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浅谈温度监测系统在智能变电站的设计与应用
更新日期：2020-12-25 浏览量：469霍丽丽
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801
摘要：变电站电力设备的温度变化会影响设备的安全稳定运行。针对传统变电站设备温度监测方式的弊端，提出了一种基于ZigBee 协议的无线温度在线监测系统方案。该系统采用星型结构组建 ZigBee 无线网，使用 SVG 矢量图实现基于 B/S 的在线监测平台。测温系统的设计考虑了数据模型的通用性和监测平台的可移植性，为变电站温度在线监测系统的设计提供借鉴。
关键词：变电站；温度；在线监测；ZigBee 协议；SVG
0 引言
在电力系统中，电力设备的温度变化是一个非常重要的指标，它关系到电力设备能否安全稳定运行。在变电站运行过程中，一次设备的电接点由于设备制造、触电氧化、电弧冲击等原因，会导致电接点的接触电阻变大，使其温度上升。当温度上升到一定程度后，设备的机械强度和电气强度将会出现下降，严重时会导致电气设备的短路，甚至造成设备的损毁，严重威胁电网的安全稳定运行。对电气设备的温度进行实时监测，可以帮助值班人员尽早发现问题，消除隐患，确保电力系统的安全运行。
传统的变电站温度监测技术有红外测温法和蜡片法，这些方法都需要人工参与进行设备的检测，容易出现错报、漏报，无法进行长时间测量，监测的准确度和实时性较差。无线测温方式是利用无线网络，如 ZigBee 无线网络[5-6]，将传感器测量到的温度数据发送到数据接受主机上，实现温度的测量。无线传感器体积小，可以方便地安装在变电站设备的表面，尤其是设备上容易发热出现故障的地方。因此无线传感器能较准确地反映设备运行时的温度信息，并使测量到的温度数据具有很强的实时性。通过观察监控机的监测页面，变电站运行人员能够及时了解变电站内设备的实时温度信息。
本文以某 220 kV 无人值守变电站为原型，提出了一种无人值守变电站无线温度监测系统设计方案，能够全自动地实现变电站运行设备的实时温度监测与实时温度告警功能。
1 变电站温度监测系统结构
变电站温度监测系统结构如图 1 所示，根据系统中各功能模块的作用，将整个系统划分为无线测温模块和在线监测模块。
1）无线测温模块
无线测温模块包含测温网络的结构设计、数据采集与存储的实现。测温网络的无线网络基于ZigBee 通讯协议，通过RS485总线将数据传输至控制室主机。数据存储与采集部分说明了设备温度信息存储模型的设计。
2）在线监测模块
在线监测模块基于 B/S（Browser/Server）网络结构进行设计[7]，能够有效简化在线监测客户端的接入。在线监测功能通过基于 SVG 的实时监测图实现。
2 无线测温模块的设计
2.1 无线协议
无线传输协议有很不同的种类。在各类应用中，无线传输协议以蓝牙与 ZigBee 协议为典型代表，表 1 给出了蓝牙与 ZigBee 协议之间的比较。
在变电站中，测温传感器的安装数量是不容忽视的问题。本系统虽仅涉及母联支路与 1 条主变支路，但仍需安装 44 个测温传感器，如果监测全部2条主变支路、2 条负载支路与母联支路，则至少需要安装 100 个测温传感器，如果再考虑支路末端的分段与其他辅助电气设备，测温传感器的数量将进一步提升。从这个角度出发，使用 ZigBee 协议能够有效降低测温模块的系统成本。
在无线测温模块中，传输的数据以控制信息、文本数据信息为主体，对通讯速率要求不高，和蓝牙传输相比，ZigBee 虽然速率较低，但能够很好地满足该系统的数据传输要求。
