風電場跌落保險溫度監測系統設計

張秦康，鄭 偉，包宇新，盧其威

（中國礦業大學（北京） 信息與電氣工程學院，北京 100083）

跌落保險，也稱之為跌落式熔斷器，因其具有經濟性好、安裝與維護便利、可靠性高等優點，被廣泛地安裝在風電場桿塔上，作為風電場風機桿塔線路的過載與短路保護裝置[1-2]。跌落保險的溫度監測一直是風電場的常規監測項目，但是目前還停留在人工測溫的方式上，該方式工人勞動強度高，也限制了溫度測量的實時性和準確性的提高。隨著使用時間的增加，跌落保險裝置故障率呈明顯上升趨勢。由于缺少在線實時監測系統，跌落保險裝置的過溫故障無法及時預警，導致故障維修不及時，不利于風電場根據溫度異常信息合理安排檢修時間，以提高風電場的發電效益。

實際上，目前風電場中的絕大部分的電氣設備都實現了信息智能化監測[3]，風電場跌落保險溫度手動監測方式已成為風電場信息化水平提升的一個障礙，因此風電場對于實現跌落保險溫度實時監測有著迫切的需求。截至2020年5月底，僅新疆地區風電裝機容量便達到19.75 GW，有近萬個風機桿塔裝有跌落保險[4]。綜上，開展風電場跌落保險溫度在線實時監測研究具有重要的意義，風電場跌落保險實時溫度監測系統具有廣闊的市場應用前景。

目前溫度監測系統已廣泛應用在各種電氣設備中，相關專家學者提出了許多技術，如牽引變電所線路夾件測溫系統、高壓開關柜無源無線溫度監測系統、接觸網主回路電氣節點過熱在線監測系統[5-7]等。盡管上述溫度監測系統都在不同領域得到了應用，但是均無法直接應用在風電場跌落保險溫度監測中。首先風電場跌落保險安裝在風電場桿塔電壓等級為35 kV 的線路上，需要解決溫度監測裝置的供電電源以及絕緣問題。其次，如何選擇合理的通訊方式將每個桿塔上的溫度數據傳輸給監控設備，也是需要考慮的問題。盡管每個桿塔下都有通信線路，但如果直接接入以太網，無論從復雜程度，還是從成本角度分析，都不合適。如何結合這些特點，確定合理的低成本的通信方式也是必須考慮的問題。

本論文結合現有的實時溫度監測系統技術方案，提出了針對風電場跌落保險溫度實時監測系統技術方案，并基于該技術方案研制了樣機。

1 技術方案設計

設計針對風電場跌落保險溫度監測系統的技術方案，需要綜合分析以確定跌落保險的溫度測量方法、溫度監測模塊的供電方式以及通信方式。

（1）跌落保險溫度測量方法

由于跌落保險安裝在35 kV 高壓線路桿塔上，因此需要考慮絕緣問題，相較于接觸式測溫，非接觸式測溫能夠更好地實現裝置絕緣，常用的非接觸式測溫技術有：聲學測溫、激光測溫、紅外測溫等[8-11]。綜合比較各測溫方式優缺點，本系統選用紅外測溫技術保證電氣隔離的要求。

（2）溫度監測裝置電源解決方案

溫度監測裝置需要解決自給供電問題。常見供電方式主要有：CT 取電、電池供電和光伏供電。其中，CT 取電容易出現斷電的情況[12]。電池供電更換維護麻煩。光伏供電有著環保、經濟的優點，但供電穩定性較差，因此多與電池供電配合使用，實現持久供電[13]。結合上述情況，本系統選用光—儲聯合供電[14]。

（3）系統通信方式

為降低安裝成本與維修難度，通信裝置應當選用無線通信技術。較為常見的無線通信技術有：藍牙通信技術[15]、Wi-Fi 通信技術[16-17]、NB-IOT 通信方式[18]、LoRa 通信技術[19]與ZigBee 通信技術[20]等。大多數風電場的塔桿為成行布置，每行中各相鄰桿塔距離在300～500 m 之間，各行之間距離在1 km 左右，為避免過多使用中繼，無線通信方式距離應當大于等于500 m[21]。考慮到本文系統應用的風電場環境，本系統選擇使用ZigBee 通信技術。

