物聯網技術在發電廠220kV隔離刀閘無線測溫的應用

郭凱華 董 明 姜春雨

（華能上安電廠，河北 石家莊 050399）

0 引言

根據《防止電力生產事故的二十五項重點要求》中要求，開展隔離刀閘溫度檢測，對溫度異常的隔離刀閘進行監測、分析和處理，防止導電回路過熱引發的惡性事故。實現溫度在線監測是保障高壓隔離刀閘安全運行的重要手段，因此安裝一套在線溫度監測預警系統是非常必要的[1]。

建設在線溫度監測預警系統，對實現隔離刀閘狀態檢修，減輕運維壓力，減少現場人員巡檢危險、保證運行可靠性、避免因為隔離刀閘事故導致“非停”均是可靠、有效、實用的技術保障手段。

1 應用于電氣連接點溫度監測的物聯網關鍵技術

應用于電氣連接點的溫度傳感器必須滿足各種復雜的使用環境。高壓電力設備的絕緣、防護等性能要求傳感器不能通過有線方式連接，加之很多設備承載的負荷比較小，普通的電流感應器不能承擔功耗過大的傳感器正常工作，這就要求必須采用一種無源無線且低功耗的傳感器；電力系統網絡的高安全性、高可靠性以及現場的復雜性也要求組網方式能夠靈活多變[2]。為此，采用物聯網的自取能技術、低功耗傳感技術、自組網射頻通信技術對高壓設備電氣連接點溫度在線監測提出了解決上述問題的方案。

1.1 電壓獲取電能電路（獨立電容體感應取電）

高壓設備存在強大的高壓電場，從高壓電場中獲取能量是該方案的核心。通俗的說就是通過電壓獲取能量的手段。

孤立電容體獲取到電荷后即可轉換為電能。此時電容體獲取的是高電壓，微弱電流狀況，甚至大于一般元器件的泄露電流。要將如此低的電流轉換為傳感器能使用的電源就需要以下幾個關鍵步驟。1）開關電源：將高壓電、弱電流轉換為低電壓、大電流；2）儲能：將轉換后的能量儲備起來供傳感器使用；3）儲能控制（電壓控制）：類似水壩的閘門，將涓涓細流儲備起來，當傳感器需要時開啟閘門。當儲能設備不足時及時關閉閘門繼續進行儲能。電壓獲取能量單元邏輯圖如圖1 所示。

圖1 電壓獲取能量單元邏輯圖

1.2 電流獲取能量裝置

該部分比較簡單。利用的就是傳統的電流互感器原理。只是該技術的核心是要將傳統的電流互感器做的非常小巧，另外一個技術核心就是鐵芯應能迅速飽和，并避免大電流工況下發熱。

獲取到電流后，經過整流后進入能量儲備電路，該電路和電壓感應部分共用電路，都分別將能量傳送至儲能模塊。

1.3 低功耗傳感技術

應用于電力設備狀態監測的溫度傳感器的必須滿足低功耗的要求，需要在微弱電流下可靠工作，選用特殊的坡莫合金做磁芯材料，確保磁導是普通硅鋼的10 倍以上，體積小巧且柔軟；在微弱電流工況下電量不足，應避免傳感器震蕩，要采用低功耗電子開關：電量充滿后傳感器發送數據，若電量不滿足要求，傳感器停止工作。

1.4 微功耗開關電源

微功耗開關電源示意圖如圖2 所示，圖中的開關電源以一個開關管表示，但實際電路卻無法用普通的開關管實現，必須采用獨特的電路設計。傳統的開關管耐壓只有1000V，最大的問題是功耗較大，靜態泄露電力都在1mA 左右。該項目采用雙向高壓觸發二極管來實現開關管的作用。當電容的電壓儲備達到額定電壓后，高壓觸發二極管導通。電路通過LC 電路對儲能電容進行儲能、降壓。其目的是將高電壓，微弱電流轉換為直流5V、20mA 左右的直流電源，從而實現開關電源的作用。

