電控柜溫度檢測系統設計與實現

趙華

（上海國際港務（集團）股份有限公司振東集裝箱碼頭分公司，上海，200137）

0 引言

電力系統是國民經濟的命脈，電力系統的安全穩定運行是生產安全的重要保證，關系到社會經濟的發展和穩定。電力系統的許多設備、如發電機、變壓器、油斷路器、電力電纜、開關柜、母線接頭、套管夾等[1]。由于電流設計的錯誤、設備故障、工藝質量差、使用不當、接觸條件不好等原因，導致設備溫度升高，這直接威脅到了電力設備的壽命和整個電網的安全[2]。此外，由長期不易察覺的局部過熱引起的電力爆炸事件也越來越多，根據國家電力安全監管部門的統計，每年都有多起電力事故是由于電力設備溫度過高或過熱造成的，導致大規模停電和停機[3-4]。因此，電力設備的實時在線監測和超限報警是保證電力系統安全穩定的主要方法之一。

由于電力系統環境是高壓供電，處于強磁場中，因此電力系統的在線監測要求系統具有較強的抗電磁干擾能力。電力系統網絡復雜，設備和系統監測點多，需要多個溫度監測和報警系統。傳統的電力監測系統通過溫度檢測元件（如熱電偶、熱電組、熱敏電阻、集成溫度傳感器等）對電力設備的核心工作部件進行溫度監控[5]。但在測點復雜的情況下，很難實現。例如在高壓設備附近工作的電信號傳感器會受到嚴重的電磁干擾發生零點漂移，抗干擾能力差[6]。此外目前的溫度監測系統主要是對工作的核心部件進行監測，對外圍電路的監控較少，在外圍電力系統設置大量傳感器不僅受到成本的制約還受到環境因素的影響。

為了對電氣設備進行更加有效的和全面的監控，目前市場上也不斷涌現新的溫度監控設備，例如在電柜中加裝高效的溫度控制系統來滿足最關鍵部件的工作溫度要求，從而提高機柜系統的可靠性和使用壽命[7]。這種溫度控制系統一般通過兩種方式來改善核心部件的運行溫度[8]。第一種方式為被動冷卻，由于熱量總是從較高溫度的材料傳遞到較低溫度的材料，因此外殼必須設計有通風口，這些通風口的位置要巧妙地讓熱空氣逸出并被較冷的空氣取代。這種方法非常適用于保持電氣外殼冷卻。但是，其可行性取決于外殼的位置。它僅適用于外部空氣始終保持低于外殼內部空氣溫度的情況。可能需要在通風口上放置空氣過濾器，以防止灰塵或污垢進入外殼。第二種方式是通過空調或者熱交換機來進行調節，如果對流冷卻不足或濕度等環境因素成為問題，可以通過閉環冷卻。在濕度會影響設計的較冷環境中，熱交換器能夠有效地冷卻空氣。而且，空調也最適合位于炎熱環境中的電氣外殼。

目前電柜的溫度監控存在的主要問題是只對電柜的核心工作部件進行監控，無法對電柜的整體運行溫度進行監控，且各電柜的監控模塊獨立工作，當電柜發生故障導致溫度上升時，無法對故障點進行及時準確定位[9-10]。市場急缺一種可以對多電柜電力系統進行統一溫度監控，及時報警的電柜監控系統。實現多電柜在開環模式下的同步溫度監測，來記錄各電柜的歷史和實時工作狀態，并及時反饋給終端控制平臺的工作人員及時對故障電柜進行檢修處理。基于以上要求，本文提出了一種新型的電柜溫度監測系統，利用運動云臺和溫度傳感器組成一個智能溫度監測裝置，基于物聯網技術實現電柜運行區域的定期巡檢，及時將被監控區域內報警信息(視頻,圖片,數字)以及運動機構的工況及時反饋到手機,電腦等遠程客戶端。

