開關柜動態預警無線溫度監測系統設計

陳本彬，陳明華，莊志堅，謝靈利

(1.廈門理工學院電氣工程與自動化學院，福建 廈門 361024；2.ABB(中國)有限公司中壓產品技術中心，福建 廈門 361006)

0 引言

開關柜在電力系統中承擔著保護電氣設備以及人員安全、保證供電可靠性等重要任務。隨著經濟快速發展，工業和居民的用電負荷也飛速增長，開關柜工作在較大負荷時容易發生過熱故障。其主要的發熱位置有三處，分別為開關柜的母排接頭、電纜接頭和斷路器的觸指。這三處位置長期處于高電壓和極強的電磁干擾環境中，由于設備制造，環境污染，觸點氧化等原因，可能造成接觸電阻增大。當通過較大的電流時容易發熱并導致設備的絕緣損壞，嚴重時甚至引發斷路器爆炸[1]。因此，有必要在開關柜內對這三處主回路的連接點進行溫度實時監測。

目前，許多溫度無線監測系統中的監測終端采用電池供電方案。這類方案不利于無線溫度監測終端的長期穩定運行，而且，絕大多溫度警報系統采用一個固定的報警閾值。該報警方式在溫度值較高時才能發出警報，此時的開關柜絕緣性能可能已經在高溫下被破壞[2-9]。其他溫度報警方案，如文獻[3]、文獻[6]中應用的溫度預測算法，則需要進行復雜的微分計算，且只能預測短期內的溫度趨勢，在較低溫度時仍然無法發現潛在的故障，所以這類溫度報警系統的實際應用價值還有待提高。

基于上述情況，為了提高開關柜無線監測終端的應用價值，本文提出了一種基于動態溫升預警模型的開關柜無線溫度監測系統設計方案。系統中的無線溫度監測終端采用電流互感器(current transformer,CT)取電的方式從測量點獲取電源，使用數字溫度傳感器監測溫度，并通過ZigBee模塊向上位機發溫度數據。上位機集成了溫度傳感器和霍爾電流傳感器，分別監測柜內環境溫度和主回路電流，再通過網關將所有數據上傳至服務器。服務器中采用動態溫升預警模型結合以上采集得到的數據，可以在監測點溫度較低時發現潛在的熱缺陷故障并發出警報，提醒運行人員采取相應措施。

1 無線溫度監測系統結構設計

根據溫度監測系統的工作要求，本文設計了一個由監控站服務器、站級網關和各個開關柜的溫度監測子系統組成的開關柜動態預警無線溫度監測系統。其結構如圖1所示。

圖1 無線溫度監測系統結構圖

開關柜溫度監測子系統由位于柜中各個監測點的無線溫度監測終端和位于開關柜低壓室中的上位機組成，上位機負責收集本臺開關柜的數據，并通過RS-485總線和Modbus協議將數據上傳至網關。網關作為一個中繼站，通過工業以太網將數據上傳至監控站的服務器中。在監控站服務器中，應用動態溫升預警模型對各個開關柜的運行狀況進行診斷。一旦開關柜的溫度超過模型中設定的動態閾值，則報警系統向運維人員發出警報。

2 無線溫度監測終端設計

2.1 無線溫度監測終端硬件設計

無線溫度監測終端的任務是監測節點溫度，并通過ZigBee將溫度數據發送到上位機中。因此，綜合考慮硬件需求和可靠性，設計了如圖2所示的無線溫度監測終端硬件結構。

圖2 終端硬件結構圖

無線溫度監測終端的電源模塊采用CT從主回路中取得電源，電源模塊原理如圖3所示。CT電流經端口AC1和AC2流入，通過由D2、D3、R1、R2和Q1組成的電壓限位電路再連接到整流橋和儲能電容C1，最后連接到線性穩壓芯片AMS1117，輸出3.3 V直流電源為各個模塊供電。考慮到監測點的環境嚴酷，終端的可靠性要求較高，本方案采用PIC16F18446微控制器作為微控制器單元(micro controller unit,MCU)。它的工作溫度范圍為-40～+125 ℃，有11個輸入/輸出(input/output，I/O)接口，且帶有12位模數轉換器(analog-digital converter，ADC)接口和足夠多的外設接口可供使用。

