基于PI實時數據庫的變電站無線測溫系統的設計及應用

孫富連，章 璋

（1.華北電力大學，北京 102206；2.國網浙江省電力公司培訓中心湖州分中心，浙江 湖州 313000）

0 引言

變電站是電力系統的重要節點，變電站設備的運行情況直接關系到整個電網的安全運行。在設備的長期運行中，變電站內的母排、隔離開關、高壓開關柜、斷路器與電纜的連接部位由于過載、接觸不良、觸頭老化會引起接觸電阻過大而發熱，如果這些發熱部位的溫度無法監測、設備得不到及時檢修，可能會因溫升過高而發生燒毀等嚴重事故。因此，為了保證電網安全穩定運行，必須對運行設備的溫度進行監視和測量。傳統的變電站設備紅外測溫方式，如定期采用紅外熱成像儀遠距離測量或人工觀察連接部位的測溫蠟片，均不能滿足全面系統地實時監測、實時告警和即時處理的要求。

國網德清縣供電公司多年來一直按周期開展變電站設備紅外測溫工作，實現了對運行設備溫度的周期監視和測量，但是也暴露出以下問題：

（1）傳統溫度測量采用的紅外線熱像儀和測溫蠟片方式存在精度低、實時性差的問題。

（2）目前在變電站中大量采用35kV和10kV封閉式開關柜，開關柜內的設備不易巡視、測溫困難，無法及時發現、消除發熱事故隱患，形成監控盲區。

（3）傳統的定期紅外測溫制度容易造成同一設備無法形成連續的溫度歷史記錄，也沒有條件進行設備發熱趨勢分析，無法滿足設備狀態檢修的基礎運行數據積累要求。

（4）隨著縣局輸變電設備狀態檢修、設備全壽命周期管理工作的開展，運行設備的信息采集量越來越大、要求越來越高，人工工作量大，人工成本很高。

針對上述情況，有必要采取更準確、覆蓋面更廣、更容易監測及管理的新方式。無線測溫監控系統可以實現變電站設備溫度管理，及時發現及消除設備發熱隱患，保證電網的安全穩定運行，提高設備的健康水平。鑒于紅外測溫的管理現狀，開發設計了基于PI實時數據庫技術的變電站無線測溫系統。

1 系統簡介

變電站設備無線測溫在線監測主要通過在開關柜內的設備、主變壓器、斷路器、隔離開關、電容器、低壓大電流電纜、保護裝置等設備上安裝無線溫度傳感器，對變電站設備連接部位的溫度數據進行比對和查詢分析，實現對設備運行狀態的監視。

1.1 設計思路

系統采用2.4GHz數字無線技術，由無線溫度傳感器和無線數據傳輸基站組成無線溫度測量模塊，由站控主機分析處理采集數據后報警和顯示，同時將需要的數據通過光纖上傳遠方，數據存儲采用PI數據庫，并基于PI系統軟件進行開發，建立統一的管理平臺，實現運行設備實時溫度/歷史數據曲線生成、變化趨勢分析、實時報警、報警記錄查詢、日報表等功能。

1.2 功能配置

（1）變電設備溫度和溫升實時數據采集和顯示，將溫度傳感器直接置于發熱處（直接接觸式測溫），在設備附近配置無線數據傳送基站，接受無線溫度傳感器發送的溫度數據，并通過以太網將所有溫度數據實時傳輸至站控主機，實現站級溫度實時監測。

（2）通過現有變電站光纖通信網絡，將所有實時數據傳輸至主站PI系統，利用PI系統的數據庫實現設備溫度在線監測和分析，形成溫度實時曲線并具有超溫告警功能，顯示實時報表、統計報表、趨勢圖、日報表、波形圖等，畫面直觀清晰。

2 關鍵技術

2.1 PI實時數據庫

PI實時數據庫系統是由美國OSI Software公司開發的基于C/S的商品化軟件應用平臺，能以數據原形的方式在線存儲動態數據。目前國網德清縣供電公司PI數據庫存儲了電網調度自動化系統、電能量采集系統等大量數據，可根據需要通過PI客戶端工具取用所需數據。本系統就是利用PI-Process Book獲取所需的實時及歷史數據，實現對變電站設備溫度的監測。

2.2 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡是當前國際上備受關注的多學科交叉的新興前沿研究熱點，是由大量部署在監控區域的智能節點構成的網絡應用系統，廣泛運用于環境監控、工業應用、交通控制等領域。