1 方案與技術路線

如圖1、2所示，由于目前市場沒有此類產品，無任何參照經驗，通過對現有的溫度檢測裝置進行長期和詳細的調查，結合我們要開發的移動式溫度監測系統制定了系統功能和邏輯架構的設計，對需求進一步細化，技術方案進一步落實。在系統的設計和研發方面，對溫度監測設備進行摸排，設計了伺服電機、云臺和熱像儀聯動的溫度監控系統，獲取設備的實時數據進行分析；對獲得的數據進行分析和歸類，建立能夠通過實時監測數據判斷溫度是否超過閾值的數學模型，根據模型判斷監測設備狀態，并直接將狀態和報警信息發送到用戶；軟件的自維護以及自升級接口的開發工作，以實現軟件的自維護。

圖1 系統功能結構圖

圖2 移動式溫度監測裝置集成軟件邏輯架構圖

如圖3所示，建立了移動式溫度監測裝置集成軟件，由手機APP或電腦遠程控制進行全方位循環檢測或在指定區域進行檢測，通過由伺服電機、云臺以及熱像儀組合成的移動溫控設備采集監測點的數據，通過視頻、圖片和數字的形式向用戶傳遞監控區域內的報警信息，并且通過對歷史數據的分析來延長設備的使用壽命。基于物聯網技術，通過手機電腦等遠程客戶端進行控制和監測，使工作情景更加靈活有效。

圖3 可視化系統架構

2 總體設計

2.1 集控中心

2.1.1 溫度信息

（1）實時溫度

在首頁的信息中可以看到不同分組的溫度折線圖當前實時溫度。通過實時溫度可以監控設備的運行狀態和所處穩定性。讓工作人員可以實時監控當前所有分組設備的實時溫度和進行溫度觀測。

（2）溫度折線圖

在首頁的信息中可以看到不同分組的溫度折線圖，溫度折線圖展示溫度時間走勢，包括最高溫度、最低溫度、平均溫度。使用溫度折線圖更直觀顯示一段時間內分組設備的變化幅度與整體穩定性。

（3）溫度異常告警

在首頁的信息中可以看到不同分組的當實時溫度的告警信息。可通過設置當實時溫度超過設定閾值時，進行溫度異常提醒。實時監控不同分組溫度的變化情況，當溫度超過設定的實時溫度閾值時，發出報警信息讓工作人員可對相應的分組進行實時的調整，確保所有分組的設備正常運行。

2.1.2 設備狀態

（1）設備運行狀態

在首頁的信息中可以看到不同分組的設備是否正常連接、運行。讓工作人員可以實時監控當前所有分組設備的實時運行情況。若產生問題，可以讓工作人員可對相應的分組設備進行實時的調整，確保所有分組的設備正常運行。

（2）設備故障信息

在首頁的信息中可以看到不同分組設備的告警信息。可通過設置設備的告警，進行設備異常提醒。實時監控不同分組設備的變化情況，當設備發生故障時，進行故障提醒，讓工作人員可對相應的分組設備進行實時的調整，確保所有分組的設備正常運行。

2.2 用戶管理

2.2.1 賬戶管理

在首頁的用戶管理中可以對用戶進行管理。可以對現存的用戶進行增加、刪除、修改和查詢操作。

2.2.2 權限管理

在首頁的用戶管理中可以對用戶權限進行管理。可以對現存的用戶權限設置為超級管理員、管理員和普通用戶，不同權限的用戶在操作設備的時候會有不同的權限，普通用戶只能對設備進行監控，不能對添加設備進行修改；管理員既可以對設備進行監控，又可以對添加設備進行修改；超級管理員可以對所有用戶的權限進行管理，可以對現存的用戶進行增加、刪除、修改和查詢操作。

