一種電力設(shè)備柜內(nèi)溫度高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)

陽 浩，趙 歡，薛 榮，余郁彬，魏恩偉

（1.深圳供電局有限公司，廣東深圳 510000；2.南方電網(wǎng)深圳數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣東深圳 518000）

開關(guān)柜在電力生產(chǎn)環(huán)境下承擔(dān)著較為重要的任務(wù)，保障開關(guān)柜的安全就是確保電力生產(chǎn)的人身和設(shè)備安全。當(dāng)前，電力網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速的發(fā)展而不斷增長。文獻(xiàn)[1]中對開關(guān)柜內(nèi)部構(gòu)件的渦流損耗進(jìn)行了研究，該研究指出：當(dāng)電力負(fù)荷增大時(shí)，電力開關(guān)柜體內(nèi)部的線排、接頭、電容圈等電器部件由于高電壓、高電磁干擾的影響以及電阻的熱效應(yīng)會產(chǎn)生較大熱量，并造成斷路器等元件的爆炸[2-7]。目前電力部門對配電環(huán)網(wǎng)柜[8]、變電開關(guān)柜[9]等柜內(nèi)電力設(shè)備仍無法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，僅可采用普檢或故障檢修的方式來維護(hù)設(shè)備，發(fā)現(xiàn)并排除安全隱患。因此，若能實(shí)時(shí)監(jiān)測柜體內(nèi)線排、接頭處的溫度狀態(tài)，即可有效預(yù)防電氣事故[10-11]。但現(xiàn)階段由于對相關(guān)研究的不足，缺乏一種安全直觀、可與站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動的可視化測溫監(jiān)測手段。

基于以上分析，通過配置柜內(nèi)溫度監(jiān)測系統(tǒng)，能夠有效降低基層工作人員的工作強(qiáng)度，并為柜內(nèi)狀態(tài)檢修提供新的思路。文獻(xiàn)[12-13]對紅外測溫技術(shù)在電力設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，但其所實(shí)現(xiàn)的測溫系統(tǒng)無法直接部署在開關(guān)柜內(nèi)。因此，該文針對開關(guān)柜的溫度故障監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一套基于紅外測溫原理的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含硬件、軟件兩大組成部分：在硬件部分，使用紅外測溫芯片、FPGA、CPU 等硬件模塊實(shí)現(xiàn)了溫度的采集和數(shù)據(jù)上報(bào)；在軟件部分，基于C++語言開發(fā)的軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對硬件控制、采集參數(shù)設(shè)置等功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)國家電網(wǎng)公司對于溫度監(jiān)測的相關(guān)要求和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，文中設(shè)計(jì)了如圖1 所示的紅外測溫系統(tǒng)的硬件部分。該系統(tǒng)的硬件部分由5 個(gè)模塊組成，分別是電源模塊、紅外探測器及采集電路、FPGA、CPU 以及外設(shè)模塊。

圖1 系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)

圖2 設(shè)計(jì)的測溫系統(tǒng)部署分布于變電內(nèi)的每個(gè)開關(guān)柜中，作為一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)對該柜的溫度進(jìn)行監(jiān)測。為了提升監(jiān)控的覆蓋范圍，該系統(tǒng)可基于RS485總線，使用Modbus 協(xié)議將采集的溫度信息上報(bào)至每個(gè)變電站的站級網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)再基于電力通信系統(tǒng)將所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至電力監(jiān)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)站內(nèi)所有開關(guān)柜內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

圖2 系統(tǒng)部署

在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，紅外測溫模塊是最重要的模塊之一，其是一種基于紅外熱輻射原理的溫度測量技術(shù)[14-16]。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無接觸的遠(yuǎn)距離測溫，這種測溫方式對于電氣系統(tǒng)具有更高的安全性。其基本原理如下式：

其中，h 為普朗克常數(shù)，T為絕對溫度。根據(jù)式（1），物體的紅外輻射能量與該物體的溫度相關(guān)。當(dāng)物體的溫度升高時(shí)，其紅外輻射值會向短波方向移動。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

為了提供更友好的交互并提升硬件系統(tǒng)的易用性，仍需實(shí)現(xiàn)前端交互界面與后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等軟件部分，以用于硬件系統(tǒng)的控制及相關(guān)數(shù)據(jù)的讀取。在進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)首先要對需求進(jìn)行分析，通過該步驟能將軟件系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能分解為軟件技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的功能模塊。該文利用需求分析，將系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)化為硬件控制、采集信息管理、告警監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析四大功能模塊，如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)軟件功能模塊設(shè)計(jì)

1）硬件控制模塊

該模塊主要用于控制FPGA、紅外采集模塊等系統(tǒng)硬件，例如向控制系統(tǒng)寫入相關(guān)控制字，實(shí)現(xiàn)MLX90614 芯片中的CRC（Cyclic Redundancy Check）校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)SMBus 通信協(xié)議的驅(qū)動等功能。

2）采集信息管理模塊

該模塊主要用于設(shè)置柜內(nèi)溫度信息所采集的頻率和范圍等相關(guān)參數(shù)。在進(jìn)行信息采集時(shí)，其還能將系統(tǒng)進(jìn)行初始化以保證信息采集的可靠性。

3）告警監(jiān)控模塊

該模塊主要用于溫度報(bào)警閾值、硬件攝像頭拍攝模式等參數(shù)的設(shè)置。其通過報(bào)警條件列表的相關(guān)控制，可增刪對應(yīng)分析的報(bào)警條件，并在測溫觸發(fā)報(bào)警條件后，能夠?qū)崟r(shí)顯示報(bào)警信息。

