基于無線傳感的電力系統(tǒng)溫度自動監(jiān)測

韓慕堯

（三峽大學，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

近年來，電力系統(tǒng)趨向大規(guī)模、自動化以及超高壓模式，是一個國家社會進步和科技發(fā)展的顯著標志，代表著國家經(jīng)濟的高度發(fā)展和人們物質(zhì)水平的極大提升。電力系統(tǒng)包括發(fā)電場所和輸電電路等，其中溫度是衡量其運行的重要參數(shù)之一。電力系統(tǒng)運行中發(fā)生的異常溫度變化可能隨時危害電力的安全生產(chǎn)、運輸及分配工作，因此及時獲取電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)溫度數(shù)據(jù)和溫度異常警報對于約束惡性電力故障意義重大[1]。無線傳感監(jiān)測技術(shù)通過布局多個溫度傳感器形成無線傳感溫度采集網(wǎng)絡，以無線網(wǎng)絡為介質(zhì)將采集的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C控制端進行數(shù)據(jù)處理，以可視化方式集中顯示。若溫度不符合標準溫度區(qū)間，控制端立即發(fā)出溫度異常警報通知維修人員及時查看變壓器運行狀態(tài)[2]。無線傳感技術(shù)優(yōu)勢是節(jié)點能耗低、數(shù)據(jù)傳輸效率高以及準確度良好，利于及時定位變壓器溫度故障位置信息。為此，本次研究以電力系統(tǒng)中的變壓器設備為例進行溫度自動監(jiān)測技術(shù)研究，利用無線傳感技術(shù)設計一套低功耗和高傳輸性的溫度采集方案，為實現(xiàn)社會電力安全傳輸和避免國家經(jīng)濟損失提供保障。

1 基于ZigBee無線傳感的電力系統(tǒng)溫度自動監(jiān)測技術(shù)

1.1 ZigBee無線傳感測溫系統(tǒng)設計

圖1為基于ZigBee技術(shù)設計的無線傳感測溫系統(tǒng)總體框圖，系統(tǒng)主要包括電源模塊、溫度控制中心以及ZigBee無線溫度傳感網(wǎng)絡3部分。

圖1 ZigBee無線溫度傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)布局

1.1.1 電源模塊

電源模塊作為ZigBee無線溫度傳感網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點與通信模塊的能量來源，使用V21B壓電式微能量采集器向系統(tǒng)提供電源能量。采集器采集環(huán)境中振動信號產(chǎn)生機械能，基于壓電原理將機械能轉(zhuǎn)化為電能使用，實現(xiàn)電源模塊自動充電[3]。基于V21B微能量采集器設計的電源模塊具有可靠性極強、靈敏度優(yōu)、生命周期較長以及占用空間較少的優(yōu)勢，是無線傳感系統(tǒng)供電的有利之選。

1.1.2 溫度控制中心

溫度控制中心是系統(tǒng)的核心部分，包括數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)庫服務器以及數(shù)據(jù)查詢模塊等。自動實時監(jiān)控模塊的功能是監(jiān)測傳感器節(jié)點的狀態(tài)信息，及時了解工作中和待命中傳感器的狀態(tài)參數(shù)，以便切換其工作狀態(tài)[4]。控制中心的主要功能是將采集的數(shù)據(jù)進行集中處理，一方面存儲在數(shù)據(jù)庫，作為用戶查詢與維修工作的依據(jù)，另一方面作為變壓器溫度實時監(jiān)測的制定依據(jù)，完成變壓器溫度數(shù)據(jù)的接收、處理、顯示、存儲、整合以及分析。

1.1.3 ZigBee無線溫度傳感網(wǎng)絡

系統(tǒng)將MPU6050傳感器作為溫度測量設備，使用ZigBee通信技術(shù)進行無線溫度傳感。MPU6050傳感器與ZigBee通信技術(shù)聯(lián)合作用組成終端溫度采集節(jié)點，布局在電力系統(tǒng)變壓器周圍實時采集溫度數(shù)據(jù)[5]。此外，系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡介質(zhì)為GPRS網(wǎng)絡。GPRS可以遠距離傳輸溫度數(shù)據(jù)，向數(shù)據(jù)控制端發(fā)送數(shù)據(jù)包。

