電纜分支箱故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

徐友剛，徐 琳，周 青，陸敏安，方 祺

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司，上海 201799)

電纜分支箱故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

徐友剛，徐 琳，周 青，陸敏安，方 祺

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司，上海 201799)

針對(duì)電網(wǎng)中經(jīng)常發(fā)生的電纜分支箱中電纜頭發(fā)熱引起爆炸、燒毀等事故，設(shè)計(jì)出了一種電纜分支箱故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電纜分支箱各運(yùn)行回路的溫度在線采集和監(jiān)視，利用溫度傳感器采集各相電纜頭以及電纜箱的溫度，通過(guò)ZigBee無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)集中器，集中器通過(guò)GPRS將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備溫度缺陷并報(bào)警。

電纜分支箱；溫度在線監(jiān)測(cè)；ZigBee；GPRS

城市電網(wǎng)大多采用地下封閉式電纜線傳輸電能[1]，但在實(shí)際運(yùn)行中，配電系統(tǒng)中電纜分支箱經(jīng)常發(fā)生電纜頭接觸不良、絕緣受損等問(wèn)題。現(xiàn)階段電網(wǎng)不斷增大，機(jī)組容量擴(kuò)大，輸電距離變長(zhǎng)，而且設(shè)備的密封性和組合性也在不斷加強(qiáng)。這就使得這類事故導(dǎo)致的問(wèn)題越來(lái)越突出，并且查找檢修也變得越來(lái)越困難。

現(xiàn)階段供電公司運(yùn)行人員需在例行巡視時(shí)用手持式熱成像儀照射電纜對(duì)電纜分支箱進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)[1-3]。但是單純依靠人工巡檢的方式，很難解決設(shè)備眾多，檢修周期變長(zhǎng)，檢修不到位的矛盾。在這種情況下，如果能對(duì)電纜分支箱電纜溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，則可提前發(fā)現(xiàn)故障隱患。因此本文提出了一個(gè)基于無(wú)線測(cè)溫傳感器的電纜分支箱溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可為配電設(shè)備運(yùn)維提供決策依據(jù)，減輕工作負(fù)擔(dān)，提高工作效率。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電纜分支箱溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由電纜分支箱溫度采集子系統(tǒng)、GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、溫度監(jiān)測(cè)后臺(tái)系統(tǒng)以及智能移動(dòng)終端等四部分功能單元組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

首先在各電纜分支箱內(nèi)安裝無(wú)線溫度傳感器和無(wú)線溫度采集器。溫度傳感器將采集到的各電纜頭溫度和箱體溫度通過(guò)2.4G ZigBee無(wú)線通道傳輸給溫度采集器。然后溫度采集器通過(guò)RS-485接口外接一個(gè)GPRS通信模塊，和遠(yuǎn)程后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)透明數(shù)據(jù)傳輸。后臺(tái)系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)電力云存儲(chǔ)，手機(jī)、電腦等移動(dòng)終端可以實(shí)時(shí)查詢聯(lián)網(wǎng)的各溫度傳感器的溫度。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)，后臺(tái)系統(tǒng)會(huì)將告警信息發(fā)送到移動(dòng)終端，提醒運(yùn)維檢修工作人員。

2 溫度采集子系統(tǒng)

溫度采集子系統(tǒng)的功能是采集各電纜頭及電纜分支箱的溫度，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化成可以遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男盘?hào)發(fā)送到后臺(tái)監(jiān)測(cè)主機(jī)，實(shí)現(xiàn)電纜頭實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的功能。溫度采集子系統(tǒng)由溫度傳感器、溫度采集器和GPRS無(wú)線通信模塊組成。

2.1 溫度傳感器

無(wú)線式溫度傳感器在系統(tǒng)中主要用于電纜分支箱電纜接頭和電纜箱的運(yùn)行溫度測(cè)量。在應(yīng)用中必須保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確可靠性，并且能夠抵御高溫、潮濕等惡劣的工作環(huán)境。該無(wú)線傳感器由DS18B20溫度采集單元、CC2530數(shù)據(jù)處理發(fā)送單元、以及電源電路組成。具體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 溫度傳感器工作原理

圖2中所示的DS18B20芯片主要用來(lái)采集環(huán)境中的溫度信號(hào)，傳感器具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域[2]。DS18B20將采集到的溫度信號(hào)以數(shù)字信號(hào)形式通過(guò)I/O口發(fā)送到CC2530芯片的C51單片機(jī)上。其串口圖見圖3。該芯片由單片機(jī)供電。