2.3 數據中心

我們在數據中心存儲相關故障信息和異常記錄，并保存相關歷史記錄，進行預測。

2.3.1 設備故障信息記錄

所有電機故障記錄，都將被記錄在日志文件中，包括異常編碼、通訊地址、地點標識和故障發生時間。以供故障解析、故障維修和故障預測等使用。

2.3.2 溫度異常記錄

在整個溫度監測過程中，所有的溫度異常信息同樣會記錄在異常溫度日志中，包括最大溫度值、平均溫度值、異常溫度、ip地址及其所在分組。用戶可以根據相關溫度信息和具體ip地址調取實況融合信息圖像，進一步判斷。

2.3.3 歷史查詢及文件導出

所有的設備故障和溫度異常信息都會保存在相關歷史日志文件中，我們建立了相關索引和快捷的查詢方式，以便使用者對相關信息進行進一步搜索查詢搜索。此外，我們還支持相關歷史記錄的導出，以便使用者靈活是使用相關數據，建立自己的基于數據驅動的算法模型進行相關判斷和預測。

2.4 設備管理

一套完善的設備管理體是整個設計方案正常開展的基礎,因此相關管理人員應該明確設備管理的工作目標和相關工作流程。具體而言，應當明確每一件設備具體且準確的基本狀態信息，且能井然有序地實施相關設備的運動控制。

2.4.1 資料管理

（1）設備分組

一整套溫控設備屬于一個分組，分組下可有伺服電機、云臺、熱像儀不同組合。基于不同的工況、設備精度和穩定性需求，我們將伺服電機、云臺、熱像儀的性能進行歸一化評估，同時將不同工況下設備性能理想需求評估后歸一化到同分布。將設備性能向理區間進行有條件的模糊聚類，這樣我們可以實現智能的設備管理。

（2）添加/刪除設備

在平臺上的數據添加和刪除是功能實現不可或缺的一部分。我們支持添加伺服電機、云臺、熱像儀的格式化數據，包括設備的品牌、型號、規格、SN碼、IP地址等信息。同時，也支持移除某個設備，對相關設備的特定信息進行修改。這在設備故障、設備更換等問題中，是重要的渠道。

2.4.2 參數設置

（1）熱像儀設置

紅外熱像儀測溫具有非接觸、遠距離、靈敏度高、速度快、測溫范圍廣，以及可以在圖像中選取被測目標等優點，但是其可視化效果并不優秀。在實際工況被測物體表面溫度、熱像儀指示的輻射溫度、環境溫度都將在實際溫度測試中起到一定作用。因此，進一步提供可見光模式下的圖像，將可以對異常情況提供進一步的判斷。在我們的平臺中，我們提供多種模式，包括紅外模式、普通模式以及融合模式。此外，為了進一步優化可見光下可視化效果，我們提供LED光源，可根據實際工況確定是否需要打開。根據具體的工作環境，可以設置區間在-20℃到180℃之間溫度告警閾值。

（2）云臺和伺服電機設置參數設置

為了實現熱像儀在不同角度圖像的補貨，我們基于不同的水平和垂直角度，設置了10組不同方向的點位，每組10個點位。此外，為了實現水平方向位移，我們設置了伺服電機，可以根須具體需求，調整水平極限位置和位移速度。我們內置了巡航模式，可以實現對所有點位的自動巡航檢測。

2.4.3 運動控制管理

基于物聯網的遠程控制，是智能檢測設備必不可少的功能。通過我們的遠程控制模塊，用戶可以在手機、平板或電腦端遠程控制熱像儀進行特性需求的旋轉或位移，以滿足多樣化工況需要。

3 結束語

本文提出了一種新型的電柜溫度監測系統，利用運動云臺和溫度傳感器組成一個智能溫度監測裝置，基于物聯網技術實現電柜運行區域的定期巡檢，及時將被監控區域內報警信息(視頻,圖片,數字)以及運動機構的工況及時反饋到手機,電腦等遠程客戶端。本文的系統大大減少了所需的人力資源，提高了監測檢查的效率，保障了電力系統安全穩定的運行。