1.2 自適應自動溫度采樣技術(shù)設計

在ZigBee無線溫度傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)中，消耗能量最多的是溫度采集與溫度數(shù)據(jù)通信兩個環(huán)節(jié)。為了節(jié)約無線傳感節(jié)點能量消耗，有必要減少不必要的數(shù)據(jù)傳輸，避免發(fā)生電能供應不足導致的溫度采集中斷，從而穩(wěn)定電力系統(tǒng)變壓器的溫度采集工作。針對這一情況，參考張永超等人的研究，基于自適應采集策略減少變壓器溫度采集頻率[6]。該策略以變壓器溫度變化情況自適應調(diào)整溫度數(shù)據(jù)采集和發(fā)送的頻次，減少數(shù)據(jù)丟失幾率。

自適應自動測溫策略設計如下。以變壓器的溫度數(shù)據(jù)為依據(jù)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)采樣頻次，此處設置一個溫度閾值t，如果連續(xù)兩次溫度數(shù)據(jù)采樣的差超過t值，則傳感器節(jié)點執(zhí)行向控制端無線發(fā)送溫度數(shù)據(jù)的命令，反之無需發(fā)送。利用公式描述上述關系，定義采樣周期為n，相鄰兩次采樣的溫度數(shù)據(jù)表示為Tn和Tn+1，那么傳感器節(jié)點向溫度數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的前提是Tn滿足式（1）：

可見，傳感器節(jié)點向控制中心發(fā)送變壓器溫度數(shù)據(jù)的頻次由閾值t與溫度差值間的關系決定。因為微弱的溫度變化很難引起較大的變壓器狀態(tài)波動，所以該策略保障溫度數(shù)據(jù)變化較小的情況下可以忽略第二次溫度數(shù)據(jù)發(fā)送，減少節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的能量消耗。

當多次連續(xù)溫度采樣值的差值均在閾值t以下時，也就是較長時間內(nèi)當前采樣值與上一次發(fā)送溫度數(shù)據(jù)均小于閾值，此時定義Hn為較長時間內(nèi)無發(fā)送數(shù)據(jù)的第n次采樣值，并將Hn發(fā)送到溫度數(shù)據(jù)處理模塊作為變壓器溫度監(jiān)控的參考依據(jù)。綜上可知，自適應自動溫度采樣技術(shù)可以減少冗余采樣信息發(fā)送，同時科學依據(jù)變壓器溫度變化情況定義采樣的頻次與時間間隔，滿足了低功耗電力系統(tǒng)溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設計需求。

1.3 基于LabVIEW的溫度數(shù)據(jù)存儲與顯示

LabVIEW是一種圖形化編輯語言。本次電力變壓器溫度無線傳感系統(tǒng)基于LabVIEW構(gòu)思顯示界面，設計數(shù)據(jù)分析與顯示界面。利用LabVIEW軟件作為數(shù)據(jù)存儲和顯示設計程序，主要實現(xiàn)了以下功能。

1.3.1 溫度數(shù)據(jù)自動存儲功能

電力系統(tǒng)變壓器溫度監(jiān)測不僅要發(fā)現(xiàn)異常溫度數(shù)據(jù)了解設備故障，更要掌握一段時間內(nèi)變壓器的溫度變化情況，通過數(shù)據(jù)挖掘發(fā)現(xiàn)設備發(fā)生溫度異常故障的原因，因此長時間內(nèi)精準記錄變壓器的溫度數(shù)據(jù)尤為關鍵。LabVIEW軟件集成了專業(yè)化的數(shù)據(jù)記錄控件，為溫度監(jiān)測系統(tǒng)編寫個性化的驅(qū)動程序，自動化記錄各個時期的變壓器溫度數(shù)據(jù)，相比人工記錄提高了溫度數(shù)據(jù)存儲的安全系數(shù)[7]。