圖3 DS18B20管腳圖

CC2530芯片主要由一個(gè)C51單片機(jī)和RF無(wú)線收發(fā)器組成，因?yàn)槠涞凸摹⒌统杀荆粡V泛應(yīng)用于各種無(wú)線信號(hào)采集系統(tǒng)中。C51單片機(jī)將接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼，轉(zhuǎn)化成Zigbee信號(hào)發(fā)送到無(wú)線式溫度采集器上。

2.2 溫度采集器

本系統(tǒng)中溫度采集器和多個(gè)無(wú)線溫度傳感器通過(guò)2.4G ZigBee無(wú)線信號(hào)進(jìn)行通信，獲取各溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集刷新間隔為3 s。由于ZigBee無(wú)線信號(hào)傳輸距離較短[3]，室內(nèi)只有30～40 m，電纜分支箱一般距離較遠(yuǎn)，因此考慮在一個(gè)電纜分支箱安裝一個(gè)溫度采集器，接收溫度傳感器采集到的溫度并通過(guò)外接GPRS模塊將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到溫度監(jiān)測(cè)后臺(tái)系統(tǒng)中。

溫度采集器由電源模塊、CPU模塊、顯示模塊、ZigBee通信模塊、RS-485通信模塊等組成。該溫度采集器提供RS-485有線通信接口和MODBUS通信規(guī)約，可外掛GPRS通信模塊和部署在遠(yuǎn)程監(jiān)視中心的后臺(tái)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行通信。

2.3 GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)

GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)因?yàn)槠鋫鬏斔俣瓤臁鬏斁嚯x遠(yuǎn)并且成本低而被本系統(tǒng)采用。通過(guò)GPRS無(wú)線通信模塊可以實(shí)現(xiàn)溫度采集器和溫度監(jiān)測(cè)主機(jī)之間的透明數(shù)據(jù)傳輸。

實(shí)際應(yīng)用中需要在各電纜分支箱內(nèi)部署GPRS無(wú)線通信模塊，該模塊通過(guò)RS485接口接入溫度采集器。GPRS模塊設(shè)置目標(biāo)通信主機(jī)為遠(yuǎn)程后臺(tái)溫度監(jiān)測(cè)主機(jī)的IP地址。溫度監(jiān)測(cè)主機(jī)需要具有固定IP地址，同時(shí)需要配置基于TCP/IP的MODBUS RTU規(guī)約，這樣才能準(zhǔn)確快速的接收GPRS模塊發(fā)送的信號(hào)。后臺(tái)溫度監(jiān)測(cè)主機(jī)接收到各電纜分支箱數(shù)據(jù)，需要對(duì)其處理后通過(guò)圖形界面的形式展現(xiàn)到運(yùn)維人員面前。

3 系統(tǒng)后臺(tái)軟件功能設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)后臺(tái)功能設(shè)計(jì)主要分為數(shù)據(jù)顯示單元、數(shù)據(jù)缺陷判斷單元以及數(shù)據(jù)查詢單元。實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的接收、自動(dòng)缺陷判斷、顯示等功能，工作人員還可以通過(guò)后臺(tái)系統(tǒng)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。系統(tǒng)后臺(tái)軟件運(yùn)行流程如圖4所示。

圖4 后臺(tái)軟件運(yùn)行流程圖

3.1 數(shù)據(jù)顯示

采用圖形顯示界面直觀的顯示設(shè)備溫度歷史曲線、設(shè)備溫度工況、溫度安全及熱缺陷等信息。主要采用Visual Studio 2010嵌入式軟件開發(fā)系統(tǒng)來(lái)對(duì)后臺(tái)監(jiān)測(cè)主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼和圖形顯示界面設(shè)計(jì)。

3.2 數(shù)據(jù)熱缺陷判斷

3.2.1熱缺陷分類

電力系統(tǒng)中的設(shè)備熱缺陷一般分為三類，分別是一般缺陷、重大缺陷和危急缺陷，危險(xiǎn)程度依次遞增。

一般缺陷，是指對(duì)近期安全運(yùn)行影響不大的缺陷。可列入季度、年檢修計(jì)劃中消除。重大缺陷，是指缺陷比較重大，但設(shè)備仍可在短期內(nèi)繼續(xù)安全運(yùn)行的缺陷。應(yīng)在短期內(nèi)消除，消除前應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)視。危急缺陷，是指嚴(yán)重程度已使設(shè)備不能安全運(yùn)行，隨時(shí)可能導(dǎo)致發(fā)生事故或危及人身安全的缺陷。必須盡快消除或采取必要的安全技術(shù)措施進(jìn)行處理。