4）數(shù)據(jù)分析模塊

該模塊一方面通過設(shè)備設(shè)置組織結(jié)構(gòu)，根據(jù)樹狀圖、設(shè)備電壓、設(shè)備名稱和設(shè)備類型等條件，篩選感興趣的測溫點(diǎn)并實(shí)時(shí)預(yù)覽最新的溫度圖像與數(shù)據(jù)；另一方面，其提供多種篩選條件，例如檢測時(shí)間、設(shè)備電壓、設(shè)備類型、部位角度、相別和缺陷狀態(tài)等，輔助運(yùn)維人員實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的篩選及分析。

2 方法實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件的難點(diǎn)在于FPGA 芯片與測溫芯片間的數(shù)據(jù)傳輸。為解決該問題，該文測溫系統(tǒng)使用的芯片為Altera 公司的MAX90 系列芯片，具體型號為MLX90614。該芯片的基本結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 芯片內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)

從圖4 中可以看出，MLX90614 芯片中集成了81101 紅外熱電堆元件、OPA、ADC、DSP 和PWM 等器件，這些器件在控制單元的支撐下完成紅外信號的采集和處理。其中，81101中的信號處理方法如下。

在81101 中，將紅外信號轉(zhuǎn)化為電信號：

式中，Vir是81101 芯片的輸出電壓，Ta是81101上內(nèi)置溫度傳感器的自身溫度，Tb是被測物體的溫度，A是轉(zhuǎn)換函數(shù)。在MLX90614 的控制單元中，使用大小為32×16 bit 的RAM 對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。該存儲器的存儲地址結(jié)構(gòu)如表1 所示。

表1 MLX90614地址表

紅外采集模塊采集的模擬信號經(jīng)過ADC 轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，使用DSP等數(shù)字信號處理模塊處理后，即可存儲于RAM 中。FPGA 通過SMBus 從MLX90614中進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取及寫入。

SMBus 協(xié)議中包含必備信號線兩根，分別為SMBDAT 數(shù)據(jù)線、SMBCLK 時(shí)鐘線；可選信號線一根，為SMBALERT 中斷線。基本的SMBus 幀結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 SMBus基本幀結(jié)構(gòu)

SMBus 幀中，各字段的具體定義如表2 所示。

表2 SMBus幀字段定義

完整的SMBus 協(xié)議簇內(nèi)包含了多個(gè)協(xié)議。在MLX90614 芯片中，根據(jù)芯片的需求主要實(shí)現(xiàn)了讀字節(jié)和寫字節(jié)。讀、寫的幀結(jié)構(gòu)分別如圖6(a)、(b)所示。

圖6 SMBus讀寫幀結(jié)構(gòu)

基于以上分析，設(shè)計(jì)了如圖7 所示的SMBus 狀態(tài)遷移方式。

圖7 SMBus驅(qū)動的狀態(tài)遷移圖

首先系統(tǒng)的控制模塊發(fā)起對MLX90614 的數(shù)據(jù)讀取需求，即狀態(tài)S0；隨后，總線驅(qū)動模塊根據(jù)系統(tǒng)首地址00H 中存儲的qfv_odd 的值判斷下一步的轉(zhuǎn)移路徑。當(dāng)總線上的使能許可標(biāo)記位均為1 時(shí)，控制系統(tǒng)開始從MLX90614 中逐步進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測試分析

基于圖3 所示的系統(tǒng)軟件功能模塊，通過C++語言設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟件部分，從而實(shí)現(xiàn)硬件控制管理、數(shù)據(jù)采集管理、監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)分析四個(gè)功能模塊。測試實(shí)驗(yàn)將系統(tǒng)的軟硬件部分綜合部署在某變電站開關(guān)柜的以下幾個(gè)位置點(diǎn)處：

1）10 kV、35 kV 開關(guān)柜中的三相觸頭；

2）電氣柜中電纜出線室內(nèi)電纜觸頭；

3）饋線柜電纜觸頭；

4）變壓室內(nèi)電纜觸頭。

為了更好地評估該系統(tǒng)的性能，將其與文獻(xiàn)[13]中的矩陣式測溫系統(tǒng)進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)。兩個(gè)系統(tǒng)在變電站開關(guān)柜內(nèi)斷路器接頭處進(jìn)行了部署，且二者與接頭的距離均為20 cm。圖8 給出了該變電站開關(guān)柜內(nèi)斷路器接頭的實(shí)時(shí)監(jiān)控測溫圖；而表3 則記錄了兩個(gè)系統(tǒng)在15 個(gè)測溫點(diǎn)的測溫結(jié)果。

表3 系統(tǒng)部署后的實(shí)際測量結(jié)果

圖8 柜內(nèi)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控圖

通過對表3 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)平均測溫溫差為0.29 ℃，矩陣式測溫系統(tǒng)的平均測溫溫差為0.94 ℃。通過對比每次的測量結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的測試結(jié)果略小于實(shí)際溫度；而矩陣式測溫系統(tǒng)的測量結(jié)果略大于實(shí)際溫度，且兩個(gè)系統(tǒng)的測試結(jié)果均有較好的一致性，因此可在系統(tǒng)中引入補(bǔ)償模塊對測試結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，從而取得更優(yōu)的精度。

3 結(jié)束語

文中對于紅外測溫的相關(guān)技術(shù)原理進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套用于電力開關(guān)柜的柜內(nèi)溫度測量與監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于SMBus 通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)了從紅外測溫芯片到FPGA 芯片的數(shù)據(jù)傳輸，保障了在高溫環(huán)境下數(shù)據(jù)的傳輸速率和可靠性，而應(yīng)用軟件系統(tǒng)則為用戶提供了良好的交互體驗(yàn)。此溫度監(jiān)控系統(tǒng)可快速、有效的接入變電站監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)，對于提升電力生產(chǎn)效率具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。