基于GSM與紅外技術的溫差比較法在智能變電站中的應用研究

向　乾

(漢中職業技術學院機電工程系，陜西　漢中　723002)

變電站作為電力系統的重要組成部分，承擔著電力轉換的重要角色，其關鍵設備的正常運行關乎著電力系統的安全穩定。隨著變電站電壓等級的不斷提高，在變電站中，一些設備缺陷很容易造成設備的溫度異常，產生重大的安全隱患。針對變電站溫升的監測已有相關研究，目前常用的變電站關鍵設備溫升監測主要有3種方案。第1種是采用示溫蠟片法，該種方法是由人工巡視蠟片的融化狀況判斷被測點是否溫升過高，由于巡檢周期長，效率低，監測數據無法實施智能共享，已不能滿足變電站智能化建設的基本標準[1]。第2種是采用光纖測溫法，光纖測溫分為兩種，分別是采用光纖溫度傳感器獲取溫度再通過光纖傳輸和利用半導體熱敏電阻作為溫度傳感器，將光纖作為溫度傳輸的媒介，當使用光纖溫度傳感器獲取溫度再通過光纖傳輸時，對光源和光信號的調制以及接收電路的技術和穩定性要求較高，且光纖的工程造價較高；當使用半導體器件作為測溫探頭，將光纖作為溫度傳輸的媒介時，存在半導體抗干擾差、光纖布線易折斷、存在污閃等問題，因此只較小范圍內使用該方法[2]。第3種是采用無線傳輸的方法，該種方法相對造價較低，但在強磁場的變電站中難以確保數據傳輸的可靠性與穩定性[3]。紅外測溫技術屬于一種非接觸的測溫方式，能夠有效進行高電壓隔離，安全可靠、成本低。本文設計了一種基于GSM技術與紅外技術的變電站溫升監控系統，能夠有效完成對智能變電站關鍵設備的溫度實時在線監測，提高了變電站智能巡檢與預警的效率。

1　系統硬件結構與功能實現

整個系統主要由位于一次側的紅外溫度采集終端設備、TA自具電源、RS485傳輸電路、GSM模塊、人機交互等部分組成。在監測過程中紅外探頭實時采集被測點溫度，并將采集數據通過RS485傳輸至低壓二次側，一旦采集的溫度數據超過既定的上限值，二次側設備則會進行聲光報警，并通過GSM通信模塊將溫度異常點詳細信息傳輸至指定的手機終端，提醒人工進行超溫處理。系統的整體架構如圖1所示。

圖1　系統整體架構

1.1　紅外溫度采集終端設備

該模塊采用MEACON的MIK-AL-10型紅外探頭，如圖2所示。該探頭屬于非接觸式測溫探頭，具有測量精度高、響應時間快、發射率高、耐高溫、傳輸速率快、使用安全、小巧輕便、易于安裝等特點。利用紅外溫差比較法對變電站設備進行溫升故障評定是依據該設備可承受的最高溫度上升值或同類溫度可承受的溫度差進行判別，比較適合應用于負荷電流致熱型設備。該方法測量值為2個對應測溫點之間的溫差與其中較熱點的溫升之比δ，當所測得的百分比超過30%時，即認定被測點溫升過高。紅外實時在線采集模塊的硬件構成如圖3所示，主要由自具電源、紅外探頭、RS485接口電路組成。

圖2　MIK-AL-10型紅外探頭

圖3　紅外在線采集終端模塊硬件構成

(1)

式中：δ為相對溫差；T2為發熱點溫度；T1為正常相對應溫度；T0為環境溫度。

1.2　終端自具電源的設計

因變電站設備自身有電流流過，因此終端采集設備供電設計了自具電源，該自具電源采用電流互感取電，使用特制穿心式電流互感器從高壓側感應出電流，然后經整流、濾波、穩壓，轉化為合適的電壓，供給終端采集設備。因這部分能量相對一次側而言很小，故不會對高壓側產生影響。本裝置高壓側自具電源主要由電流互感器、后級處理和保護電路部分構成[4]。高壓側自具電源系統框圖如圖4所示。

圖4 高壓側自具電源系統框圖

(2)