3.2.2設(shè)備熱缺陷判斷

設(shè)備熱缺陷主要從絕對(duì)溫差和相對(duì)溫差兩個(gè)方面判斷：

電纜的絕對(duì)溫差是指測(cè)點(diǎn)A，B，C三相溫度差絕對(duì)值在10～20℃區(qū)間為一般缺陷；20～35℃為重大缺陷，大于35℃為危急缺陷。

電纜的相對(duì)溫差計(jì)算公式如下：

ΔTAB=(TA-TB)/(TA-T0)×100%，

ΔTBC=(TB-TC)/(TB-T0)×100%，

ΔTCA= (TC-TA)/(TC-T0)×100%，

其中T0為環(huán)境溫度，TA、TB、TC分別為統(tǒng)一電纜線路中A、B、C三相電纜頭的溫度。相對(duì)溫差在35%～80%范圍內(nèi)為一般缺陷，80%～95%范圍內(nèi)為重大缺陷，>95%為危急缺陷。

3.3 數(shù)據(jù)查詢

數(shù)據(jù)查詢主要是對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，從歷史數(shù)據(jù)中可以分析電纜頭的運(yùn)行工況、對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估等。

4 工程應(yīng)用

該系統(tǒng)研發(fā)完成后，選取了某小區(qū)作為項(xiàng)目實(shí)施試點(diǎn)。該小區(qū)安裝6臺(tái)低壓電纜分支箱。通過(guò)在各電纜分支箱內(nèi)安裝故障檢測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)各電纜分接頭的溫度。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程控制中心的后臺(tái)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了該小區(qū)各電纜分支箱及電纜頭的溫度在線采集、監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。登錄到主界面以后，在監(jiān)視畫面上顯示電纜分支箱電氣結(jié)構(gòu)圖，測(cè)點(diǎn)位置，測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度及測(cè)量時(shí)間等信息。顯示界面如圖5所示。

圖5 電纜頭溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面

除此之外顯示界面還設(shè)置了系統(tǒng)溫度安全和熱缺陷顯示。設(shè)計(jì)表征設(shè)備發(fā)生溫度安全或者熱缺陷時(shí)的信號(hào)量，這些信號(hào)量可以觸發(fā)監(jiān)視畫面上的光子牌變色、變文字顯示。

5 結(jié)語(yǔ)

電纜分支箱是配電系統(tǒng)中的重要配電設(shè)施，通過(guò)對(duì)電纜分支箱實(shí)現(xiàn)溫度在線監(jiān)測(cè)可提早發(fā)現(xiàn)設(shè)備的安全隱患。同時(shí)采用在線監(jiān)測(cè)也可大大提升工作效率,降低工作強(qiáng)度。本文提出了一個(gè)基于無(wú)線測(cè)溫的電纜分支箱溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)電纜分支箱溫度在線監(jiān)測(cè)和熱缺陷分析，后臺(tái)軟件系統(tǒng)可分析電纜分支箱的溫度安全和熱缺陷，為運(yùn)維保障提供決策依據(jù)。

[1] 李勇.給予分布式光纖溫度傳感器的高壓電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù),2011(1):51-52.

[2]Xiaobi Han, Yongwen Zhu. Digital temperature sensor DS18B20 and its application[J]. Electronic technology, 2002(5):43-45.

[3]黃煒宏，謝章洪，陳祥偉，等．基于Zigbee技術(shù)的成套式開關(guān)設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].高壓電器,2013,49 (2):125-130.

DesignandApplicationofOnlineFaultMonitoringSystemforCableBranchBox

XU Yougang, XU Lin, ZHOU Qing, LU Minan, FANG Qi

(State Grid Qingpu Power Supply Company, SMEPC, Shanghai 201799, China)

An online fault monitoring system for cable branch box is designed to deal with such problems as explosion and burning of the taps inside cable branch box. The system can realize the online collection and monitoring of the temperature on the running circuit of the cable branch box. The temperature of each phase cable head and the cable box are collected by the temperature sensor, and transmitted to the data concentrator through the ZigBee wireless signal. The concentrator sends the

data through the GPRS to the background monitoring system. The testing shows that the system runs stably and can detect and alarm the temperature defect of the equipment in time.

cable branch box; online temperature monitoring; ZigBee; GPRS

10.11973/dlyny201705037

徐友剛(1985—)，男，碩士，工程師，從事變電一次設(shè)備運(yùn)行維護(hù)工作。

TM41

A

2095-1256(2017)05-0645-04

2017-08-15

(本文編輯：楊林青)