淺談溫度監測系統在智能變電站的設計與應用
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辜秀娟
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801
摘要：變電站電力設備的溫度變化會影響設備的安全穩定運行。針對傳統變電站設備溫度監測方式的弊端，提出了一種基于ZigBee 協議的無線溫度在線監測系統方案。該系統采用星型結構組建 ZigBee 無線網，使用 SVG 矢量圖實現基于 B/S 的在線監測平臺。測溫系統的設計考慮了數據模型的通用性和監測平臺的可移植性，為變電站溫度在線監測系統的設計提供借鑒。
關鍵詞：變電站；溫度；在線監測；ZigBee 協議；SVG
0 引言
在電力系統中，電力設備的溫度變化是一個非常重要的指標，它關系到電力設備能否安全穩定運行。在變電站運行過程中，一次設備的電接點由于設備制造、觸電氧化、電弧沖擊等原因，會導致電接點的接觸電阻變大，使其溫度上升。當溫度上升到一定程度后，設備的機械強度和電氣強度將會出現下降，嚴重時會導致電氣設備的短路，甚至造成設備的損毀，嚴重威脅電網的安全穩定運行。對電氣設備的溫度進行實時監測，可以幫助值班人員盡早發現問題，消除隱患，確保電力系統的安全運行。
傳統的變電站溫度監測技術有紅外測溫法和蠟片法，這些方法都需要人工參與進行設備的檢測，容易出現錯報、漏報，無法進行長時間測量，監測的準確度和實時性較差。無線測溫方式是利用無線網絡，如 ZigBee 無線網絡[5-6]，將傳感器測量到的溫度數據發送到數據接受主機上，實現溫度的測量。無線傳感器體積小，可以方便地安裝在變電站設備的表面，尤其是設備上容易發熱出現故障的地方。因此無線傳感器能較準確地反映設備運行時的溫度信息，并使測量到的溫度數據具有很強的實時性。通過觀察監控機的監測頁面，變電站運行人員能夠及時了解變電站內設備的實時溫度信息。
本文以某 220 kV 無人值守變電站為原型，提出了一種無人值守變電站無線溫度監測系統設計方案，能夠全自動地實現變電站運行設備的實時溫度監測與實時溫度告警功能。
1 變電站溫度監測系統結構
變電站溫度監測系統結構如圖 1 所示，根據系統中各功能模塊的作用，將整個系統劃分為無線測溫模塊和在線監測模塊。
1）無線測溫模塊
無線測溫模塊包含測溫網絡的結構設計、數據采集與存儲的實現。測溫網絡的無線網絡基于ZigBee 通訊協議，通過RS485總線將數據傳輸至控制室主機。數據存儲與采集部分說明了設備溫度信息存儲模型的設計。
2）在線監測模塊
在線監測模塊基于 B/S（Browser/Server）網絡結構進行設計[7]，能夠有效簡化在線監測客戶端的接入。在線監測功能通過基于 SVG 的實時監測圖實現。
2 無線測溫模塊的設計
2.1 無線協議
無線傳輸協議有很不同的種類。在各類應用中，無線傳輸協議以藍牙與 ZigBee 協議為典型代表，表 1 給出了藍牙與 ZigBee 協議之間的比較。
在變電站中，測溫傳感器的安裝數量是不容忽視的問題。本系統雖僅涉及母聯支路與 1 條主變支路，但仍需安裝 44 個測溫傳感器，如果監視全部2條主變支路、2 條負載支路與母聯支路，則至少需要安裝 100 個測溫傳感器，如果再考慮支路末端的分段與其他輔助電氣設備，測溫傳感器的數量將進一步提升。從這個角度出發，使用 ZigBee 協議能夠有效降低測溫模塊的系統成本。
在無線測溫模塊中，傳輸的數據以控制信息、文本數據信息為主體，對通訊速率要求不高，和藍牙傳輸相比，ZigBee 雖然速率較低，但能夠很好地滿足該系統的數據傳輸要求。
同時 ZigBee 擁有好的抗干擾特性并能夠支持 AES 加密技術，保證傳輸數據的安全。綜合以上考慮，ZigBee 協議在該溫度監測系統的構建中具有好的經濟性和適用性。
