基于WSN的電力設備熱點溫度預警系統設計

楊莉莉 方劍

青海省電力公司信息通信公司，青海 西寧 810600

引言

現有的電力系統由發電、輸電、變電、配電、用電等方面不同功能的設備結合而成，某些關鍵電力設備產生故障可能會導致整個系統發生破壞性故障。這不僅會對電力系統相關企業造成一定的經濟利益損失，更是會對全體用電用戶造成不可估量的經濟損失。而電力設備的故障與老化往往伴隨著異常發熱，因此研發一種無線監控裝置，由人為檢查接點發熱，變為接點自動報告發熱，保障全天候在線監測電力設備發熱隱患[1]。論文研究的熱點預警系統旨在實時掌控電力設備運行溫度，完成對監測信息的數據分析，了解設備的運行狀態，對可能發生的事故進行預警，及時發現并消除安全隱患，以提高電網運行安全可靠性[2]。

1 熱點預警系統架構說明

圖1 熱點預警系統網絡結構圖

如圖1所示，熱點溫度預警系統由測溫裝置、多功能無線數據采集上位機、監測數據管理軟件等組成。測溫裝置與上位機的通信擬采用433MHz射頻技術，避免了布線困難，測溫裝置組成自組織網絡，實現自動獲取溫度信息的目標；上位機與管理計算機之間的通信選用232與485通信，提供兩種傳輸方式，數據傳輸距離比較近時選用232串口傳輸方式，比較遠時選用485模差傳輸方式；并預留GPRS傳輸接口，方便以后數據的遠傳與升級；管理計算機與值班管理人員的計算機使用本地局域網或廣域網互相通信。

通過在變電站戶外接頭處安裝無線測溫裝置，可將接頭處的溫度數據傳輸到站內安裝的無線數據采集上位機。通過監測數據管理軟件進行數據挖掘后，并實現自動告警、數據趨勢曲線展示等功能。

2 熱點溫度預警系統硬件設計

2.1 測溫裝置硬件設計

如圖2所示，測溫裝置主要由MCU、溫度傳感器、射頻芯片、電源電路四個部分組成。溫度傳感器將采樣區溫度形成一個與其成正比的電壓信號，由MCU的AD采集引腳讀出該電壓幅值，轉化回溫度，進行相應計算后由射頻芯片發出，最終傳輸至上位機處。溫度監測預警系統的MCU選用PIC系列8位CMOS單片機，PIC18F13K22-E/SS，具有功耗低、自編程、10位AD等諸多優點適合熱點溫度預警系統的需求[3]。射頻接收芯片選用nRF905高性能單片式無線收發芯片，可工作于433Mhz頻道，具備ShockBurstTM工作模式，可自動處理字頭和CRC(循環冗余碼校驗)，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便、功耗非常低。

圖2 測溫裝置硬件原理圖

2.2 上位機的硬件設計

圖3 上位機硬件原理圖

上位機節點與測溫裝置相比減少了溫度傳感器模塊，其余沿用測溫裝置的硬件設計：由MCU控制射頻芯片的電源，降低系統能耗；通過射頻芯片接收測溫裝置發送的溫度信息與告警信息，緩存處理后轉發給管理服務器或管理人員的電腦。

圖4為測溫裝置的硬件設計，上位機的設計與其相似，無需贅言。

3 系統管理軟件設計

管理軟件是整個系統與管理人員的橋梁，主要分為以下幾個模塊：

1）基礎信息管理模塊：主要管理站內設備的基本信息，包括測溫裝置所處設備的基本臺賬、運行檢修信息等。通過數據共享和手工錄入兩種方式獲取數據，可與PMS等符合SG186規范的信息系統通過數據接口的方式獲取數據。

2）監測點管理模塊：主要負責管理變電站內安裝的測溫監控裝置基本情況。包括裝置安裝位置、裝置投運日期、設備型號、使用年限等管理信息。

圖4 測溫裝置硬件圖

3）在線監測數據管理模塊：主要管理實時測溫數據，在變電站接線圖上實時顯示監測點溫度信息，以圖形化的操作方式查詢各個監測點的實時、歷史、測溫點溫度信息。

4）數據規范性驗證模塊：主要是負責將收集到系統中的數據進行正確性校驗，可以通過用戶自行設置比較數據來源，校驗閾值等參數進行數據智能化驗證。

5）設備預警管理模塊：主要是管理測溫裝置的溫度預警閾值，可進行組合型的設備預警，如溫度值與溫度異變速度結合等進行設備溫度預警，能夠在設備溫度變化初期及時提醒。

6）統計分析模塊：利用數據挖掘的技術和思路，將庫內存儲數據以特殊規則提煉出潛在的關系與信息，如分析設備一段時間內溫度突變情況反應設備故障、分析同類設備在相同環境和運行方式下的不同溫度情況反應設備的運行狀態等。

4 結論與展望

論文著眼于電力設備及電纜接頭部位可能存在的發熱隱患，設計了一個熱點溫度預警系統。該系統的測溫裝置使用了433MHz的WSN進行組網，有效避免了戶外布線的問題，組成的自組織網絡，可以實現溫度信息的自動獲取與實時預警功能；后臺管理軟件實現了對電力設備運行溫度的實時掌控，對監測信息的深度挖掘，并了解了設備的當前狀態，對可能發生的事故進行預警，及時發現并消除安全隱患，提高了電網的可靠性。

[1]盧瑛,吳國忠.智能型高壓電氣設備溫度監測預警系統[J]. 中國電力,2010,v.43;No.49603:55-58.

[2]楊林貴. 變電站熱點溫度監測預警平臺設計與實現[J].北京電力高等專科學校學報：自然科學版,2012,29(3):180-181.

[3]PIC18F13K22/LF13K22/PIC18F14K22/LF14K22:8位PIC單片機(MCU)系列[J]. 世界電子元器件,2009,No.08:26.