本系統采用的無線傳感器方案有以下特點：

（1）通信距離：一般的微功耗無線溫度傳感器由于功耗限制而難以實現遠距離數據通信。本系統在基站側采用了高增益天線，實現了遠距離通信（大于200 m）。

（2）傳感器的電池使用壽命：系統采用DWT100-WS100無線溫度傳感器，其使用壽命可達10年以上。

（3）高效率的無線路由算法：高效、可靠的路由算法是所有無線傳感器網絡面臨的技術難題。本系統采用一級路由轉發技術、智能間歇搜索技術、動態鏈接技術，可保證網絡同步協調工作。

3 系統構成

變電站無線測溫系統由站端數據采集和控制系統、主站監控報警系統組成，如圖1所示。

圖1 變電站無線測溫系統結構

3.1 終端數據采集和控制系統

終端數據采集和控制系統由管理中心（控制主機）、數據傳輸基站和無線溫度傳感器組成。無線溫度傳感器定時測量監測點的運行溫度，環境溫度傳感器自動測量環境溫度，這些溫度數據通過2.4GHz無線信道傳輸到基站進行保存和記錄。

主機定時通過RS-485總線（或CAN）輪詢各基站，各基站將收到的溫度數據傳輸到主機進行處理并保存。

主機通過比較設備與環境的相對溫升、室內與室外大氣的相對溫升，分析可能的過熱情況，發出預警信號，提醒管理人員進行處理。主機與集控站可以通過以太網進行通信，或采用自定義溫度模型按IEC 61850標準進行通信。

3.2 主站軟件應用界面

利用PI數據庫PI-Process Book軟件進行系統界面二次開發，用戶通過軟件應用管理界面，實時監測測溫點的運行狀態，如測溫點越限、彈出告警畫面，歷史數據查詢和管理等。

（1）主界面由安裝有溫/濕度傳感器的110kV開關室、10kV開關室、蓄電池室、電容器室及電纜層等構成。主界面功能包括：實時顯示當時的溫/濕度數據，溫/濕度越線時，對應模擬溫/濕度傳感器元素圖樣變色，并自動在界面上彈出越線報警框，顯示報警越線內容?？赏ㄟ^點擊報警預覽按鈕調出歷史報警記錄，以便查詢、分析和判斷。主界面如圖2所示。

圖2 變電站無線測溫系統主界面

（2）子界面功能：簡單顯示對應室內傳感器的大致位置，并通過顏色變化來判斷越線狀態；表格整體實時直觀顯示室內溫/濕度數據；點擊標簽按鈕，在下方趨勢圖中顯示對應測點在當時時間及當時時間前8 h時間段內的趨勢變化；通過在趨勢圖上的操作，可以選取當時時間及之前的任意一段時間，查看所選測點的變化情況，以便更好地分析判斷。子界面如圖3所示。

圖3 變電站無線測溫系統子界面

4 功能特點

（1）采用無線溫度測量。無線溫度傳感器與終端傳輸基站之間采用2.4GHz無線信道，不需要在變電站復雜的電磁環境下增加額外的二次線纜，體積小，使用壽命長，傳輸距離遠，采集溫度點多，安裝維護方便，性價比高。

（2）實現連續在線測溫。無線溫度傳感器每隔1～3 s自動采集監測點溫度數據，當溫度發生變化時立即向外發送。既能實現設備的歷史溫度變化曲線記錄，又能提高無線溫度傳感器的使用壽命。

（3）多種溫度報警功能。實現高溫報警、超溫報警、溫升報警和組內溫差報警（相間溫差）等溫度報警功能應用。

（4）實現設備趨勢分析。能對指定溫度傳感器的歷史數據進行查看，還提供多個測溫點的比對模式，對溫度變化異常點進行預警，為狀態檢修積累歷史數據。

5 結語

目前，變電站運行設備的溫度測量大多采用測溫蠟片和紅外線非接觸測溫，但蠟片只能定性測溫，而且必須通過人工定期巡查，才能根據不同熔化溫度蠟片的熔化情況確定是否過熱，是否發生故障。而紅外線非接觸測溫的精度較高，但多數場合必須以目視方式檢測，使用場合受到很大限制，設備成本高，實時性差。

數字無線溫度在線監測裝置可實時在線監測設備的運行狀態，大大減輕了設備巡視的頻度，可以提前預警設備故障，從而避免故障的發生和擴散。設備發生故障后可以迅速定位故障點，為設備搶修贏得寶貴時間，從而大大節省設備的維修費用和故障的直接、間接損失，有效提升社會滿意度。

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