǒng)輸出穩(wěn)定的直流3.3 V電壓。

1.3　RS485數(shù)據(jù)傳輸模塊

因變電站中有較強(qiáng)的電磁干擾，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在復(fù)雜的電磁環(huán)境中能夠穩(wěn)定傳輸，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)使用了RS485接口電路，該接口電路采用差分方式傳輸數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，可將獲取的數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸至二次側(cè)進(jìn)行匯總，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)時(shí)則需使用RS485轉(zhuǎn)RS232進(jìn)行轉(zhuǎn)換，便于上位機(jī)軟件進(jìn)行讀取[7-8]。

1.4　GSM模塊

當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸至低壓二次側(cè)后，會(huì)分別進(jìn)行匯總，同時(shí)將匯總的數(shù)據(jù)與既定的溫度值進(jìn)行比較，一旦發(fā)現(xiàn)某個(gè)被測(cè)點(diǎn)溫度異常，系統(tǒng)二次側(cè)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行聲光閃爍報(bào)警，并將生成的報(bào)警信息通過(guò)GSM發(fā)送至指定的手機(jī)終端，便于進(jìn)行故障排除。本裝置所使用的GSM模塊是GTM900C，最高耐溫80 ℃，它是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的UART口進(jìn)行連接的，支持標(biāo)準(zhǔn)SMS短信和AT命令及增強(qiáng)AT命令，具有一個(gè)USB接口和一個(gè)RS232接口，易于和單片機(jī)進(jìn)行通信。在本系統(tǒng)中GSM主要是完成超溫告警信息的發(fā)送，因此只需使用短信功能，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，非常適合應(yīng)用在高速數(shù)據(jù)傳輸中[9]。

2　軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中紅外終端采集設(shè)備主要任務(wù)是進(jìn)行自身設(shè)備的初始化，然后根據(jù)系統(tǒng)所設(shè)定好的時(shí)間(20 s)進(jìn)行輪詢，輪詢開(kāi)始后首先由終端設(shè)備的單片機(jī)給紅外測(cè)溫探頭發(fā)送采集溫度的指令，并將采集的溫度數(shù)據(jù)回傳至單片機(jī)，單片機(jī)再將獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)RS485總線傳輸至低壓二次側(cè)，二次設(shè)備進(jìn)行超溫判定，如果超溫則進(jìn)行聲光報(bào)警，并通過(guò)GSM傳輸至指定的手機(jī)終端[10-11]。終端采集設(shè)備工作基本流程如圖5所示。

GSM模塊作為告警信息發(fā)送的重要設(shè)備，需要使用到AT指令，為保證系統(tǒng)接受AT指令運(yùn)行的穩(wěn)定性，需要開(kāi)機(jī)后保持20 s以上的時(shí)間再接受指令[12]。圖6所示為GSM模塊初始化的基本操作流程，初始化模塊中使用了發(fā)送AT指令程序。

圖5 終端采集設(shè)備工作流程

圖6 GSM模塊初始化基本流程

3　試驗(yàn)測(cè)試

將所設(shè)計(jì)的裝置安裝在變電站試驗(yàn)所，針對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備進(jìn)行了整體試驗(yàn)測(cè)試，安裝如圖7所示。

測(cè)試1：增加斷路器流過(guò)的電流，測(cè)試終端設(shè)備自具電源所產(chǎn)生的二次電流。試驗(yàn)中逐漸將流經(jīng)斷路器的電流由20 A增至1 500 A,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)二次側(cè)電流增幅穩(wěn)定，可輸出穩(wěn)定的3.3 V電壓，可以獲得穩(wěn)定的電源。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8所示。

測(cè)試2：針對(duì)觸頭有明顯損傷的斷路器安裝5號(hào)和6號(hào)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)，試驗(yàn)中持續(xù)增加該斷路器流經(jīng)電流，觀察二次側(cè)設(shè)備所顯示的溫度變化情況。當(dāng)電流較大時(shí)，斷路器上安裝的5號(hào)和6號(hào)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的溫度逐漸增加，當(dāng)溫度超過(guò)既定的上限值，系統(tǒng)通過(guò)GSM可準(zhǔn)確將超溫點(diǎn)的信息發(fā)送至指定的手機(jī)終端。

圖7　測(cè)試裝置安裝示意圖

圖8　自具電源試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)溫度周期性的自動(dòng)測(cè)量，與傳統(tǒng)測(cè)溫方式相比，一方面提高了工作效率，降低了設(shè)備成本和勞動(dòng)(安裝)強(qiáng)度，提高了智能化水平；另一方面也增加了測(cè)量精度，通過(guò)RS485有線傳輸方式可從根本上提高系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，使數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘玫接行ПＵ稀?/p>

4　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于GSM與紅外技術(shù)的溫差比較法應(yīng)用于智能變電站溫升監(jiān)控系統(tǒng)中，具有非接觸、精度高、響應(yīng)快、適應(yīng)面廣等特點(diǎn)，在變電站電氣設(shè)備發(fā)熱缺陷診斷中的應(yīng)用發(fā)揮出明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，降低了人工作業(yè)強(qiáng)度，增強(qiáng)了診斷的時(shí)效

性，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，為同類設(shè)備應(yīng)用提供一定參考。