同时 ZigBee 拥有更好的抗干扰特性并能够支持 AES 加密技术，保证传输数据的安全。综合以上考虑，ZigBee 协议在该温度监测系统的构建中具有更好的经济性和适用性。
2.2 测温网络结构 ：无线测温模块使用RS485总线来完善无线测温网络中的不足。表2给出了 RS485 与 ZigBee 无线协议的特点。
无线通信具有信号随距离衰减的特性，当进行长距离通信时，需要设立无线中继装置，保证无线信号的有效覆盖。在较大规模的变电站中，被监测设备分布较广，如要保证所有设备的正常监测，将需要大量的无线中继装置来保证无线信号的有效覆盖，无形中增加了系统成本。当出现穿墙的无线传输情形时，将需要更多的无线中继节点。为此考虑加入有线网络来解决这一问题，在图 1 中，即在变电站测温区域与控制室主机之间使用 RS485 总线。
在每个 ZigBee 无线测温网络中，使用星型网络拓扑，便于网络的监控与管理。如果设备数量种类较多时，可以增设中间路由节点，扩展成簇状网络拓扑。并根据一定的方式将温度传感器进行分组，如按照设备类型分组等，能进一步加强网络中传感器的识别与管理，从而能使上述无线测温网络适用于不同规模的测温区域。
当无线网络中的路由节点发生故障时，路由节点的子节点，如终端的温度传感器节点，虽然能够正常采集数据，但是无法将数据传递给网络中的数据集中器。此时可以借助 ZigBee 的自组特性，将这些子节点连接到附近其他正常工作的路由节点，通过新的路由节点将测量到的设备温度数据传输到网络协调器中，保证温度数据的连贯性。
2.3 数据模型设计
对于同一个电气设备，可能存在多个温度监测点，在进行传感器 ID 与设备 ID 关联时，采用了面向对象的方式进行关联，把被监测设备作为一个对象来看待。以隔离开关为例，由于隔离开关具有两个动触点，因此安装有 2 个温度传感器分别进行监测，但这两个传感器对应同一个设备，如果进行一一对应，那么在数据转储的时候会出现数据覆盖与丢失，而一对多的结构却违背数据库的关联原则。因此按照传感器的安装位点，将被监测设备进行拆分，分解成多个设备对象，作为程序处理与数据存储的实体，并根据设备是否具有 ABC 三相来进行不同设备类型的划分。
图2为 220 kV 副母刀闸的模型结构，该刀闸母线侧与开关侧的两个动触点附近分别装有无线温度传感器。可以先将该设备分解为“220 kV 副母刀闸母线侧”与“220 kV 副母刀闸开关侧”两个设备对象。再将每个设备对象对应的三相传感器，设定为设备实体属性。通过以上两层结构，实现同一设备与多个温度传感器的对应，并实现设备模型的通用化。
3 在线监测平台设计
3.1 监测平台结构
在线监测平台采用 B/S（Browser/Server）结构进行设计，即浏览器和服务器结构。B/S 结构与传统的 C/S（Client/Server）结构相比具有以下优势。
客户端的简化与接入：客户端计算机只需通过浏览器即可访问监测系统，无需安装客户端系统。因此任何接入服务器网络的电脑都能访问监测平台，避免当客户端出现不可抗力的故障时，不能进行在线监测的问题。同时，监测平台中使用的用户管理系统，避免了非人员对系统的访问，并允许按权限访问系统功能。
多服务器部署与网络接入：在线监测平台能够同时部署在两台或多台服务器上，供不同的用户进行访问。其中不同的服务器还可以接入不同的网络，能够让多个独立网络用户的访问同一资源。
3.2 实时监测图原理
实时监测功能基于 SVG （ Scalable Vector Graphics）图形格式的图片来设计。SVG 即可缩放矢量图形，是基于可扩展标记语言（XML），具有强动态交互性的图形格式[8-9]，并且是 IEC61970 中图形交换的标准。在线监测平台的实时监测图是一张基于变电站一次接线图绘制的 SVG 图片。