圖2 微功耗開關電源示意圖

1.5 自組網射頻通信技術

ZigBee 技術是一種短距離、低功耗、低速率和低成本的無線通信技術，其應用于電力設備傳感層數據無線傳輸方面，具有如下特點。1）低功耗：溫度傳感器的應用場景要求其功耗必須非常低，而一個傳感器的主要能耗集中在無線通信上面。因此，通信模塊的低功耗就成了必備選項。2）可靠性：ZigBee 協議在物理層上采用了直接序列擴頻（DSSS）技術來抑制噪聲的干擾。3）安全性：加密算法采用AES-128，提供了數據的完整性檢查和鑒權功能。4）實時性：ZigBee無線通信網絡節點工作延時短，只有15ms～20ms，通常來說電力設備的溫度監測時效性不需要精確到ms 級別。因此由ZigBee 模塊構成的無線傳感網絡完全可以滿足溫度在線監測系統對實時性的要求。5）經濟性：ZigBee 使用的工作頻率是免費的，在2.4GHz 時，最高傳輸速率（也是ZigBee 的最大傳輸速率）為250kbit/s，在射頻功率為20dBm（（100mW）情況下，2.4G 頻率的室內傳輸距離大約是10～20 米，室外最大可達到300 米，完全滿足變電站對無線測溫的技術要求。

2 系統組成

無線測溫系統的具體結構如圖3 所示。應用物聯網技術對變電站高壓設備電氣連接點溫度進行監測，在站端構建一套溫度在線監測系統，用于監測高壓隔離刀閘設備電氣連接部位的實時溫度。從物聯網技術架構上來看，物聯網可分為3 層：感知層、網絡層和應用層。對應的結構體系如下：感知層（溫度傳感器）、網絡層（數據調節器、網關）、應用層（監控主站，包括服務器和本地顯示裝置）[3]。

圖3 無線測溫系統的具體結構

溫度傳感器布置在隔離刀閘動靜觸頭接口附近，獲取溫度信息，通過Lora 無線通信方式將溫度信號發送給數據集中器，數據集中器接收溫度信息，進行初步分析處理后，通過以太網上傳至監控主站。監控主站實時在線監測管理分析軟件，能夠實時顯示隔離刀閘溫度數據，歷史數據的記錄和對比分析、預警及報警、運行狀態全程記錄等功能。

工作人員可以通過無線測溫系統實現交互實現預警、智能診斷與溫度查詢等功能。主要的模塊功能如圖 4 所示。

圖4 主要的模塊功能圖

模塊功能可從以下 3 個方面進行：1）數據采集。無線測溫系統通過安裝的測溫節點實現對高壓隔離刀閘觸點溫度數據與接頭溫度數據的采集，將采集到的數據轉化為電信號之后，經芯片處理，發送到監控中心。2）實時溫度查詢。工作人員可以登陸相關頁面，通過客戶端對隔離刀閘的溫度數據進行查詢，也可以根據其記錄的溫度查詢相應的歷史數據。3）智能診斷與預警。當隔離刀閘的測點溫度超過限值或者其溫度變化率超過規定限值時，系統會發出警報并且顯示出對應的溫度數值，以此來提醒監控中線的工作人員，隔離刀閘刀口可能存在溫度隱患。

2.1 溫度傳感器

溫度傳感器內部硬件設施中增加了電磁屏蔽和保護電路等設施。電磁感應取電電路需要采用電容器來實現儲能功能，若選用傳統的電解電容確實存在高溫情況下漏液、容量變小的問題，選用固態電容作為儲能元器件，可以避免高溫情況下電容失效，以此確保電子元器件在125℃的環境下仍然能夠長期穩定工作。外殼采用硅橡膠材料，硅橡膠是一種耐高低溫（-60℃～250℃）、耐臭氧化并具有良好電絕緣性能的特種橡膠，是應用于電力系統中絕佳的絕緣材料。