2.2 測溫網絡結構 ：無線測溫模塊使用RS485總線來完善無線測溫網絡中的不足。表2給出了 RS485 與 ZigBee 無線協議的特點。
無線通信具有信號隨距離衰減的特性，當進行長距離通信時，需要設立無線中繼裝置，保證無線信號的有效覆蓋。在較大規模的變電站中，被監測設備分布較廣，如要保證所有設備的正常監測，將需要大量的無線中繼裝置來保證無線信號的有效覆蓋，無形中增加了系統成本。當出現穿墻的無線傳輸情形時，將需要多的無線中繼節點。為此考慮加入有線網絡來解決這一問題，在圖 1 中，即在變電站測溫區域與控制室主機之間使用 RS485 總線。
在每個 ZigBee 無線測溫網絡中，使用星型網絡拓撲，便于網絡的監控與管理。如果設備數量種類較多時，可以增設中間路由節點，擴展成簇狀網絡拓撲。并根據一定的方式將溫度傳感器進行分組，如按照設備類型分組等，能進一步加強網絡中傳感器的識別與管理，從而能使上述無線測溫網絡適用于不同規模的測溫區域。
當無線網絡中的路由節點發生故障時，路由節點的子節點，如終端的溫度傳感器節點，雖然能夠正常采集數據，但是無法將數據傳遞給網絡中的數據集中器。此時可以借助 ZigBee 的自組網特性，將這些子節點連接到附近其他正常工作的路由節點，通過新的路由節點將測量到的設備溫度數據傳輸到網絡協調器中，保證溫度數據的連貫性。
2.3 數據模型設計
對于同一個電氣設備，可能存在多個溫度監測點，在進行傳感器 ID 與設備 ID 關聯時，采用了面向對象的方式進行關聯，把被監測設備作為一個對象來看待。以隔離開關為例，由于隔離開關具有兩個動觸點，因此安裝有 2 個溫度傳感器分別進行監測，但這兩個傳感器對應同一個設備，如果進行一一對應，那么在數據轉儲的時候會出現數據覆蓋與丟失，而一對多的結構卻違背數據庫的關聯原則。因此按照傳感器的安裝位點，將被監測設備進行拆分，分解成多個設備對象，作為程序處理與數據存儲的實體，并根據設備是否具有 ABC 三相來進行不同設備類型的劃分。
圖2為 220 kV 副母刀閘的模型結構，該刀閘母線側與開關側的兩個動觸點附近分別裝有無線溫度傳感器。可以先將該設備分解為“220 kV 副母刀閘母線側”與“220 kV 副母刀閘開關側”兩個設備對象。再將每個設備對象對應的三相傳感器，設定為設備實體屬性。通過以上兩層結構，實現同一設備與多個溫度傳感器的對應，并實現設備模型的通用化。
3 在線監測平臺設計
3.1 監測平臺結構
在線監測平臺采用 B/S（Browser/Server）結構進行設計，即瀏覽器和服務器結構。B/S 結構與傳統的 C/S（Client/Server）結構相比具有以下優勢。
客戶端的簡化與接入：客戶端計算機只需通過瀏覽器即可訪問監測系統，無需安裝客戶端系統。因此任何接入服務器網絡的電腦都能訪問監測平臺，避免當客戶端出現不可抗力的故障時，不能進行在線監測的問題。同時，監測平臺中使用的用戶管理系統，避免了非授權人員對系統的訪問，并允許按權限訪問系統功能。
多服務器部署與網絡接入：在線監測平臺能夠同時部署在兩臺或多臺服務器上，供不同的用戶進行訪問。其中不同的服務器還可以接入不同的網絡，能夠讓多個網絡用戶的訪問同一資源。
3.2 實時監測圖原理
實時監測功能基于 SVG （ Scalable Vector Graphics）圖形格式的圖片來設計。SVG 即可縮放矢量圖形，是基于可擴展標記語言（XML），具有強動態交互性的圖形格式[8-9]，并且是 IEC61970 中圖形交換的標準。在線監測平臺的實時監測圖是一張基于變電站一次接線圖繪制的 SVG 圖片。
實時監測圖的溫度數據顯示需要后臺數據服務的支持，圖 3 給出了實時監測圖的通信結構。
