淺談高壓變電站無線測溫預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計

王晶晶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：在高壓變電站中，由于設(shè)備老化以及輸變線路的接頭溫度過高，常常會引發(fā)火災(zāi)或者爆炸等事故。傳統(tǒng)的人工溫度測量不僅勞動強度大，而且容易出現(xiàn)漏測、誤報等現(xiàn)象，無法實現(xiàn)對高壓變電站的有效保護(hù)。因此，本文將無線通訊技引入到高壓變電站的溫度測量當(dāng)中，重點對無線測溫預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行分析,試圖為之提供行之有效的可行性建議。

關(guān)鍵詞：變電站；無線測溫；預(yù)警系統(tǒng)；設(shè)計研究

高壓變電站是電能變換、分配的重要場所，同時也是發(fā)生火災(zāi)、爆炸等事故的高危場所。通常情況下，高壓變電站輸變線路的接頭溫度范圍在20℃～30℃之間為正常狀態(tài)；如果母線接頭溫度達(dá)到60℃～70℃時，則處于警戒狀態(tài)；超過60℃～70℃，就會引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸。一旦出現(xiàn)這些事故，不僅會給高壓變電站自身帶來巨大的破壞，而且還會影響電力輸送的正常運行。為了確保電能的傳輸質(zhì)量以及設(shè)備的安全，對高壓變電站進(jìn)行溫度的實時監(jiān)測和預(yù)警，就成為了電力工作者所關(guān)注的焦點問題。傳統(tǒng)的測溫工作主要依賴于人工，測溫的準(zhǔn)確度和測溫效率難以保證。本文主要研究的是無線測溫系統(tǒng)，通過無線設(shè)備對設(shè)備內(nèi)的每個節(jié)點進(jìn)行溫度測量，不僅可以有效地提高測量，而且操作簡單易于維護(hù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對高壓變電站溫度的在線測量和監(jiān)控。

無線測溫系統(tǒng)主要作用是進(jìn)行實時的在線溫度測量和預(yù)警。常用于較為惡劣的工作環(huán)境中，該設(shè)備的特點是安裝簡單、檢測精度高，尤其對高壓電氣設(shè)備的溫度測量有著良好的效果。高壓變電站無線測溫語境系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)合了智能溫度傳感器、超低功耗單片機、無線收發(fā)模塊以及電源管理器，通過對高壓變電站進(jìn)行定時測溫并且與設(shè)定的高溫度閥值進(jìn)行對比分析，從而判斷無線收發(fā)模塊的啟停。在設(shè)計過程中還采用了雙電源的管控技術(shù)，在不需要測溫的情況下，設(shè)備內(nèi)的所有核心部件都保持休眠狀態(tài)。高壓變電站無線測溫預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖-1所示：

圖-1高壓變電站無線測溫預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從上文分析中，可以得出高壓變電站無線測溫預(yù)警系統(tǒng)的主要部件是傳感器和數(shù)據(jù)采集器，其中核心技術(shù)是超低功耗的單片機，并且通過多節(jié)點的模式實現(xiàn)了對高壓變電站低功耗、高性能的無線測溫。以下就對高壓變電站無線測溫預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)分析：

2.1硬件設(shè)計

本文研究的無線測溫預(yù)警系統(tǒng)主要是由溫度傳感器、超低功耗單片機、無線收發(fā)模塊、電源管理芯片、外圍電路以及高能電池組成。其中溫度傳感器的測量度可以達(dá)到0.5℃，而且用戶可以根據(jù)實際情況自行轉(zhuǎn)換分辨率以及設(shè)定溫度超標(biāo)預(yù)警的上下閥值，并且能夠長期保存；超低功耗單片機則采用的是超低功耗的16位混合信號處理器，該處理器可以在1.8～3.6V的電壓下工作，而且可以根據(jù)不同的工作模式降低耗電電流，此外單片機憑借其豐富的尋址方式、大量的寄存器和簡潔的操作指令，可以獲得較高的處理能力和速度；無線收發(fā)模塊是一種理想的彈片收發(fā)器芯片，適用于多點通訊方式，其發(fā)射功率可達(dá)到10mW，該模塊的特點是傳輸距離較遠(yuǎn)，無線信號的傳輸距離可以達(dá)到600～800m，而且采用高效的前向糾錯信道編碼技術(shù)，具有較高的抗干擾和低誤碼率；電源管理芯片在測溫設(shè)備超低功耗方面也有非常重要的作用，MAX1726芯片可以提供1.8V、2.5V、3.3V、5V的輸出電壓，它不僅是一種低漏失的線性調(diào)節(jié)器，同時還可以提供超低電流，大限度的延長了電池的使用壽命。電源管理芯片也可以提供200mA的超低電流，主要用作電池組供電，起到反相電池保護(hù)、短路保護(hù)、高溫保護(hù)以及提高電池的使用壽命。

