智能化氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）無線測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳宏　解曉輝　楊澤超　尤婷　呂梅蕾

【摘 要】針對(duì)智能化氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）存在高壓，空間封閉狹小，無法進(jìn)行人工巡查測溫等問題，提出了一種基于ZigBee智能化氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，介紹了無線傳輸模塊的組成及工作原理，闡述了無線測溫系統(tǒng)的硬件組成及監(jiān)控計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)將傳感器安裝在被測物體表面，在線測量測溫點(diǎn)溫度后，通過紅外傳輸方式將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到安裝在開關(guān)柜柜門表面的溫度采集器中，溫度采集器將其傳送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)處理，當(dāng)所測溫度超過預(yù)設(shè)報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員及時(shí)采取適當(dāng)?shù)拇胧?/p>

【關(guān)鍵詞】氣體絕緣金屬封閉開關(guān)；無線測溫；設(shè)計(jì)

【Abstract】For the Artificial Intelligence Gas-insulated Switchgear（GIS）， high-pressure closed space is narrow， not manually inspect temperature measurement. Put forward a ZigBee based the Artificial Intelligence Gas-insulated Switchgear design scheme of wireless temperature measuring system. Introduces the composition and working principle of wireless transmission module， wireless temperature measuring system of the design of the hardware composition and the monitoring computer monitoring software.

【Key words】GIS； Wireless temperature measurement； Design

0 引言

變電所的高壓開關(guān)柜是重要的電器設(shè)備，在長期的運(yùn)行過程中，開關(guān)柜中的母線接點(diǎn)、高壓電纜接頭等部位因老化或者接觸電阻過大而發(fā)熱，使相鄰的絕緣部件性能劣化，甚至發(fā)生擊穿而造成事故。

在對(duì)智能化氣體絕緣金屬封閉開關(guān)（GIS）設(shè)備的監(jiān)測中，溫度是一個(gè)重要指標(biāo)[1-2]。溫度過高會(huì)導(dǎo)致金屬和絕緣材料的機(jī)械強(qiáng)度、絕緣強(qiáng)度降低，使用壽命減少，甚至?xí)痣姎庠O(shè)備發(fā)熱故障，導(dǎo)致事故的發(fā)生[3-4]。在目前的GIS設(shè)備溫度監(jiān)測方法中，基于無線網(wǎng)絡(luò)的GIS設(shè)備溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)（簡稱無線測溫系統(tǒng)）采用全自動(dòng)化運(yùn)行方式，相比傳統(tǒng)使用紅外溫度探測儀[5]或熱成像儀的方法，節(jié)省了大量人力物力，且避免了需要定期監(jiān)測的缺陷。該系統(tǒng)無需考慮布線問題，相比使用有線線路[6-7]的在線監(jiān)測方法，減少了對(duì)變電站空間的占用。綜合各方面考慮，無線測溫系統(tǒng)將會(huì)被大范圍推廣。

1 氣體絕緣金屬封閉開關(guān)

GIS是將斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、母線、互感器等主要元件裝入密封的金屬箱體，其里面充滿SF6低壓氣體作為絕緣以及滅弧介質(zhì)。GIS設(shè)備的主要特點(diǎn)包括安全可靠、環(huán)境耐受力很強(qiáng)、安裝工作量小、可靠的導(dǎo)電性能、絕緣可靠性強(qiáng)等等。通過密封殼體預(yù)留的插座孔由插接式電纜終端實(shí)現(xiàn)僅出現(xiàn)，保證點(diǎn)恩那個(gè)的安全高效傳輸；適用于對(duì)尺寸和可靠性要求較高和自然條件相對(duì)惡劣的場所[8]。

2 無線測溫工作原理

2.1 無線測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基于ZigBee智能化氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備無線測溫系統(tǒng)由若干個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)）和上位監(jiān)控中心等三個(gè)部分構(gòu)成。其中傳感器節(jié)點(diǎn)課擴(kuò)展至多個(gè)，由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)匯聚各傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后通過GPRS連入Internet，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程端，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。紅外傳輸模塊利用光信號(hào)進(jìn)行傳輸，不受電磁場的干擾，具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力；它功耗低，休眠電流僅為5μA，可靠地保證了電池的使用壽命。因此，在高壓開關(guān)柜這種封閉環(huán)境下，它能很好地滿足傳輸要求。如圖1所示。

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)（傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)）也就是傳感系統(tǒng)整個(gè)開關(guān)柜測溫在線監(jiān)測系統(tǒng)的終端設(shè)備，由傳感器、微處理器和無線模塊構(gòu)成以及無線測溫系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

