淺談基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線測溫系統(tǒng)設計

任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:傳統(tǒng)10kV環(huán)網(wǎng)柜存在智能化程度低、電纜頭故障率高、測溫困難等問題，缺乏一種有效的在線測溫技術(shù)，難以滿足數(shù)字配電網(wǎng)發(fā)展需求。為有效解決這些問題，實現(xiàn)設備狀態(tài)感知，設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線測溫系統(tǒng)。該方法采用高壓感應取能、基于Zigbee協(xié)議的無線傳輸通信方式，可實現(xiàn)10kV環(huán)網(wǎng)柜關(guān)鍵位置溫度狀態(tài)感知，為智能電網(wǎng)運行維護提供可靠的管理方案。

關(guān)鍵詞:電力物聯(lián)網(wǎng);無線測溫傳感器;感應取能;無線傳輸;狀態(tài)感知

0引言

電力設備在運行中，由于過負荷、電纜和觸頭接觸不良、短路等原因造成的事故時有發(fā)生。由于電纜頭制作工藝問題，10kV環(huán)網(wǎng)柜在運行中可能會因電纜頭發(fā)熱進而引起局部放電或絕緣老化，可能會導致環(huán)網(wǎng)柜發(fā)生單相接地并發(fā)生相間短路爆炸事故。隨著我國經(jīng)濟的快速增長和配電網(wǎng)規(guī)模的迅速發(fā)展，設備數(shù)量與種類越來越多，但相關(guān)設備的智能化程度卻較低，運行和維護的復雜度也越來越高。傳統(tǒng)的運維方式費時、費力，無法保證配電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性和安全性，因而單一依賴于傳統(tǒng)的人工運維模式難以滿足未來發(fā)展需求。蘇東、馬仲能等人對配網(wǎng)開關(guān)柜全生命周期成本模型及敏感度做出分析，分析表明一個配網(wǎng)開關(guān)柜的巡檢成本高達327萬，而故障成本高達120.44萬[2]。因此，實現(xiàn)配電設備狀態(tài)感知、運行數(shù)據(jù)的自動獲取、故障信息主動預警，降低運營成本，是落實“數(shù)字南網(wǎng)"的具體舉措。本文設計了集成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、無線通信等技術(shù)，通過在環(huán)網(wǎng)柜電纜頭植入無線測溫傳感器，從而實時掌控環(huán)網(wǎng)柜溫度變化趨勢，該方法可以為智能運維提供決策依據(jù)，解決環(huán)網(wǎng)柜電纜頭測溫難題。

1無線測溫系統(tǒng)解決方案

無線測溫系統(tǒng)按三層架構(gòu)設計，感知層主要包括布置于環(huán)網(wǎng)柜的無線測溫傳感器、數(shù)據(jù)采集終端，負責底層數(shù)據(jù)采集和邊緣計算；網(wǎng)絡層由網(wǎng)絡管理系統(tǒng)、有線或無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡、云計算平臺等組成，負責將采集終端的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡安全加密后傳輸給云計算平臺；應用層物聯(lián)網(wǎng)與用戶的接口，與用戶的業(yè)務需求相結(jié)合，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能化服務應用。

1.1無線測溫硬件架構(gòu)

無線測溫監(jiān)控硬件系統(tǒng)主要由測溫傳感器、Zigbee通信模塊、數(shù)據(jù)采集終端、通信總線或以太網(wǎng)口、工控機、云服務器和移動應用終端等組成。通過傳感器實時采集環(huán)網(wǎng)柜電纜頭位置的溫度，以無線通信形式傳輸給數(shù)據(jù)采集終端，經(jīng)數(shù)據(jù)處理、運算分析后在本地顯示測量溫度值，同時通過RS48總線或以太網(wǎng)接口，將數(shù)據(jù)傳輸工控機，并保存在云服務器，客戶可通過監(jiān)控主站或移動應用客戶端查閱溫度信息。

圖1環(huán)網(wǎng)柜無線測溫系統(tǒng)架構(gòu)

