韓歡慶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:傳統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(wèn)題，缺乏一種有效的在線(xiàn)測溫技術(shù)，難以滿(mǎn)足數字配電網(wǎng)發(fā)展需求。為有效解決這些問(wèn)題，實(shí)現設備狀態(tài)感知，設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無(wú)線(xiàn)測溫系統。該方法采用高壓感應取能、基于Zigbee協(xié)議的無(wú)線(xiàn)傳輸通信方式，可實(shí)現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(wú)線(xiàn)測溫傳感器;感應取能;無(wú)線(xiàn)傳輸;狀態(tài)感知

0引言

電力設備在運行中，由于過(guò)負荷、電纜和觸頭接觸不良、短路等原因造成的事故時(shí)有發(fā)生。由于電纜頭制作工藝問(wèn)題，10kV環(huán)網(wǎng)柜在運行中可能會(huì )因電纜頭發(fā)熱進(jìn)而引起局部放電或絕緣老化，可能會(huì )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(zhù)我國經(jīng)濟的快速增長(cháng)和配電網(wǎng)規模的迅速發(fā)展，設備數量與種類(lèi)越來(lái)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(lái)越高。傳統的運維方式費時(shí)、費力，無(wú)法保證配電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性和安全性，因而單一依賴(lài)于傳統的人工運維模式難以滿(mǎn)足未來(lái)發(fā)展需求。蘇東、馬仲能等人對配網(wǎng)開(kāi)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(gè)配網(wǎng)開(kāi)關(guān)柜的巡檢成本高達327萬(wàn)，而故障成本高達120.44萬(wàn)[2]。因此，實(shí)現配電設備狀態(tài)感知、運行數據的自動(dòng)獲取、故障信息主動(dòng)預警，降低運營(yíng)成本，是落實(shí)“數字南網(wǎng)"的具體舉措。本文設計了集成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數據技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信等技術(shù)，通過(guò)在環(huán)網(wǎng)柜電纜頭植入無(wú)線(xiàn)測溫傳感器，從而實(shí)時(shí)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，解決環(huán)網(wǎng)柜電纜頭測溫難題。

1無(wú)線(xiàn)測溫系統解決方案

無(wú)線(xiàn)測溫系統按三層架構設計，感知層主要包括布置于環(huán)網(wǎng)柜的無(wú)線(xiàn)測溫傳感器、數據采集終端，負責底層數據采集和邊緣計算；網(wǎng)絡(luò )層由網(wǎng)絡(luò )管理系統、有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)數據網(wǎng)絡(luò )、云計算平臺等組成，負責將采集終端的數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )安全加密后傳輸給云計算平臺；應用層物聯(lián)網(wǎng)與用戶(hù)的接口，與用戶(hù)的業(yè)務(wù)需求相結合，實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)的智能化服務(wù)應用。

1.1無(wú)線(xiàn)測溫硬件架構

無(wú)線(xiàn)測溫監控硬件系統主要由測溫傳感器、Zigbee通信模塊、數據采集終端、通信總線(xiàn)或以太網(wǎng)口、工控機、云服務(wù)器和移動(dòng)應用終端等組成。通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集環(huán)網(wǎng)柜電纜頭位置的溫度，以無(wú)線(xiàn)通信形式傳輸給數據采集終端，經(jīng)數據處理、運算分析后在本地顯示測量溫度值，同時(shí)通過(guò)RS48總線(xiàn)或以太網(wǎng)接口，將數據傳輸工控機，并保存在云服務(wù)器，客戶(hù)可通過(guò)監控主站或移動(dòng)應用客戶(hù)端查閱溫度信息。

圖1環(huán)網(wǎng)柜無(wú)線(xiàn)測溫系統架構

1.2數據無(wú)線(xiàn)傳輸方案

無(wú)線(xiàn)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(cháng)期處于高壓磁場(chǎng)中，既要解決電磁干擾問(wèn)題，同時(shí)需解決絕緣以及數據傳輸問(wèn)題，這是本系統設計的難點(diǎn)之一。為解決上述問(wèn)題，本測溫系統采用模塊化設計，傳感器澆注于高壓電纜堵頭中，數據采集終端安裝于環(huán)網(wǎng)柜的低壓二次小室，傳感器與數據采集終端之間采用基于Zigbee協(xié)議無(wú)線(xiàn)傳輸，無(wú)需改變環(huán)網(wǎng)柜的內部結構，避免受高壓電磁場(chǎng)的干擾，同時(shí)便于今后運行與維護。該方案數據傳輸基于Zigbee協(xié)議，Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的個(gè)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(jiǎn)單易實(shí)現的無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，能夠很好地應用于變配電站內的數據傳輸。