由圖 3 可知，SVG 顯示的溫度數據全部來源于數據庫，WEB 平臺承擔著數據查詢與讀取的功能。但數據庫和 SVG 兩個模塊，當數據從數據庫向 SVG 界面進行傳輸時，需要將傳感器 ID 和溫度信息進行一一對應，即每一條“ID-溫度”信息都
需要在 SVG 模型中查詢到對應 ID 再進行數據新。為了提高 SVG 的數據新效率，可以在 WEB平臺的數據讀取過程中，對讀取的數據按照 SVG需求進行排序。
排序信息以 XML 配置文件的形式進行描述，圖 4 為 XML 文件示意圖。圖中 Temperature 節點下的 equipLabel 子節點分別與 SVG 中的數據節點對應，實現數據的排序。
經過排序之后的數據信息，不需要再按照 ID在 SVG 模型中進行查詢對應，可以將純數據信息一次性直接存儲在 SVG 模型中。當增加監測設備的數量時，只需要在 Temperature 節點下新增一個equipLabel節點，并在SVG圖形上增加對應的節點，即可實現新增數據的監測。
SVG 所需數據信息通過 XML 配置文件進行描述，與監測平臺和數據庫模型無關，便于系統的移植與擴展。移植時，SVG 圖可以由變電站一次接線圖得到，因此只需要修改上述排序配置文件，即可實現系統的移植，使系統具有較好的通用性。
3.3 實時監測圖數據表現
實時監測圖的數據表現直接影響監測效果的直觀性與準確性。圖 5 為實時監測圖的初期效果（圖中的數據為測試數據，并非現場數據）。
圖 5 中，灰色方塊表示無線測溫傳感器，傳感器附近文字標注了對應傳感器的安裝位置，帶顏色的數據表示設備溫度信息。當設備溫度處于正常范圍時，用綠色表示溫度正常；當溫度超過預警閾值而低于告警閾值時，用紫色表示溫度預警；當溫度超過告警溫度閾值時，用紅色表示溫度告警。
考慮到實時監測圖的傳輸數據量，只傳輸一組處理后的數據，即三相平均值或三相較大值，進行溫度的顯示與監測。這一設計雖然傳輸數據量變少，但是存在信息不完整的問題。
使用平均值顯示時，當某一相溫度過高，如 A相，而另外兩相溫度正常時，由于加權平均的效果，會讓顯示的平均溫度處在溫度告警的區間之外，但實際上 A 相溫度可能達到了告警溫度，而監測系統卻不能正確給出告警。使用較大值時，能夠讓變電站監測人員準確了解設備的預警和告警信息，但是這種顯示方式無法體現各個相序的溫度數據，再借助其他方式進行查詢。同時，當有兩相或三相溫度同時出現異常時，監測畫面只能顯示故障嚴重的一相，故障信息出現嚴重缺失。上述方式都大大降低了實時監測圖的功能效果。
圖 6 為完整信息的實時監測圖數據表現（圖中的數據為測試數據，并非現場數據），監測圖同時顯示了三相的溫度數據。為了區分相位，通過在溫度數據之后添加一個大寫字母來表示對應的相位。如：數據“8.58A”表示 2 號主變 35 kV 套管側 A 相溫度為 8.58 ℃。這種監測數據表現形式能夠直觀的給出整個系統的溫度、告警信息，大大提高了監測圖的展示效果，具有好的應用價值。
4 溫度在線監測系統實現
4.1 傳感器的安裝
在安裝傳感器時，應該以少準確的原則確定安裝點和安裝數量。因此傳感器的安裝數量與測量的準確性決定了監測系統的效率與可靠性。變電站中隔離開關的觸點，電容器與避雷器的接入點都是容易發熱出現故障的地方；主變與母線長期負載運行，其套管與接觸點易老化發熱，而這些設備都是變電站的關鍵設備，都需要進行溫度監測。
青香變電站在 220 kV 母聯支路正母與副母的隔離刀閘兩側、主變支路的正母隔離刀閘兩側、主變 220 kV 與 35 kV 套管側、220 kV 母線壓變避雷器接線處、主變 35 kV 的 III 段與 IV 段負載端等地方的 ABC 三相均安裝了無線溫度傳感器。同時在上述設備所在區域中安裝了溫度傳感器，對環境溫度進行監測，實現變電站內關鍵設備的溫度監測。