式中：N2是二次側線圈匝數；Φm為主磁通量；f為一次側電流頻率；B為互感器磁感應強度；S為互感器橫截面積。

因互感器徑流的電流可從幾十A波動至幾千A，為使終端采集設備獲得穩定的電源，所設計的自具電源將互感出的電流依次經過前端沖擊保護模塊、整流濾波模塊、過壓過流保護模塊、降壓模塊以及DC/DC模塊形成高壓側溫度采集裝置所需電壓[5]。當互感器一次側電流較小時，所感應出的電壓難以為終端采集設備提供穩定的電壓時，系統便會切換電池供電，當一次側電流較高時則會對裝置中的電池進行自動充電[6]。在實際運行過程中，若一次側發生短路故障時，達到數十kA的暫態電流時，電流互感器中會產生較強的的沖擊電流，但在經過前端沖擊保護電路和后級電路的多重保護功能后可實現對高頻能量的緩沖，可以保證系統輸出穩定的直流3.3 V電壓。

1.3　RS485數據傳輸模塊

因變電站中有較強的電磁干擾，為實現數據在復雜的電磁環境中能夠穩定傳輸，在系統中設計使用了RS485接口電路，該接口電路采用差分方式傳輸數據，提高了系統的抗干擾能力，可將獲取的數據穩定傳輸至二次側進行匯總，當數據傳輸至上位機時則需使用RS485轉RS232進行轉換，便于上位機軟件進行讀取[7-8]。

1.4　GSM模塊

當數據傳輸至低壓二次側后，會分別進行匯總，同時將匯總的數據與既定的溫度值進行比較，一旦發現某個被測點溫度異常，系統二次側會自動進行聲光閃爍報警，并將生成的報警信息通過GSM發送至指定的手機終端，便于進行故障排除。本裝置所使用的GSM模塊是GTM900C，最高耐溫80 ℃，它是通過標準的UART口進行連接的，支持標準SMS短信和AT命令及增強AT命令，具有一個USB接口和一個RS232接口，易于和單片機進行通信。在本系統中GSM主要是完成超溫告警信息的發送，因此只需使用短信功能，簡化了系統的設計，非常適合應用在高速數據傳輸中[9]。

2　軟件設計

系統中紅外終端采集設備主要任務是進行自身設備的初始化，然后根據系統所設定好的時間(20 s)進行輪詢，輪詢開始后首先由終端設備的單片機給紅外測溫探頭發送采集溫度的指令，并將采集的溫度數據回傳至單片機，單片機再將獲得的數據通過RS485總線傳輸至低壓二次側，二次設備進行超溫判定，如果超溫則進行聲光報警，并通過GSM傳輸至指定的手機終端[10-11]。終端采集設備工作基本流程如圖5所示。

GSM模塊作為告警信息發送的重要設備，需要使用到AT指令，為保證系統接受AT指令運行的穩定性，需要開機后保持20 s以上的時間再接受指令[12]。圖6所示為GSM模塊初始化的基本操作流程，初始化模塊中使用了發送AT指令程序。

圖5 終端采集設備工作流程

圖6 GSM模塊初始化基本流程

3　試驗測試

將所設計的裝置安裝在變電站試驗所，針對開關設備進行了整體試驗測試，安裝如圖7所示。

測試1：增加斷路器流過的電流，測試終端設備自具電源所產生的二次電流。試驗中逐漸將流經斷路器的電流由20 A增至1 500 A,經過一段時間的測定，發現二次側電流增幅穩定，可輸出穩定的3.3 V電壓，可以獲得穩定的電源。試驗數據如圖8所示。

測試2：針對觸頭有明顯損傷的斷路器安裝5號和6號測溫節點，試驗中持續增加該斷路器流經電流，觀察二次側設備所顯示的溫度變化情況。當電流較大時，斷路器上安裝的5號和6號測溫節點的溫度逐漸增加，當溫度超過既定的上限值，系統通過GSM可準確將超溫點的信息發送至指定的手機終端。

圖7　測試裝置安裝示意圖

圖8　自具電源試驗數據

通過測試結果可見，所設計系統可實現對關鍵點溫度周期性的自動測量，與傳統測溫方式相比，一方面提高了工作效率，降低了設備成本和勞動(安裝)強度，提高了智能化水平；另一方面也增加了測量精度，通過RS485有線傳輸方式可從根本上提高系統的抗電磁干擾能力，使數據傳輸的可靠性得到有效保障。

4　結束語

本文設計的基于GSM與紅外技術的溫差比較法應用于智能變電站溫升監控系統中，具有非接觸、精度高、響應快、適應面廣等特點，在變電站電氣設備發熱缺陷診斷中的應用發揮出明顯的技術優勢，降低了人工作業強度，增強了診斷的時效

性，提高了設備運行的可靠性，為同類設備應用提供一定參考。