圖2測溫裝置無(wú)線(xiàn)數據傳輸原理框圖

如圖2所示，傳感器中集成了無(wú)線(xiàn)數據傳輸發(fā)射模塊，數據采集終端中集成了接收模塊，接收端實(shí)現數據集中器的功能，接收、上傳、運算所在范圍內溫度傳感模塊的數據，從而實(shí)時(shí)、可靠地收集范圍內的有效數據。該模塊采用樹(shù)狀拓撲結構，具有較強的可擴展性，從而實(shí)現系統架構中的通信功能。

2無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)測溫傳感器是利用壓感應取能，熱電阻接觸式測溫與無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)原理，實(shí)現環(huán)網(wǎng)柜電纜頭的溫度實(shí)時(shí)采集。測溫傳感器是將測溫探頭、電源模塊、金屬屏蔽罩、無(wú)線(xiàn)數據發(fā)射模塊和MCU核心模塊澆注于環(huán)氧樹(shù)脂電纜堵頭內，結構設計如圖3所示。當電纜運行時(shí)，在傳感器高壓導電端內部產(chǎn)生交變電場(chǎng)，由金屬屏蔽罩和電纜芯線(xiàn)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核心模塊監測熱電阻的線(xiàn)性變化，來(lái)判斷電纜頭連接處的溫度變化，并將采集的數據經(jīng)無(wú)線(xiàn)的方式傳輸給數據采集終端，由采集終端完成數據采集、處理與運算，并將數據傳輸給監控后臺或移動(dòng)客戶(hù)端，測溫原理如圖4所示。

圖3傳感器結構設計

圖4無(wú)線(xiàn)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

傳感器內置于經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂澆注的電纜堵頭內，且處于高壓磁場(chǎng)中，為確保傳感器運行時(shí)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(wèn)題。傳感器需要在設計取能裝置時(shí)候充分考慮到杜絕間隙放電和介質(zhì)放電的問(wèn)題。因此，結構設計方面通過(guò)在傳感器電路板外設計了金屬屏蔽罩，用于均勻內部場(chǎng)強分布，并通過(guò)ANSYS仿真系統進(jìn)行仿真驗證，傳感器的澆注工藝方面，保證澆注后傳感器內部無(wú)氣泡。傳感器在高溫環(huán)境中工作也是本研究的難點(diǎn)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(shí)的工作電流為微安級，通訊瞬時(shí)電流15mA。同時(shí)，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)境溫度穩定運行，150℃時(shí)數據能正常測量，280℃時(shí)傳感器內部元器件不發(fā)生形變或損壞。無(wú)線(xiàn)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(shí)，在結構設計和電路設計根據規則充分考慮EMC特性。*后，傳感器信號傳輸采用ZigBee協(xié)議進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸，ZigBee采用O-QPSK信號調制方式，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，確保電路板安裝在絕緣堵頭銅金屬件內，不會(huì )因為傳感器的存在而降低環(huán)氧樹(shù)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(chǎng)中會(huì )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。依靠取能電路穩定工作，且充放電頻率匹配來(lái)確保懸浮電極無(wú)局放產(chǎn)生。

3數據處理與告警機制

3.1軟件抗干擾設計

測溫傳感器與采集器之間采用無(wú)線(xiàn)傳輸方式，無(wú)線(xiàn)信號在傳輸中，易收到外界干擾而造成誤傳、誤收和信號無(wú)法接收等情況。為提高可靠性，載軟件設計方面，通過(guò)以下幾種措施解決：CRC循環(huán)冗余校驗：循環(huán)冗余校驗對傳輸數據進(jìn)行校驗，根據傳輸數據內容和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據和CRC算法進(jìn)行計算，得到16比特的CRC校驗碼如果和數據傳輸部分的CRC吻合，則發(fā)送時(shí)沒(méi)有出現比特錯誤；若不吻合，則發(fā)送時(shí)出現比特錯誤，丟棄該數據。防碰撞與無(wú)線(xiàn)信道監測機制：ZigBee采用的是CSMA/CA（載波多路訪(fǎng)問(wèn)）的防碰撞機制。送出數據前，媒體狀態(tài)，等沒(méi)有人使用媒體，維持一段時(shí)間后，再等待一段隨機的時(shí)間后依然沒(méi)有人使用，才送出數據。由于每個(gè)設備采用的隨機時(shí)間不同，所以可以減少沖突的機會(huì )?；蛘咚统鰯祿?，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(kāi)始傳送。