4.2 數據采集與存儲
青香 220 kV 無人值守變電站中，2 號主變處于變電站室內，與其他室外設備相距較遠且環境隔離明顯，因此根據 2 號主變的環境特點，劃分出“2號主變室內區域”監測相關區域內的室內設備。而室外設備，諸如避雷器、隔離開關等需監測設備在地理上分布集中，因此根據集中型功能性區域劃分的方式，劃分為“220 kV 母聯支路區域”與“2 號
主變室外區域”。
每個區域單獨設置一個數據集中器，構成星型無線網絡。數據集中器負責收集該區域內所有傳感器節點的測量數據，并通過 RS485 總線將數據以報文的形式傳輸至數據服務器，數據存儲服務接收到數據報文后，將溫度數據存儲至服務器數據庫中。
在線監測平臺部署在青香 220 kV 無人值守變電站主控室的服務器上，變電站值班人員在集控中心的電腦上通過 IE 瀏覽器直接登陸變電站機房部署的在線監測平臺，實現變電站設備溫度的實時監測。
4.3 實時監測圖的演示
圖7為在線監測系統的實時監測圖中監測部分截圖。其中虛線區域為安裝有溫度傳感器的設備區域，實線區域表示 2 號主變室內環境；傳感器的安裝點在圖中使用灰色方塊表示，并在旁邊輔助有文字說明，能夠讓值班人員準確知道傳感器的測溫位置。
圖中顯示的數據均為對應設備的實時溫度值，大部分數據均為正常水平，溫度數據均為綠色。其中“35 kV 套管側溫度”明顯高于其他設備的溫度與環境溫度，達到了 43.4 ℃左右，滿足了溫度預警的條件，因此溫度數據變成了紫色，區別正常工作時的顏色效果。如果溫度繼續升高，溫度數據將變成紅色，并進行溫度告警。
2 號主變當前處于工作狀態，并向 35 kV 的 III段與 IV 段負載進行供電，所有負載電流全部經過 2號主變，因此在 2 號主變的低壓側出現了較大的負載電流，根據 Q=I2R，因此低壓側的套管部分發熱量較大，使設備溫度相對較高，因此產生了上述的溫度預警。此溫度預警能夠有效提示變電站的值班人員來密切監視該設備的運行情況，避免事故的發生。
5 安科瑞無線測溫系統介紹與選型
安科瑞無線測溫監控系統是根據當前無線測溫系統的要求，在廣泛征求用戶和家意見的基礎上,充分吸收當前國內外廠家的成功案例，并結合安科瑞多年來的豐富經驗，采用面向對象的分層分布式設計思想，結合自動化技術、計算機技術、網絡技術、通信技術而設計的一款專業的無線測溫軟件。
5.1 Acrel-2000T無線測溫系統結構
Acrel-2000T無線測溫監控系統通過RS485總線或以太網與間隔層的設備直接進行通信（如圖8），系統設計遵循標準Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規約，安全性、可靠性和開放性都得到了很大地提高。
Acrel-2000T無線測溫監控系統具有遙信、遙測、遙控、遙調、遙設、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能。可以監控無線測溫系統的設備運行狀況，實現快速報警響應，預防嚴重故障發生。
Acrel-2000T無線測溫監控系統主要特點是開放式系統結構，硬件兼容性強，軟件移植性好，應用功能豐富。該系統具有強大的處理能力，快速的事件響應，友好的人機界面，方便的擴充手段。其軟件系統的設計依據軟件工程的設計規范,模塊劃分合理，接口簡捷明了，主要包括主控模塊、人機界面、圖形組態、數據庫管理系統、通信管理等幾大模塊。
5.2 Acrel-2000T無線測溫系統功能
■實時監測
Acrel-2000T無線測溫監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點的溫度數據及有關故障、告警等信息
■溫度查詢
溫度歷史曲線（1分鐘、5分鐘、60分鐘可選）
■運行報表
查詢各回路設備運行溫度報表.