溫度傳感器由感應取電模塊、溫度測量模塊、控制模塊、無線傳輸模塊組成。外殼為耐高溫絕緣材料，并由絕緣材料密封，其具有體積小、質量輕等優點。根據高壓隔離刀閘的觸指，對觸點的監測可以在很大程度上降低隔離刀閘的故障率。

溫度傳感器采用低功耗技術，各個傳感器相互間不會產生干擾，不受高壓電場干擾，可以準確將信息發送出來。

2.2 數據集中器

數據集中器采用嵌入式工控機，基于工業級32 位ARM9系列CPU，Linux 操作系統，通過Lora 無線通信模塊接收無線通信中繼器上傳的變電站內各個測溫點的數據，實現數據的簡單處理、存儲和嵌入式WebServer 服務器功能，并通過標準RJ45 網口以Modbus 協議上傳至監控主站。

在高壓隔離刀閘的動觸頭上安裝無線測溫終端，無線測溫終端通過433MHz 無線信號將監測點溫度數據發送到溫度監測主機，通過液晶顯示屏顯示各隔離刀閘觸頭的實時溫度、歷史數據表等多種顯示查詢功能，并提供超溫報警及無線通信診斷功能。數據集中器的外觀及安裝如圖5 所示。

圖5 數據集中器外觀、安裝圖

2.3 監控主站

監控主站包括1 臺本地顯示裝置，1 套溫度在線監測系統。服務器安裝于室外，溫度在線監測軟件部署于服務器。軟件以輪詢的方式采集各設備溫度。

溫度在線監測系統主要實現數據采集、分析、預報警、故障定位、存儲和管理等功能。系統可監測到現場溫度連續變化的情況，并以曲線圖顯示，有溫度絕對值報警、溫度上升率報警的功能。為了避免發送錯誤數據產生誤報，系統采用數據驗證機制，采集溫度超限后系統將連續采集該地址的溫度，連續5 次溫度超限且溫度在合理區間才判定為溫升超限。當溫升超限時發出報警提示，提示操作人員檢查升壓站是否出現故障。

主站服務器具備接入系統局域網，支持局域網內其他PC 端通過IP 訪問主站管理系統，查詢主站系統的溫度歷史記錄，讀取溫度曲線和溫度報表。

3 實施效果

220kV 隔離刀閘電氣連接點的溫度在線監測系統采用有線無線結合通信模式，傳感器到集中器通過射頻通信實現數據上傳，集中器與主站間通過4G 通信。系統能夠及時掌握各監測點的實時溫度情況，將設備監測點的溫度等信息發送到主站系統，在計算機上能夠方便地查詢有關實時信息和歷史數據。因為隔離刀閘的溫度過高還有可能是電流或者負荷增大等原因引起的，所以在設備出現溫度過高報警時，筆者綜合考慮當時的電流還有環境溫度等因素，通過查看電流曲線和環境溫度等判斷設備的過熱是否正常[4]。220kV 隔離刀閘電氣連接點的溫度在線監測系統能夠讓用戶及時掌握各監測點在故障前的運行狀態，預防隱患的發生，保證設備的正常運行，并提供靈活的參數調整手段[5]。

該系統具備運行可靠、使用簡單、維護方便的特點，完全滿足電力企業的要求。

4 結論

綜上所述，物聯網自取能技術、低功耗傳感技術、自組網射頻通信技術適用于發電廠隔離刀閘連接點溫度在線監測，符合國家、行業及電網企業對電力安全的要求，能夠實時在線監測各個測溫點的溫度信息，達到了實用的效果。在發電廠隔離刀閘應用溫度在線監測系統，可有效減輕設備管理人員的工作量，通過實時監測，讓工作人員及時地采取檢修和排查措施，防止設備故障的惡化，可以避免因溫升過高而發生事故，進而提升電力系統的智能化水平。對高壓設備電氣連接點的溫度進行在線監測，將有效保障設備運行安全，提高供電可靠性。