3.2數據儲存

數據采集終端收到傳感器數據，對數據進(jìn)行分析和存儲。在數據存儲上，按照隊列的先進(jìn)先出法制進(jìn)行存儲，支持3年的歷史數據存儲。

3.3告警與防誤報機制

圖5告警與防誤報程序邏輯

無(wú)線(xiàn)測溫系統通過(guò)實(shí)時(shí)監測與處理后的數據，在就地或通過(guò)后臺顯示溫度值，當設備發(fā)生溫度異?；蛴捎诰€(xiàn)路中的諧波等干擾因素造成誤報，系統將根據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(jìn)行分析，發(fā)出報警信號或閉鎖報警。數據采集終端針對每個(gè)測溫傳感器進(jìn)行告警設置，通過(guò)實(shí)時(shí)監測數據與預設定的閾值進(jìn)行比較判斷。具體邏輯如圖5所示，當狀態(tài)處于正常時(shí)，監測到數據突然超出允許波動(dòng)范圍，裝置記錄次數，若記錄次數達到預設次數時(shí)，裝置發(fā)出告警信號，否則進(jìn)入休眠狀態(tài)；當監測數據超過(guò)波動(dòng)范圍時(shí)間持續達到時(shí)間閾值時(shí)，產(chǎn)生告警信息并發(fā)送。這種多次超限統計判斷告警模式，可避免周邊電磁干擾帶來(lái)的誤報問(wèn)題。

圖6G01柜溫度監測曲線(xiàn)圖

4現場(chǎng)應用

本系統經(jīng)過(guò)嚴格的測試，并在廣州某智能配電房項目中開(kāi)展了掛網(wǎng)運行。該智能配電房?jì)劝惭b12面智能環(huán)網(wǎng)柜，分別由10kV南翔F20與10kV石橋F16進(jìn)行環(huán)網(wǎng)型供電。在每面開(kāi)關(guān)柜A、B、C三相電纜頭內分別安裝1只無(wú)線(xiàn)測溫傳感器，每段母線(xiàn)安裝1套數據采集終端，傳感器與數據采集終端之間采用Zigbee協(xié)議自組網(wǎng)通信。數據采集終端通過(guò)RS485總線(xiàn)與該房的智能電房監控終端連接，數據經(jīng)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)傳輸到某***主站，系統架構如圖1所示。經(jīng)過(guò)3個(gè)月的掛網(wǎng)試運行和現場(chǎng)測試結果對比分析，數據傳輸準確可靠，能在后臺實(shí)時(shí)掌握環(huán)網(wǎng)柜的溫度變化，為該運行單位減少了線(xiàn)下運維工作量。圖1摘取該房G01柜2019年10-12月監測溫度繪制的曲線(xiàn)圖，運行人員能準確掌握開(kāi)關(guān)柜的運行溫度變化趨勢，運行期間未曾發(fā)生數據誤報信息。

5.安科瑞電氣火災監控系統

5.1概述

Acre1-6000電氣火災監控系統，是根據中心的消防電子產(chǎn)品試驗認證，并且均通過(guò)嚴格的EMC電磁兼容試驗，保證了該系列產(chǎn)品在低壓配電系統中的安全正常運行，現均已批量生產(chǎn)并在全國得到廣泛地應用。該系統通過(guò)對剩余電流、過(guò)電流、過(guò)電壓、溫度和故障電弧等信號的采集與監視，實(shí)現對電氣火災的早期預防和報警，當必要時(shí)還能聯(lián)動(dòng)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;并根據用戶(hù)的需求，還可以滿(mǎn)足與AcreIEMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺或火災自動(dòng)報警系統等進(jìn)行數據交換和共享。

5.2應用場(chǎng)合

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

5.3系統結構

5.4系統功能

1）監控設備能接收多臺探測器的剩余電流、溫度信息，報警時(shí)發(fā)出聲、光報警信號，同時(shí)設備上紅色“報警"指示燈亮，顯示屏指示報警部位及報警類(lèi)型，記錄報警時(shí)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(shí)現復位。對于聲音報警信號也可以使用觸摸屏“消聲"按鍵手動(dòng)消除。

2）當被監測回路報警時(shí)，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(shí)，監控畫(huà)面中相應的探測器顯示故障提示，同時(shí)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(shí)，監控設備也發(fā)出聲光報警信號并顯示故障信息，可進(jìn)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(shí)，將報警部位、故障信息、報警時(shí)間等信息存儲在數據庫中，當報警解除、排除故障時(shí)，同樣予以記錄。歷史數據提供多種便捷、快速的查詢(xún)方法。

5.5配置方案

6結束語(yǔ)

隨著(zhù)數字電網(wǎng)與配電物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，實(shí)現配電設備運行狀態(tài)感知、數字化以及可觀(guān)、可測、可控是配電物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。開(kāi)關(guān)柜的電連接處溫度過(guò)高或者升高過(guò)快，對開(kāi)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(xiàn)和健康狀況。后續工作還可以結合人工智能技術(shù)，為運維單位實(shí)現智能運維，進(jìn)一步提高運維工作效率和供電可靠性。

參考文獻

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[4]安科瑞消防應急照明和疏散指示系統/防火門(mén)監控系統/消防設備電源監控系統/電

[5]氣火災監控系統選型手冊.2022.05版

作者簡(jiǎn)介

韓歡慶，女，現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領(lǐng)域。