■實時報警
壁掛式無線測溫監控設備具有實時報警功能，設備能夠對溫度越限等事件發出告警。
■設備提供以下凡種告警方式：
a.彈岀事件報驚窗口.
b.實時語音報警功能，能夠對所有事件發出語音告警.
C.短信吿警，可以向號碼發送吿警信息短信（需選配短信貓）.
■歷史告警査詢
Acrel-2000T無線測溫監控系統能夠對所有吿警事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統和告警等事件進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。
■用戶權限管理
Acrel-2000T無線測溫監控系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶權限管理功能。
通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如數據庫修改等）?？梢远x不同級別用戶的 登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
■定值設置
用于修改高溫定值、超溫定值。
■WEB（可選）
展示頁面顯示變電站數量、變壓器數量、監測點位數量等概況信息， 設備溫度、通信狀態，用電分析和事件記錄。首頁顯示場站的變壓器數量、回路個數、有功功率、無功功率、用電量、事件記錄等概況信息，可通過實時監控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。
實時數據曲線可監測各個回路的測點溫度、電壓、電流、功率曲線信息。
接線圖頁面通過一次圖實時反映電氣參數變化，包括測量量、信號量等信息（信號量 需要斷路器提供輔助觸點支持）。
能耗統計頁面顯示各回路的功率峰值和用電量峰值，功率、電能趨勢曲線，電能環比，用電排名。
運維管理\通信狀態顯示監測接入系統設備的通信狀態。
■APP（可選）
設備數據員面顯示各設備的電參量數據、溫度數據以及曲線。
5.3 安科瑞ARTM系列無線測溫終端產品選型
安科瑞電氣接點無線測溫方案由無線溫度傳感器、收發器、顯示單元組成。溫度傳感器直接安裝于斷路器動觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發熱接點，將測溫數據通過無線射頻技術傳至接收裝置，再由接收器485通訊至測溫終端或無線測溫系統（如圖9）。
5.3.1 安科瑞無線溫度傳感器
無線溫度傳感器共有5種，分別對應螺栓固定、表帶固定、扎帶捆綁、合金片固定等安裝方式。針對不同的變電站要求，可根據傳感器供電方式以及安裝位置的不同，考慮安裝方便的因素，選擇相匹配的傳感器。
5.3.2 安科瑞無線收發器
無線測溫收發器共有3種，通過無線射頻方式接收溫度數據。收發器根據不同的傳感器型號進行匹配，同時傳感器的傳輸距離決定接收裝置能否多柜接收。
5.3.3 安科瑞顯示終端
顯示裝置通過RS485連接收發器，可嵌入式安裝于柜體上，若柜體開孔不便，也可選擇壁掛式安裝于配電室內。方便操作人員現場及時查看電氣節點實時溫度的同時，也可以通過RS485或以太網通訊的方式在后臺系統查看現場情況。
6 結語
變電站無線測溫系統在線監測系統能夠有效的提高變電站的智能化水平，減少了人工參與所造成的誤判，并且使得監測系統具有很好的實時性。本文提出了一種變電站無線溫度監測系統的設計方案。系統使用ZigBee協議，有效降低了系統的構建成本。該無線網絡對變電站測溫區域規模具有較好的適應性，數據平臺可擴展性與通用性強。該系統已在某無人值守變電站試運行，效果良好。
【參考文獻】
[1] 鞏憲鋒,衣紅鋼,王長松,等.高壓開關柜隔離觸頭溫度監測研究[J].中國電機工程學報2006,26(1):155-158.
[2] 劉琦,程春,吳健,胡炎,邰能靈,袁成.智能變電站溫度監測主站系統的設計與實現.
[3] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版.
作者簡介：辜秀娟，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事無線測溫系統的研發與應用，Email:，3008713919@qq.com：（同微信），QQ:3008713919