实时监测图的温度数据显示需要后台数据服务的支持，图 3 给出了实时监测图的通信结构。
由图 3 可知，SVG 显示的温度数据全部来源于数据库，WEB 平台承担着数据查询与读取的功能。但数据库和 SVG 两个模块相对独立，当数据从数据库向 SVG 界面进行传输时，需要将传感器 ID 和温度信息进行一一对应，即每一条“ID-温度”信息都
需要在 SVG 模型中查询到对应 ID 再进行数据更新。为了提高 SVG 的数据更新效率，可以在 WEB平台的数据读取过程中，对读取的数据按照 SVG需求进行排序。
排序信息以 XML 配置文件的形式进行描述，图 4 为 XML 文件示意图。图中 Temperature 节点下的 equipLabel 子节点分别与 SVG 中的数据节点对应，实现数据的排序。
经过排序之后的数据信息，不需要再按照 ID在 SVG 模型中进行查询对应，可以将纯数据信息一次性直接存储在 SVG 模型中。当增加监测设备的数量时，只需要在 Temperature 节点下新增一个equipLabel节点，并在SVG图形上增加对应的节点，即可实现新增数据的监测。
SVG 所需数据信息通过 XML 配置文件进行描述，与监测平台和数据库模型无关，便于系统的移植与扩展。移植时，SVG 图可以由变电站一次接线图得到，因此只需要修改上述排序配置文件，即可实现系统的移植，使系统具有较好的通用性。
3.3 实时监测图数据表现
实时监测图的数据表现直接影响监测效果的直观性与准确性。图 5 为实时监测图的初期效果（图中的数据为测试数据，并非现场数据）。
图 5 中，灰色方块表示无线测温传感器，传感器附近文字标注了对应传感器的安装位置，带颜色的数据表示设备温度信息。当设备温度处于正常范围时，用绿色表示温度正常；当温度超过预警阈值而低于告警阈值时，用紫色表示温度预警；当温度超过告警温度阈值时，用红色表示温度告警。
考虑到实时监测图的传输数据量，只传输一组处理后的数据，即三相平均值或三相较大值，进行温度的显示与监测。这一设计虽然传输数据量变少，但是存在信息不完整的问题。
使用平均值显示时，当某一相温度过高，如 A相，而另外两相温度正常时，由于加权平均的效果，会让显示的平均温度处在温度告警的区间之外，但实际上 A 相温度可能达到了告警温度，而监测系统却不能正确给出告警。使用较大值时，能够让变电站监测人员准确了解设备的预警和告警信息，但是这种显示方式无法体现各个相序的温度数据，再借助其他方式进行查询。同时，当有两相或三相温度同时出现异常时，监测画面只能显示故障严重的一相，故障信息出现严重缺失。上述方式都大大降低了实时监测图的功能效果。
图 6 为完整信息的实时监测图数据表现（图中的数据为测试数据，并非现场数据），监测图同时显示了三相的温度数据。为了区分相位，通过在温度数据之后添加一个大写字母来表示对应的相位。如：数据“8.58A”表示 2 号主变 35 kV 套管侧 A 相温度为 8.58 ℃。这种监测数据表现形式能够更直观的给出整个系统的温度、告警信息，大大提高了监测图的展示效果，具有更好的应用价值。
4 温度在线监测系统实现
4.1 传感器的安装
在安装传感器时，应该以少准确的原则确定安装点和安装数量。因此传感器的安装数量与测量的准确性决定了监测系统的效率与可靠性。变电站中隔离开关的触点，电容器与避雷器的接入点都是容易发热出现故障的地方；主变与母线*负载运行，其套管与接触点易老化发热，而这些设备都是变电站的关键设备，都需要进行温度监测。
青香变电站在 220 kV 母联支路正母与副母的隔离刀闸两侧、主变支路的正母隔离刀闸两侧、主变 220 kV 与 35 kV 套管侧、220 kV 母线压变避雷器接线处、主变 35 kV 的 III 段与 IV 段负载端等地方的 ABC 三相均安装了无线温度传感器。同时在上述设备所在区域中安装了温度传感器，对环境温度进行监测，实现变电站内关键设备的温度监测。