2.2電路設(shè)計及雙電源管理技術(shù)

高壓變電站無線測溫預(yù)警系統(tǒng)采用的是雙電源管理技術(shù)，分別對智能溫度傳感器和無線收發(fā)模塊進(jìn)行管理，在降低功耗的同時可以提高傳感器的使用壽命。由于溫度傳感器、超低功耗單片機以及外圍電路的工作電流較小，因此在電路設(shè)計的過程中，主要采用3.6V，3000mA的電池進(jìn)行供電，該電池的大持續(xù)放電電流和大脈沖放電電流分別可以達(dá)到150mA和300mA，按照80%的電池使用率計算，平均壽命可以達(dá)到兩年以上。通過單片機的控制對當(dāng)前不需要工作的部件進(jìn)行斷電保護(hù)，有效的提高了電量的使用率。此外，為了有效的延長高壓變電站無線測溫預(yù)警系統(tǒng)的使用壽命，在滿足設(shè)備工作頻率的前提條件下，可以選擇較小的工作頻率來降低單片機的功耗，而且在外圍電路的設(shè)計和器材選擇等方面，也需要強調(diào)能耗問題。

2.3軟件設(shè)計

在降低無線測溫預(yù)警系統(tǒng)的功耗方面，除了需要將CPU系統(tǒng)設(shè)定為省電模式外，還需要在軟件方面進(jìn)行低功耗的設(shè)計。高壓變電站無線測溫預(yù)警系統(tǒng)軟件程序設(shè)計框圖如下所示：

圖-2高壓變電站無線測溫預(yù)警系統(tǒng)軟件程序設(shè)計框圖

該軟件的工作步驟為，對系統(tǒng)的實際需求進(jìn)行分析；對系統(tǒng)的功耗進(jìn)行分析；結(jié)合實際需求和功耗的分析結(jié)果，設(shè)計程序（程序設(shè)計采用中斷喚醒的模式）；采用限度的數(shù)據(jù)保存形式，確保程序進(jìn)入休眠狀態(tài)；各個功能模塊相互獨立，內(nèi)部功耗保持平衡穩(wěn)定；將模塊間的交換信息設(shè)計成中斷喚醒方式，調(diào)試好后進(jìn)行功耗考核。

3.1概述

開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)是基于470MHz無線測溫技術(shù)開發(fā)的針對開關(guān)柜進(jìn)行測溫的系統(tǒng)，可對開關(guān)柜分別為母線排、上下觸頭、電纜接頭，柜體表面等部位溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，方便運維人員及遠(yuǎn)程監(jiān)控中心掌握現(xiàn)場設(shè)備運行情況。

3.2應(yīng)用場所

變電所，配電室，箱變等

配電室箱變數(shù)據(jù)中心機房

3.3系統(tǒng)架構(gòu)

開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)由無線溫度傳感器、測溫通訊終端（溫度顯示儀）、溫度監(jiān)測預(yù)警工作站三部分組成，

3.4系統(tǒng)功能

3.4.1實時監(jiān)測

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控軟件人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)及有關(guān)故障、告警等信息。

3.4.2溫度查詢

溫度歷史曲線（1分鐘、5分鐘、60分鐘可選）：

3.4.3運行報表

查詢各回路設(shè)備運行溫度報表。

3.4.4實時報警

壁掛式無線測溫監(jiān)控設(shè)備具有實時報警功能，設(shè)備能夠?qū)囟仍较薜仁录l(fā)出警告。設(shè)備提供以下幾種告警方式：

1）彈出事件報警窗口。

2）實時語音報警功能，能夠?qū)λ惺录l(fā)出語音告警。

3）短信警告。可以向號碼發(fā)送告警信息短信。

3.4.5歷史告警查詢

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ懈婢录涗涍M(jìn)行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)和告警等事件進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