圖3 終端電源模塊原理圖

在目前的開關柜在線監測設備中，常用的溫度傳感器為三種，分別為光纖、紅外線和數字溫度傳感器，少數使用聲表面波傳感器。其中，光纖傳感器只能以有線方式安裝在母線側，不能安裝在斷路器的觸指上，而且光纖質地脆弱，長期工作在高壓下表面容易積灰并產生爬電隱患。紅外線成像技術則難以適應開關柜結構日益復雜緊湊的情況。聲表面波傳感器相互之間容易產生同頻信號的干擾，并且斷路器動作時的振動將導致它的相位發生變化，精度降低。經綜合考慮，本方案中采用DS18B20數字溫度傳感器監測溫度。它體積小，與微處理器之間僅需要一條線就能實現雙向通信，并直接輸出數字溫度信號。同時，它可傳送循環冗余碼校驗(cyclic redundancy check，CRC)校驗碼，有極強的抗干擾能力，穩定性和精度都能滿足要求，已被廣泛應用于各類開關柜溫度監測系統中[2-7]。

ZigBee模塊則由無線射頻收發芯片CC2520和板載天線組成。CC2520支持封包處理、數據緩沖、數據驗證等功能具有較好的穩定性。同時，其與MCU之間通過串行外設接口(serial peripheral interface，SPI)傳輸數據，使用方便，通信可靠性高。

2.2 無線溫度監測終端程序設計

子系統程序流程如圖4所示。

圖4 子系統程序流程圖

在變電站中，開關柜之間的距離很近，彼此之間容易產生通信干擾，它是程序設計中需要解決的關鍵問題。區別于普通的ZigBee無線監測終端，為了提高通信的穩定性，本文提出了一種增強通信穩定性的方法。在每次溫度監測終端完成報文發送后，終端會進入等待上位機回復的階段。若在設定時間內沒有收到回復，則進入另一段程序。在這段程序中定義了一個全局變量對無回復次數進行計數，當報文發送后沒收到回復則此變量值加1再進入休眠。一旦超過3次沒有收到回復說明此時通信出現故障，MCU將重啟ZigBee模塊再次嘗試通信。

ZigBee協議在2.4 GHz頻段定義了16個不同頻率的信道，在進行無線溫度監測終端配網時必須為相鄰的開關柜的設備設置不同的網絡信道。另外，ZigBee協議中定義了一個名為個人域網標志符(personal area network identifier，PAN_ID)的參數，同一個局域網中的所有設備擁有相同PAN_ID，上位機通過它判斷終端是否屬于本網絡，因此必須為相鄰開關柜配置不同的PAN_ID。同時，因為終端周期性地工作和休眠，為了防止終端同時工作時產生的通信阻塞，各個終端的工作周期設置也需不同。表1所示為一臺開關柜中的無線監測終端工作周期設置示例。至此，方案分別從物理通道和程序上隔離了不同開關柜的局域網，增強了網絡的抗干擾能力。

表1 監測終端的工作周期示例

3 無線溫度監測子系統上位機設計

無線溫度監測子系統上位機的任務是收集各個監測節點上傳的溫度，同時監測開關柜內的環境溫度和主回路電流，并將所有數據上傳至網關。根據其功能，方案中設計了如圖5所示的上位機硬件結構。

圖5 上位機硬件結構圖

其中，溫度傳感器和ZigBee模塊同樣采用DS18B20和CC2520芯片，霍爾電流傳感器通過采集開關柜低壓室中的電纜電流互感器的出線電流，間接地監測主回路電流。其輸出為模擬量，需經過信號調理電路的處理再輸入MCU。MCU則采用STM32F103微控制器。

上位機的溫度數據接收是一個被動過程。當完成ZigBee模塊的初始化后，其可以自動接收數據并進行回復，然后將數據存儲在其自身緩存中，MCU只需要定時讀取數據即可。當網關查詢上位機數據時，上位機將環境溫度、終端上傳的溫度和主回路電流等信息一同打包上傳至站級網關中。子系統上位機程序流程如圖6所示。

圖6 子系統上位機程序流程圖

4 開關柜動態預警模型

開關柜動態預警模型以健康開關柜的溫升數據為基礎，建立監測點溫度與主回路電流和通電時間的函數關系。預警時，系統利用在線監測得到的電流和通電時間，結合該函數關系計算溫升報警閾值，通過動態變化的閾值，自動判斷監測點是否存在熱缺陷故障。