4.2 数据采集与存储
青香 220 kV 无人值守变电站中，2 号主变处于变电站室内，与其他室外设备相距较远且环境隔离明显，因此根据 2 号主变的环境特点，划分出“2号主变室内区域”监测相关区域内的室内设备。而室外设备，诸如避雷器、隔离开关等需监测设备在地理上分布集中，因此根据集中型功能性区域划分的方式，划分为“220 kV 母联支路区域”与“2 号
主变室外区域”。
每个区域单独设置一个数据集中器，构成星型无线网络。数据集中器负责收集该区域内所有传感器节点的测量数据，并通过 RS485 总线将数据以报文的形式传输至数据服务器，数据存储服务接收到数据报文后，将温度数据存储至服务器数据库中。
在线监测平台部署在青香 220 kV 无人值守变电站主控室的服务器上，变电站值班人员在集控中心的电脑上通过 IE 浏览器直接登陆变电站机房部署的在线监测平台，实现变电站设备温度的实时监测。
4.3 实时监测图的演示
图7为在线监测系统的实时监测图中监测部分截图。其中虚线区域为安装有温度传感器的设备区域，实线区域表示 2 号主变室内环境；传感器的安装点在图中使用灰色方块表示，并在旁边辅助有文字说明，能够让值班人员准确知道传感器的测温位置。
图中显示的数据均为对应设备的实时温度值，大部分数据均为正常水平，温度数据均为绿色。其中“35 kV 套管侧温度”明显高于其他设备的温度与环境温度，达到了 43.4 ℃左右，满足了温度预警的条件，因此温度数据变成了紫色，区别正常工作时的颜色效果。如果温度继续升高，温度数据将变成红色，并进行温度告警。
2 号主变当前处于工作状态，并向 35 kV 的 III段与 IV 段负载进行供电，所有负载电流全部经过 2号主变，因此在 2 号主变的低压侧出现了较大的负载电流，根据 Q=I2R，因此低压侧的套管部分发热量较大，使设备温度相对较高，因此产生了上述的温度预警。此温度预警能够有效提示变电站的值班人员来密切监测该设备的运行情况，避免事故的发生。
5 安科瑞无线测温系统介绍与选型
安科瑞无线测温监控系统是根据当前无线测温系统的要求，在广泛征求用户和家意见的基础上,充分吸收当前国内外厂家的成功案例，并结合安科瑞多年来的丰富经验，采用面向对象的分层分布式设计思想，结合自动化技术、计算机技术、网络技术、通信技术而设计的一款专业的无线测温软件。
5.1 Acrel-2000T无线测温系统结构
Acrel-2000T无线测温监控系统通过RS485总线或以太网与间隔层的设备直接进行通信（如图8），系统设计遵循标准Modbus-RTU, Modbus TCP等传输规约，安全性、可靠性和开放性都得到了很大地提高。
Acrel-2000T无线测温监控系统具有遥信、遥测、遥控、遥调、遥设、事件报警、曲线、棒图、报表和用户管理功能。可以监控无线测温系统的设备运行状况，实现快速报警响应，预防严重故障发生。
Acrel-2000T无线测温监控系统主要特点是开放式系统结构，硬件兼容性强，软件移植性好，应用功能丰富。该系统具有强大的处理能力，快速的事件响应，友好的人机界面，方便的扩充手段。其软件系统的设计依据软件工程的设计规范,模块划分合理，接口简捷明了，主要包括主控模块、人机界面、图形组态、数据库管理系统、通信管理等几大模块。
5.2 Acrel-2000T无线测温系统功能
■实时监测
Acrel-2000T无线测温监控软件人机界面友好，能够以配电一次图的形式直观显示各测温节点的温度数据及有关故障、告警等信息
■温度查询
温度历史曲线（1分钟、5分钟、60分钟可选）
■运行报表
查询各回路设备运行溫度报表.