1.3.2 溫度數(shù)據(jù)顯示功能

以油浸式變壓器為例，LabVIEW控制中心軟件可以同時呈現(xiàn)變壓器上部油溫與下部油溫，如圖2所示。界面右端布局了一些常用的溫度監(jiān)測應用功能，如開始/終止監(jiān)測、讀取數(shù)據(jù)、打印曲線報表以及獲取節(jié)點狀態(tài)信息等指令[8]。當變壓器出現(xiàn)高溫或者低溫異常時，系統(tǒng)會自動發(fā)出警報，同時對應的指示燈亮起。

圖2 變壓器溫度顯示界面

1.3.3 可視化溫度報表打印功能

LabVIEW集成了打印程序設計功能，賦予了監(jiān)測系統(tǒng)打印溫度監(jiān)測曲線的功能。打印機等硬件設備與打印程序連接成功后，即可執(zhí)行打印命令。用戶進入打印頁面選擇正確的報表類型，創(chuàng)建新的報表，然后確定報表打印的日期區(qū)間，核對單位名稱等信息獲得對應的曲線圖像，將其添加至打印列表完成打印。

2 測試與分析

為了測試本文提出的無線傳感溫度監(jiān)測方法的有效性，以電力系統(tǒng)油浸式變壓器為監(jiān)測對象搭建無線傳感監(jiān)測實驗環(huán)境。實驗采用的無線溫度傳感采集系統(tǒng)如圖1所示。

2.1 溫度監(jiān)測精度分析

實驗連續(xù)監(jiān)測24 h內(nèi)變壓器上層油溫變化情況，每隔一定時間人為測量上層油溫。3人對人工測量數(shù)據(jù)進行反復確認，保障測量數(shù)據(jù)的精準度，并將此數(shù)據(jù)作為真實上層油溫數(shù)據(jù)與本文方法測量的數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果如圖3所示。

圖3 變壓器油溫監(jiān)測結(jié)果對比

圖3記錄了每隔4 h的溫度數(shù)據(jù)采集情況，每個時間節(jié)點上溫度采集數(shù)值基本一致，最大差值不超過1 C°，從而證明本文方法采集電力變壓器溫度的可靠性較強，可以作為有效溫度數(shù)據(jù)使用。

2.2 溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸量分析

本文方法應用自適應溫度采樣策略采集電力變壓器的溫度數(shù)據(jù)，為突出本文方法節(jié)約數(shù)據(jù)傳輸量的優(yōu)越性，同時采用不增加自適應采集策略的測溫方法進行對比測試。記錄兩種方法在8 h內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)包情況，結(jié)果如表1所示。

表1 兩種方法數(shù)據(jù)傳輸量對比

表1數(shù)據(jù)顯示，2:00—3:00自適應測樣策略自動傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包為14組，而固定模式策略傳輸了25組數(shù)據(jù)包。隨著采樣時間的增加，固定模式策略發(fā)送數(shù)據(jù)包的總量遠遠超出自適應測樣策略。可見，本文方法應用自適應測樣策略獲取電力變壓器溫度信息，有效節(jié)約了數(shù)據(jù)包發(fā)送次數(shù)，減少了系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的能量消耗，實現(xiàn)了低功耗溫度采集。

4 結(jié) 論

本文以無線傳感技術(shù)為核心設計了低功耗電力變壓器溫度采集方案，具有兩點優(yōu)勢。一是采用ZigBee無線傳感技術(shù)構(gòu)造無線測溫系統(tǒng)，節(jié)約溫度采集節(jié)點的能量消耗。二是基于自適應采用策略調(diào)整溫度采集和數(shù)據(jù)發(fā)送的頻次，減少冗余溫度數(shù)據(jù)發(fā)送的次數(shù)，節(jié)約系統(tǒng)能量消耗。無線傳感測溫方法減少了布線測溫的煩瑣步驟，數(shù)據(jù)傳輸依靠網(wǎng)絡介質(zhì)完成。本文設計的無線測溫系統(tǒng)在LabVIEW軟件輔助下呈現(xiàn)了良好的數(shù)據(jù)顯示界面體驗感，并在系統(tǒng)測試環(huán)節(jié)驗證了本文方法的可靠性，具有一定的市場應用價值。