3.4.6用戶權(quán)限管理

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如數(shù)據(jù)庫修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。

3.4.7定值設(shè)置

用于修改高溫定值、超溫定值。

WEB，手機APP（可選）：

通過手機APP展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息，設(shè)備溫度、通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。

3.5.產(chǎn)品選型

3.5.1無線測溫傳感器選型

3.5.2收發(fā)器選型

3.5.3測溫通訊終端（溫度顯示儀）選型

3.6典型配置方案

3.6.1高低壓柜內(nèi)電氣接點無線測溫（單柜就地顯示）

a）配置方案

說明：ARTM-Pn通過RS485接口連接ATC實現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示，可接收60只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。

b）安裝實例

ARTM-PnATE100接點測溫ATE200母排測溫ATE400斷路器觸頭測溫

3.6.2高壓柜內(nèi)電氣接點無線測溫帶操顯功能（單柜就地顯示）

a）配置方案

說明：ASD320通過RS485接口連接ATC實現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示，可接收12只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。

b）安裝實例

ASD320ATE200觸頭測溫ATE400母排測溫ATE100M柜體測溫

3.6.3高低壓柜內(nèi)電氣接點無線測溫（集中就地顯示/就地?zé)o顯示）

a）配置方案

說明：觸摸屏通過RS485接口連接ATC實現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示，可接收240只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。如果現(xiàn)場不需要就地顯示，可以直接通過ATC的RS485接口，把數(shù)據(jù)傳送到值班室的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)。

b）安裝實例

ATP070ATCATE200接點測溫ATE200電容器表面測溫

3.6.4就地壁掛式集中顯示方案（適用于改造，不方便在柜子上加裝顯示屏的現(xiàn)場）

方案一：Acrel-2000T/A就地集中顯示：

說明：Acrel-2000/A通過RS485接口連接ATC實現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示，可接收240只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。

方案二：Acrel-2000T/B就地集中顯示：

說明：Acrel-2000T/B不僅可以通過RS485連接多種ATC收發(fā)器接收所有型號傳感器實現(xiàn)集中顯示，還可以通訊連接配電室內(nèi)無線測溫相關(guān)就地顯示裝置實現(xiàn)集中顯示，同時還可以連接配電室內(nèi)智能操控、微機保護(hù)、電力儀表等電力監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。

3.6.5低壓電氣接點有線測溫、變壓器繞組測溫

a）配置方案

說明：ARTM-8溫度巡檢儀可配8路Pt100傳感器，有線連接，Pt100傳感器客戶自配，測量低壓電氣接點時Pt100傳感器需做好絕緣處理。

b）安裝實例

ARTM-8PT100

綜上所述，伴隨著電子技術(shù)、無線電通信技術(shù)以及集成技術(shù)的快速發(fā)展，使得無線資源的應(yīng)用越來越廣泛。尤其是在高壓變電站溫度測量預(yù)警的使用中，為了降低設(shè)備的事故率，需要借助高壓變電站無線測溫預(yù)警系統(tǒng)實現(xiàn)對輸電線路中，輸變線路的母線接頭溫度的實時控制。通過對高壓變電站電力設(shè)備進(jìn)行在線實時溫度監(jiān)控，有效地降低了傳統(tǒng)溫度測量系統(tǒng)安全性低、準(zhǔn)確性差等問題。伴隨著人工智能技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)以及信號處理技術(shù)的快速發(fā)展，對變電站進(jìn)行輸變線路的溫度進(jìn)行在線實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)安全隱患并進(jìn)行預(yù)防措施已經(jīng)成為可能。本文主要研究的是無線測溫預(yù)警系統(tǒng)，是基于無線傳輸技術(shù)和傳感器技術(shù)的溫度在線實時監(jiān)測系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以有效地確保變電站輸變電線路的正常運行，提升變電站電力系統(tǒng)運行的自動化程度，大限度的降低故障維修次數(shù)。

[1]楊紅光.基于物聯(lián)網(wǎng)的無線測溫系統(tǒng)設(shè)計[J]山東大學(xué)，2013-03-20.

[2]文博，高盛，王昭濱，王開成，于國良.高壓變電站無線測溫預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計.

[3]安科瑞電氣設(shè)備溫度監(jiān)控解決方案.2021.06月版.

[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06月版.