圖3 無線測溫系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由無線模塊、微處理芯片組成，位于傳感器節(jié)點(diǎn)之間的中心位置。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)管理與它相連的所有的傳感器節(jié)點(diǎn)，同時(shí)接收來自傳感器節(jié)點(diǎn)的溫度信息數(shù)據(jù)（圖3），最后將接收到的所有的傳感器節(jié)點(diǎn)的溫度信息數(shù)據(jù)通過RS485傳輸給監(jiān)測平臺(tái)的PC機(jī)。協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)圖

3 上位監(jiān)控中心

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)從傳感器節(jié)點(diǎn)處收集到監(jiān)測點(diǎn)的溫度，并送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)[9]，監(jiān)控計(jì)算機(jī)的主要任務(wù)是接受、處理溫度數(shù)據(jù)并將溫度顯示出來。當(dāng)溫度超過限值時(shí)自動(dòng)報(bào)警，并形成溫度曲線和報(bào)表。

監(jiān)控計(jì)算機(jī)具有以下功能：

（1）實(shí)時(shí)顯示監(jiān)視部位的溫度數(shù)據(jù)；

（2）當(dāng)溫度超過限值時(shí)，進(jìn)行報(bào)警；

（3）可以根據(jù)溫度數(shù)據(jù)繪制曲線并生成報(bào)表。

3.1 屏幕顯示

屏幕顯示是系統(tǒng)主要功能的體現(xiàn)，即進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度顯示，用戶可以通過單擊進(jìn)線開關(guān)柜和出線開關(guān)柜獲得測溫點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度。一旦溫度超過報(bào)警溫度值，將會(huì)以聲音、對(duì)話框和紅色溫度字體提醒用戶檢查。

3.2 溫度曲線

繪制溫度曲線總共分為3類：實(shí)時(shí)曲線、日曲線和年曲線。實(shí)時(shí)曲線建立在實(shí)時(shí)溫度表的基礎(chǔ)上，而日曲線和年曲線建立在歷史數(shù)據(jù)表的基礎(chǔ)上。通過輸入采集點(diǎn)的編號(hào)和時(shí)間即可得到各種溫度曲線，在輸入采集點(diǎn)編號(hào)的同時(shí)同樣會(huì)出現(xiàn)所屬變電所和線路的名稱，以便用戶能很快找到對(duì)應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的操作。

3.3 技術(shù)路線圖如圖5所示

3.4 項(xiàng)目系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）本設(shè)計(jì)要達(dá)到監(jiān)測多個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度的目標(biāo)，那么在硬件設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)盡量使用各總線技術(shù)，以節(jié)約系統(tǒng)有限的I/O資源，盡量簡化系統(tǒng)電路；

（2）在大電流、高溫度、強(qiáng)磁場以及極強(qiáng)的電磁干擾（EMC）環(huán)境中，對(duì)微弱信號(hào)采集是極其不利的，要保證傳感器能采集到真實(shí)信號(hào)并不失真的送入PIC；

（3）在大電流、高溫度、強(qiáng)磁場以及極強(qiáng)的電磁干擾（EMC）環(huán)境中，解決PIC裝置的抗干擾問題，從硬件、軟件兩個(gè)方面同時(shí)考慮，采用增加濾波器、PCB合理布線、軟件濾波、看門狗等等措施。

圖5 技術(shù)研究路線圖

4 結(jié)束語

基于紅外傳輸?shù)臒o線測溫系統(tǒng)有效地解決了開關(guān)柜在線監(jiān)測溫度難的問題。本設(shè)計(jì)應(yīng)用于氣體絕緣金屬封閉開關(guān)（GIS），可以對(duì)GIS中的溫度變化進(jìn)行檢測，而且能夠根據(jù)GIS設(shè)備中溫升狀況進(jìn)行監(jiān)測、預(yù)警。盡管GIS的運(yùn)行可靠性非常高，但在其運(yùn)行過程中，內(nèi)部缺陷仍可能引起事故，一旦發(fā)生故障，必將引起所轄局部地區(qū)乃至全部地區(qū)停電。絕緣故障始終是影響GIS可靠性的重要因素之一，為保障設(shè)備的安全運(yùn)行，應(yīng)對(duì)GIS設(shè)備的過熱部位進(jìn)行溫度檢測，對(duì)設(shè)備溫升狀況進(jìn)行監(jiān)測、預(yù)警。用戶可以通過上位監(jiān)控中心查看各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。本系統(tǒng)與其他GIS測溫方法相比，本系統(tǒng)具有安全、精度高、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，具有很大的前景。

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[責(zé)任編輯：王楠]