1.2數(shù)據(jù)無線傳輸方案

無線測溫裝置直接測量環(huán)網(wǎng)柜高壓電纜頭關(guān)鍵位置溫度，長期處于高壓磁場中，既要解決電磁干擾問題，同時需解決絕緣以及數(shù)據(jù)傳輸問題，這是本系統(tǒng)設計的難點之一。為解決上述問題，本測溫系統(tǒng)采用模塊化設計，傳感器澆注于高壓電纜堵頭中，數(shù)據(jù)采集終端安裝于環(huán)網(wǎng)柜的低壓二次小室，傳感器與數(shù)據(jù)采集終端之間采用基于Zigbee協(xié)議無線傳輸，無需改變環(huán)網(wǎng)柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，避免受高壓電磁場的干擾，同時便于今后運行與維護。該方案數(shù)據(jù)傳輸基于Zigbee協(xié)議，Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的個域網(wǎng)協(xié)議[3-4],基于Zigbee協(xié)議的通訊技術(shù)是一種功耗低、距離較近且簡單易實現(xiàn)的無線通訊技術(shù)，能夠很好地應用于變配電站內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸。

圖2測溫裝置無線數(shù)據(jù)傳輸原理框圖

如圖2所示，傳感器中集成了無線數(shù)據(jù)傳輸發(fā)射模塊，數(shù)據(jù)采集終端中集成了接收模塊，接收端實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中器的功能，接收、上傳、運算所在范圍內(nèi)溫度傳感模塊的數(shù)據(jù)，從而實時、可靠地收集范圍內(nèi)的有效數(shù)據(jù)。該模塊采用樹狀拓撲結(jié)構(gòu)，具有較強的可擴展性，從而實現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)中的通信功能。

2無線傳感器設計及其關(guān)鍵技術(shù)

2.1微功率感應取能傳感器設計

無線測溫傳感器是利用壓感應取能，熱電阻接觸式測溫與無線傳輸技術(shù)原理，實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜電纜頭的溫度實時采集。測溫傳感器是將測溫探頭、電源模塊、金屬屏蔽罩、無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊和MCU核心模塊澆注于環(huán)氧樹脂電纜堵頭內(nèi)，結(jié)構(gòu)設計如圖3所示。當電纜運行時，在傳感器高壓導電端內(nèi)部產(chǎn)生交變電場，由金屬屏蔽罩和電纜芯線之間的懸浮電容C1形成電勢差，該電勢差經(jīng)濾波、整流和穩(wěn)壓后為傳感器供能。傳感器電路板設有熱電阻，直接與電纜連接螺桿連接，測量此處溫度。MCU核心模塊監(jiān)測熱電阻的線性變化，來判斷電纜頭連接處的溫度變化，并將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)無線的方式傳輸給數(shù)據(jù)采集終端，由采集終端完成數(shù)據(jù)采集、處理與運算，并將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控后臺或移動客戶端，測溫原理如圖4所示。

圖3傳感器結(jié)構(gòu)設計

圖4無線測溫裝置原理框圖

2.2傳感器的耐高溫和抗干擾等性能設計

傳感器內(nèi)置于經(jīng)環(huán)氧樹脂澆注的電纜堵頭內(nèi)，且處于高壓磁場中，為確保傳感器運行時的可靠性，需解決傳感器的自身的局部放電、散熱與抗干擾等問題。傳感器需要在設計取能裝置時候充分考慮到杜絕間隙放電和介質(zhì)放電的問題。因此，結(jié)構(gòu)設計方面通過在傳感器電路板外設計了金屬屏蔽罩，用于均勻內(nèi)部場強分布，并通過ANSYS仿真系統(tǒng)進行仿真驗證，傳感器的澆注工藝方面，保證澆注后傳感器內(nèi)部無氣泡。傳感器在高溫環(huán)境中工作也是本研究的難點之一，本設計采用電壓感應取能，傳感器采用低功耗電路設計，基于Zigbee協(xié)議的低功耗通信模塊，確保微弱能量情況下工作，傳感器運行時的工作電流為微安級，通訊瞬時電流15mA。同時，傳感器應考慮高溫環(huán)境下的正常工作，因此，傳感器選用的材料能夠保障60℃以上的環(huán)境溫度穩(wěn)定運行，150℃時數(shù)據(jù)能正常測量，280℃時傳感器內(nèi)部元器件不發(fā)生形變或損壞。無線信號傳輸采取抗干擾措施，在元器件選擇上采用抗干擾力強，溫度范圍廣的器件。同時，在結(jié)構(gòu)設計和電路設計根據(jù)規(guī)則充分考慮EMC特性。*后，傳感器信號傳輸采用ZigBee協(xié)議進行無線傳輸，ZigBee采用O-QPSK信號調(diào)制方式，自身具有很強的抗干擾和糾錯能力。

