基于物聯網技術的中置柜溫度監測系統的研究

摘 要：電力系統每年因高壓中置柜電纜接頭、母線溫度過高引發的重大事故達上千起，給生產和經營造成重大經濟損失。預防和解決高壓設備過熱，進行電氣設備的溫度監測是解決問題的關鍵。本文利用物聯網技術，對中置柜溫度監測現狀及中置柜溫度監測系統的組成的硬、軟件及監測系統的功能進行了分析，實現了物聯網中置柜溫度監測系統的融合。重點針對有關中置柜溫度監測系統后臺系統設計并提出了本研究的創新之處。最后，根據現場運行情況，對測溫的效果進行了驗證，證實基于物聯網技術的溫度監測系統能夠滿足10kV高壓中置柜的測溫的需要，可以進行推廣應用。

關鍵詞：中置柜；物聯網；紅外測溫；電纜接頭

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.103

0 引言

電氣設備運行溫度，是反映其運行狀態的最直接、最重要的指標之一。各種高低壓中置柜內部觸頭、變壓器、母排、電纜的接頭等[1-2]，長期運行造成材質老化、接觸電阻增大及負荷過大，引起過熱甚至燒損。通過連續的溫度在線監測，可以發現電氣設備的運行狀態變化，及時發現存在的故障隱患[3-4]。目前離線、在線電氣設備溫度監測，只能對人為認定的薄弱點進行監測，存在很大的局限性。

1 中置柜溫度監測現狀分析

目前，國內外在電氣設備溫度監測方面采取的方法可分為離線式和在線式。離線的監測方法主要有固定粘貼式蠟片貼測溫法、熱電偶法和數字溫度傳感器測溫法等。由于離線監測方式不能及時發現中置柜等電氣設備潛在的故障，離線溫度檢測技術已經很難滿足電力系統的需要。在線的監測方法主要有光纖測溫和紅外測溫法。光纖溫度測布線復雜、投資大、線路老化問題嚴重且拆換困難、移動性較差，因此實際中應用并不廣泛，很難做到普及。

以上的各種監測方法的監測點多為事先預置，剛性較強，一但設定就很難改變，且數據傳輸多采用有線的方式，給中置柜的現場安裝帶來很大的不便。基于以上測溫方式存在的問題和缺陷，本文將物聯網技術應用于中置柜溫度測量系統中，改變現有監測系統的數據采集及通訊方式，設計了一種基于紅外測溫的在線監測系統，實現了開關柜內電氣設備的全景溫度監測。

2 物聯網與開關柜溫度監測系統的融合

2.1 設計思路和原則

利用物聯網技術設計的立體式全方位中置柜內電氣設備運行溫度監測系統，主要由全景掃描執行單元、紅外溫度探測器（實現非接觸式測溫）、信號放大器及信號處理單元、顯示輸出單元等部分組成。全景掃描執行單元實現將紅外溫度探測器對準被測象；紅外探測器將被測對象的紅外輻射能轉變為相應的電信號；該電信號經放大器和信號處理電路（內置轉換算法和目標發射率校正算法）轉變為被測對象的溫度值，最終通過通訊系統（有線、無線）送達接收處理裝置，并在顯示輸出單元輸出顯示。

2.2 功能簡介及技術架構圖

（1）系統通過非接觸式紅外測溫裝置，實現對柜內的空間的全方位掃描式監測，并將采集到的數據在電氣參數監測儀上顯示。

（2）正常情況下每隔30分鐘，將實時溫度值通過有線和無線方式傳輸到后臺系統，當監測溫度超限時，實現就地及遠程報警功能。

（3）后臺系統實現對監測數據的統計分析，早期故障檢測、狀態評估和故障告警等功能。后臺系統具有短信報警功能，當監測溫度異常時，利用GSM網絡的短信功能及時通報相關人員，實現遠程報警。

3 中置柜溫度監測系統硬件設計

3.1 機械結構設計

（1）傳動裝置。為了現實全景溫度掃描監測，設計了一套類云臺的運動機構，該機構以經向和緯向旋轉裝置為主體。經向轉動裝置由步進電機驅動，經二級齒輪傳動后，帶動紅外溫度監測儀進行經向轉動，轉動軸上設置限位開關，當轉動到極限角度后，觸發限位開關，進行反向旋轉，旋轉角度為135°（俯角-45°，仰角90°）。