模型的建立首先需要得到正常開關柜的溫升隨電流的變化關系。根據參考文獻[11]中的有開關柜溫升計算公式：

(1)

式中：I為實時的最大相電流；Iref為開關柜的額定電流；Tref為額定電流下的穩定溫升；Tstable為實時最大相電流的穩定溫升；指數a可調節，此處可取值1.6～2.0[11]。

在式(1)中代入實時最大相電流，可以計算出開關柜在該電流值下的正常溫升。式(1)中的已知參數只有Iref，而額定電流下的穩定溫升Tref需要通過試驗獲得。實際上在開關柜的運行現場，Tref受制造誤差和環境的影響不是一個確定的值，而是在一個范圍內波動。在這種情況下，很難使用一個確切的數學公式去計算Tref，因此需要采用概率與統計的方法來得到它。根據中心極限定理，在工業生產中一些現象受到許多相互獨立的隨機因素的影響。當每個因素所產生的影響都很微小時，總的影響可以看作是服從正態分布的；而實際上的開關柜溫升試驗數據也基本符合這個結論，因此可以采用正態分布來統計Tref。12 kV/3 150 A開關柜額定溫升的概率分布如圖7所示，經統計發現以X～(73.2，3)的正態分布模型擴展Tref，能剛好覆蓋其變化范圍。

圖7 12 kV/3 150 A開關柜額定溫升的概率分布

圖7中，從左至右的第一條虛線左側內的面積占正態分布總面積的80%，此范圍內的溫度可以覆蓋到大多數的正常溫升狀況。將此虛線處的溫度作為Tref代入式(1)，計算得到的Tstable已經能作為一個閾值。當溫升超過Tstable時，可以認為監測點存在故障的可能性較高。而圖7中從左至右第二條虛線左側占正態分布總面積的95%，在此虛處選取另一個Tref進行計算可以得到另一個完全覆蓋正常溫升情況的閾值，超過此閾值可認為監測點存在故障。仔細觀察式(1)可以發現，該式只引入了電流作為變量，而溫度的變化還與通電時間有關。通常在電流不變時，溫度隨時間變化大致呈指數形式增加。因此，考慮時間變量，還需根據文獻[12]再引入熱時間常數公式：

(2)

θstable=Tstable+θambient

(3)

式中：θn為實時溫度；θn-1為前一個時間點的實時溫度；θstable等于穩定溫升Tstable加上環境溫度θambient；t為兩個時間點之間的時間長度；τ為熱時間常數。

式(2)原用于表示溫度計的溫度變化暫態過程，描述用溫度計溫度為θstable的某物時，經過t時間后，讀數從θn-1變成θn的過程。顯然t=τ時式(2)等于e-1，τ即為溫度計的熱時間常數。這里同樣可以使用式(2)來計算開關柜的熱時間常數。取開關柜在額定電流下的試驗溫升數據中兩個不同的溫度點和額定穩定溫升代入式(2)，就可以計算出開關柜的熱時間常數τ。需要注意的是，斷路器的結構和運行環境等條件會影響τ的大小，不同的監測點也不同，因此對于每個監測點需要單獨計算。最后，將式(2)變形為：

(4)

通過代入θstable和熱時間常數τ，可以計算得到隨電流以及時間變化的溫度報警閾值θn；而θ0可直接選取為當前的溫度。在某廠家12 kV/3150A開關柜的母排接頭溫度曲線基礎上建立動態溫升預警模型，其中的溫度報警閾值可以跟隨當前電流值動態變化。相較于固定報警閾值的方式，此模型在電流2 500 A、溫度不到80 ℃時，就能提醒運行人員，有效提升了預警系統的實用性。

5 結束語

本文設計的開關柜動態預警無線溫度監測系統在常見的溫度監測系統基礎上作出了許多改進。對比常見的無線監測終端，其在硬件上采用了CT取電的方式提高了終端的工作穩定性；同時在軟件上考慮了實際運行情況，提供了實用的防止通信干擾措施。為了使方案設計盡可能地貼合實際需求和現場情況，本文應用試驗數據，建立了一個較準確的動態溫升預警模型，提高了報警系統的預警準確性及其應用價值。下一步的研究工作是盡可能地優化設備提高穩定性、可靠性，降低成本，拓展其應用范圍，同時積累更多的數據以提高模型的精度。