2.3提高絕緣與避免局放

由于測溫傳感器集成在電纜絕緣堵頭內(nèi)部，因此如何確保絕緣強度，避免局放產(chǎn)生是設計的核心要素之一。測溫傳感器優(yōu)化電路板設計，將所有的器件集成在很小的環(huán)型電路板內(nèi)，確保電路板安裝在絕緣堵頭銅金屬件內(nèi)，不會因為傳感器的存在而降低環(huán)氧樹脂的厚度。傳感器依靠分壓原理獲取能量，需要在高壓與接地端中間布置一金屬電極。該電極的布置在高壓電場中會形成懸浮電極，造成較大的局部放電。為了避免懸浮電極產(chǎn)生局放，需要在取能電路中充分考慮。依靠取能電路穩(wěn)定工作，且充放電頻率匹配來確保懸浮電極無局放產(chǎn)生。

3數(shù)據(jù)處理與告警機制

3.1軟件抗干擾設計

測溫傳感器與采集器之間采用無線傳輸方式，無線信號在傳輸中，易收到外界干擾而造成誤傳、誤收和信號無法接收等情況。為提高可靠性，載軟件設計方面，通過以下幾種措施解決：CRC循環(huán)冗余校驗：循環(huán)冗余校驗對傳輸數(shù)據(jù)進行校驗，根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容和CRC算法，得到16比特的CRC校驗碼，填充在幀的CRC部分發(fā)送給接收方。若接收方對接收到數(shù)據(jù)和CRC算法進行計算，得到16比特的CRC校驗碼如果和數(shù)據(jù)傳輸部分的CRC吻合，則發(fā)送時沒有出現(xiàn)比特錯誤；若不吻合，則發(fā)送時出現(xiàn)比特錯誤，丟棄該數(shù)據(jù)。防碰撞與無線信道監(jiān)測機制：ZigBee采用的是CSMA/CA（載波jian聽多路訪問）的防碰撞機制。送出數(shù)據(jù)前，jian聽媒體狀態(tài)，等沒有人使用媒體，維持一段時間后，再等待一段隨機的時間后依然沒有人使用，才送出數(shù)據(jù)。由于每個設備采用的隨機時間不同，所以可以減少沖突的機會?；蛘咚统鰯?shù)據(jù)前，先送一段小小的請求傳送報文給目標端，等待目標端回應報文后，才開始傳送。

3.2數(shù)據(jù)儲存

數(shù)據(jù)采集終端收到傳感器數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析和存儲。在數(shù)據(jù)存儲上，按照隊列的先進先出法制進行存儲，支持3年的歷史數(shù)據(jù)存儲。

3.3告警與防誤報機制

圖5告警與防誤報程序邏輯

無線測溫系統(tǒng)通過實時監(jiān)測與處理后的數(shù)據(jù)，在就地或通過后臺顯示溫度值，當設備發(fā)生溫度異常或由于線路中的諧波等干擾因素造成誤報，系統(tǒng)將根據(jù)傳感器采集的溫度值、溫差、相對溫差（三相不平衡）、歷史趨勢這五項指標進行分析，發(fā)出報警信號或閉鎖報警。數(shù)據(jù)采集終端針對每個測溫傳感器進行告警設置，通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與預設定的閾值進行比較判斷。具體邏輯如圖5所示，當狀態(tài)處于正常時，監(jiān)測到數(shù)據(jù)突然超出允許波動范圍，裝置記錄次數(shù)，若記錄次數(shù)達到預設次數(shù)時，裝置發(fā)出告警信號，否則進入休眠狀態(tài)；當監(jiān)測數(shù)據(jù)超過波動范圍時間持續(xù)達到時間閾值時，產(chǎn)生告警信息并發(fā)送。這種多次超限統(tǒng)計判斷告警模式，可避免周邊電磁干擾帶來的誤報問題。