（2）紅外溫度掃描裝置。紅外溫度掃描裝置的主要功能是采集溫度信息，安裝于類云臺機構的上部。在控制電路的控制下隨類云臺機構進行旋轉，當達到預設測定點坐標時，類云臺機構停止旋轉，控制電路發出采樣命令，實現對被測對象的溫度采集。

3.2 電源模塊設計

中置柜溫度檢測系統所需要提供的電源主要為 24V，24V電壓可以經開關電源轉換為驅動舵機運行電壓和MCU運行所需的5V電壓。電源主要是由 USB提供；利用開關電源對240V電源進行轉換可以得到24V電源； 5V不用外界提供，只需要通過單片機AD轉換基準電壓即可得到。

4 后臺系統設計

（1）系統總體架構。后臺系統是一個功能強大、界面清晰、操作簡便的綜合應用系統，作為構建中置柜智能監控及應用系統的重要組成部分，可實現中置柜多源信息的綜合管理和高級應用。整個系統由基礎服務、數據庫、通訊、圖形和報表5個平臺作為支撐。在此基礎上已開發出主接線圖、實時數據、統計報表等6塊主要應用。

（2）通信狀態。該界面可以直觀顯示監控系統通信狀態聯絡情況，并且可以細化到單臺中置柜智能模塊之間的通信情況，綠色表示通信正常，紅色表示通信故障。運維人員可根據該功能對通信情況進行實時監控，并快速做出反應，消除通信故障。

（3）統計報表。統計報表內容按照日期可分為日報表和月報表；按照查詢方式可分為中置柜報表（縱向查詢）、功能報表（橫向查詢）、組合報表、綜合評價報表。此外，還可直接導出統計報表。

（4）綜合評價。利用算法對采集得到的電纜溫度和環境參數指標進行綜合分析，并通過雷達圖和數據表格方式將故障診斷和綜合評估結果直觀地顯示出來，結果可以報表形式進行存儲和提取。各個評估結果都對應不同的、特定的工作建議，用戶可依據建議制定維護和檢修工作計劃。

評價結果以分數形式表示，從0分到100分，分別對應優質、良好、合格和較差4個等級，每個等級對應不同顏色，最后，根據最終綜合評價結果給出相應的建議，運行維護人員可以根據建議制定工作計劃。評價結果和綜合建議每小時刷新一次，并將其生成報表，便于歷史查詢。具體建議見表1和表2：

5 總結

該產品為與浙江群力電氣有限公司共同開發研制，目前已在浙江余杭區的某居民小區掛網試運行三個月，整套系統運行狀況良好，基本解決了柜內母排連接點、電纜接頭等部位出現異常溫升時引發的故障，提高了監測系統的有效性和電氣設備運行的可靠性，證實該產品可以滿足10kV以上高壓中置柜溫度監測的需要。監測儀還具有參數設定方便，可拓展性強等優點。該產品成本控制在1000-1300元，售價按2000-2800元，每年售出5000臺，按照群力電氣公司中置柜在市場上銷售的份額來看，每年該產品可創利潤160萬元左右。整套產品具有良好的社會效益和經濟效益，可以進行推廣應用。

參考文獻：

[1]鞏憲鋒，衣紅鋼，王長松等.高壓開關柜隔離觸頭溫度監測研究[J].中國電機工程學報，2006（01）：155-158.

[2]GUO Hong-xia.Research of The on-line Temperature Monitoring System of Power Cable Based on FBG[D].Wuhan ： Wuhan University of Technology，2010.

[3]熊蘭，徐敏捷，楊子康，趙艷龍，焦陽.高壓開關柜電纜室溫度場分析及在線監測系統構建[J].電力自動化設備，2014（06）：153-157.

[4]宿元斌，宿筱，何建廷.高壓開關柜無源無線溫度監測系統的研究[J].制造業自動化，2013（08）：32-35.

本文系吉林省發改委產業創新專項資金項目（2016C074）和吉林市科技局科技發展規劃項目（20156406）成果之一。