■实时报警
壁挂式无线测温监控设备具有实时报警功能，设备能够对温度越限等事件发出告警。
■设备提供以下凡种警示方式：
a.弹岀事件报驚窗口.
b.实时语音报警功能，能够对所有事件发出语音告警.
C.短信吿警，可以向号码发送吿警信息短信
■历史告警査询
Acrel-2000T无线测温监控系统能够对所有吿警事件记录进行存储和管理，方便用户对系统和告警等事件进行历史追溯，查询统计、事故分析。
■用户权限管理
Acrel-2000T无线测温监控系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。
通过用户权限管理能够防止未经的操作（如数据库修改等）。可以定义不同级别用户的 登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。
■定值设置
用于修改高温定值、超温定值。
■WEB（可选）
展示页面显示变电站数量、变压器数量、监测点位数量等概况信息， 设备温度、通信状态，用电分析和事件记录。首页显示场站的变压器数量、回路个数、有功功率、无功功率、用电量、事件记录等概况信息，可通过实时监控、变压器、通信模块切换到需要查看的界面。
实时数据曲线可监测各个回路的测点温度、电压、电流、功率曲线信息。
接线图页面通过一次图实时反映电气参数变化，包括测量量、信号量等信息（信号量 需要断路器提供辅助触点支持）。
能耗统计页面显示各回路的功率峰值和用电量峰值，功率、电能趋势曲线，电能环比，用电排名。
运维管理\通信状态显示监测接入系统设备的通信状态。
■APP（可选）
设备数据员面显示各设备的电參量数据、温度数据以及曲线。
5.3 安科瑞ARTM系列无线测温终端产品选型
安科瑞电气接点无线测温方案由无线温度传感器、收发器、显示单元组成。温度传感器直接安装于断路器动触头、静触头、电缆接头、母排等发热接点，将测温数据通过无线射频技术传至接收装置，再由接收器485通讯至测温终端或无线测温系统（如图9）。
5.3.1 安科瑞无线温度传感器
无线温度传感器共有5种，分别对应螺栓固定、表带固定、扎带捆绑、合金片固定等安装方式。针对不同的变电站要求，可根据传感器供电方式以及安装位置的不同，考虑安装方便的因素，选择相匹配的传感器。
5.3.2 安科瑞无线收发器
无线测温收发器共有3种，通过无线射频方式接收温度数据。收发器根据不同的传感器型号进行匹配，同时传感器的传输距离决定接收装置能否多柜接收。
5.3.3 安科瑞显示终端
显示装置通过RS485连接收发器，可嵌入式安装于柜体上，若柜体开孔不便，也可选择壁挂式安装于配电室内。方便操作人员现场及时查看电气节点实时温度的同时，也可以通过RS485或以太网通讯的方式在后台系统查看现场情况
6 结语
变电站无线测温系统在线监测系统能够有效的提高变电站的智能化水平，减少了人工参与所造成的误判，并且使得监测系统具有很好的实时性。本文提出了一种变电站无线温度监测系统的设计方案。系统使用ZigBee协议，有效降低了系统的构建成本。该无线网络对变电站测温区域规模具有较好的适应性，数据平台可扩展性与通用性强。该系统已在某无人值守变电站试运行，效果良好。
【参考文献】
[1] 巩宪锋,衣红钢,王长松,等.高压开关柜隔离触头温度监测研究[J].中国电机工程学报2006,26(1):155-158.
[2] 刘琦,程春,吴健,胡炎,邰能灵,袁成.智能变电站温度监测主站系统的设计与实现.
[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版.
作者简介：杨霍丽丽，女，安科瑞电气股份有限公司，主要从事无线测温系统的研发与应用