圖6G01柜溫度監(jiān)測曲線圖

4現(xiàn)場應用

本系統(tǒng)經(jīng)過嚴格的測試，并在廣州某智能配電房項目中開展了掛網(wǎng)運行。該智能配電房內(nèi)安裝12面智能環(huán)網(wǎng)柜，分別由10kV南翔F20與10kV石橋F16進行環(huán)網(wǎng)型供電。在每面開關(guān)柜A、B、C三相電纜頭內(nèi)分別安裝1只無線測溫傳感器，每段母線安裝1套數(shù)據(jù)采集終端，傳感器與數(shù)據(jù)采集終端之間采用Zigbee協(xié)議自組網(wǎng)通信。數(shù)據(jù)采集終端通過RS485總線與該房的智能電房監(jiān)控終端連接，數(shù)據(jù)經(jīng)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)侥?**主站，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。經(jīng)過3個月的掛網(wǎng)試運行和現(xiàn)場測試結(jié)果對比分析，數(shù)據(jù)傳輸準確可靠，能在后臺實時掌握環(huán)網(wǎng)柜的溫度變化，為該運行單位減少了線下運維工作量。圖1摘取該房G01柜2019年10-12月監(jiān)測溫度繪制的曲線圖，運行人員能準確掌握開關(guān)柜的運行溫度變化趨勢，運行期間未曾發(fā)生數(shù)據(jù)誤報信息。

5.安科瑞電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)

5.1概述

Acre1-6000電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)，是根據(jù)中心的消防電子產(chǎn)品試驗認證，并且均通過嚴格的EMC電磁兼容試驗，保證了該系列產(chǎn)品在低壓配電系統(tǒng)中的安全正常運行，現(xiàn)均已批量生產(chǎn)并在全國得到廣泛地應用。該系統(tǒng)通過對剩余電流、過電流、過電壓、溫度和故障電弧等信號的采集與監(jiān)視，實現(xiàn)對電氣火災的早期預防和報警，當必要時還能聯(lián)動切除被檢測到剩余電流、溫度和故障電弧等超標的配電回路;并根據(jù)用戶的需求，還可以滿足與AcreIEMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺或火災自動報警系統(tǒng)等進行數(shù)據(jù)交換和共享。

5.2應用場合

適用于智能樓宇、醫(yī)院、高層公寓、賓館、飯店、商廈、工礦企業(yè)、國家重點消防單位以及石油化工、文教衛(wèi)生、金融、電信等領(lǐng)域。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.4系統(tǒng)功能

1）監(jiān)控設備能接收多臺探測器的剩余電流、溫度信息，報警時發(fā)出聲、光報警信號，同時設備上紅色“報警"指示燈亮，顯示屏指示報警部位及報警類型，記錄報警時間，聲光報警一直保持，直至按設備的“復位"按鈕或觸摸屏的“復位"按鍵遠程對探測器實現(xiàn)復位。對于聲音報警信號也可以使用觸摸屏“消聲"按鍵手動消除。

2）當被監(jiān)測回路報警時，控制輸出繼電器閉合，用于控制被保護電路或其他設備，當報警消除后，控制輸出繼電器釋放。

3）通訊故障報警：當監(jiān)控設備與所接的任一臺探測器之間發(fā)生通訊故障或探測器本身發(fā)生故障時，監(jiān)控畫面中相應的探測器顯示故障提示，同時設備上的黃色“故障"指示燈亮，并發(fā)出故障報警聲音。電源故障報警：當主電源或備用電源發(fā)生故障時，監(jiān)控設備也發(fā)出聲光報警信號并顯示故障信息，可進入相應的界面查看詳細信息并可解除報警聲響。

4）當發(fā)生剩余電流、超溫報警或通訊、電源故障時，將報警部位、故障信息、報警時間等信息存儲在數(shù)據(jù)庫中，當報警解除、排除故障時，同樣予以記錄。歷史數(shù)據(jù)提供多種便捷、快速的查詢方法。

5.5配置方案

6結(jié)束語

隨著數(shù)字電網(wǎng)與配電物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，實現(xiàn)配電設備運行狀態(tài)感知、數(shù)字化以及可觀、可測、可控是配電物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。開關(guān)柜的電連接處溫度過高或者升高過快，對開關(guān)柜的安全可靠運行的影響十分重大，而基于Zigbee通信的高壓感應取電測溫技術(shù)，具有測量精度高、體積小、抗干擾能力強、成本低，可以更準確的掌握環(huán)網(wǎng)柜的溫度變化曲線和健康狀況。后續(xù)工作還可以結(jié)合人工智能技術(shù)，為運維單位實現(xiàn)智能運維，進一步提高運維工作效率和供電可靠性。

參考文獻

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[5]氣火災監(jiān)控系統(tǒng)選型手冊.2022.05版

作者簡介

任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能照明控制系統(tǒng)領(lǐng)域。