基于上述分析確定的測溫方式、供電方式以及通信方式，設計的系統技術方案如圖1所示。該系統由若干個溫度監測裝置、中繼網關、路由中繼模塊和溫度監控設備組成。每個溫度監測裝置監測三路跌落保險的溫度，該裝置同時具有ZigBee 通信功能。通過Mesh 組網方式，最終所有溫度監測模塊通過中繼網關將溫度數據傳輸給溫度監控設備。

圖1 風電場跌落保險溫度監測系統總體結構圖Fig.1 Overall structure diagram of drop insurance temperature detection system in wind farm

圖1中最左側一列為安裝在某一行風力發電機桿塔上的溫度監測裝置，溫度監測裝置11 將數據傳輸給溫度監測裝置12，溫度監測裝置12 將溫度監測裝置11 和12 的數據再傳輸給溫度監測裝置13，以此方式傳遞。最終由最接近中繼網關的溫度監測裝置將所有的溫度數據傳輸給中繼網關，這樣在擴大了無線通信距離的同時可以保證所有模塊的溫度數據傳輸給中繼網關。中繼網關接收數據后通過有線通信的方式將實時溫度數據傳輸給監控中心。若某一組溫度監測裝置的末尾與中繼網關超過了最大通信距離，可以加入一個或多個路由中繼模塊，保證數據可以成功發送給中繼網關，路由中繼模塊為只使用數據轉發功能的溫度監測裝置。

2 軟硬件設計

2.1 硬件部分

溫度監測裝置由供電模塊，ZigBee 通信模塊與測量控制模塊三部分組成，其結構如圖2所示。供電模塊采用光—儲聯合供電，光伏電池板發電時為鋰電池充電，并通過電源轉換模塊為溫度監測裝置直接供電，當光伏電池板不工作時，由鋰電池為溫度監測裝置供電。測控模塊由主控芯片和三路紅外溫度傳感器組成。紅外傳感器收集跌落保險的溫度數據并傳輸至主控芯片，主控芯片對數據進行處理后將信息傳輸至ZigBee 通信模塊。ZigBee 通信模塊負責信息的接收與編碼發送。

圖2 溫度監測裝置硬件結構圖Fig.2 Hardware structure diagram of temperature monitoring device

監控裝置由中繼網關與監控設備構成。中繼網關用于接收溫度數據并通過有線通信與上位機實現信息交互。上位機利用軟件對信息進行加工處理，最終將桿塔跌落保險的實時溫度、通信故障信息與溫度故障報警信息呈現在監控界面。

2.2 軟件部分

溫度監測裝置的主程序流程如圖3所示。裝置上電啟動后首先進行主控芯片、紅外傳感器和ZigBee模塊的初始化。ZigBee 模塊判斷是否接收到來自其他裝置的信息，若有，則將信息傳遞至主控芯片。主控芯片在對數據進行處理后將待發送數據寫入發送緩存區。ZigBee 模塊將發送緩存區中的數據編碼發送。數據發送完成后，主控芯片檢查溫度傳感器是否能夠正常工作，根據檢查結果調用溫度報警及故障處理子程序，溫度報警及故障處理子程序將溫度數據與報警信息處理后寫入緩存區等待下一個循環發送。

圖3 溫度監測裝置主程序流程Fig.3 Main program flow chart of temperature monitoring device

溫度報警與故障處理子程序流程如圖4所示，在接收溫度數據之前，主控芯片判斷紅外傳感器與溫度監測裝置間是否存在通信故障，通信故障采用延時報警方式，當通信故障計數器大于設定閾值時，主控芯片將故障信息寫入發送緩存區；若通信沒有異常，溫度傳感器將數據傳輸至主控芯片，主控芯片判斷是否報警。溫度報警同樣采用延時報警的方式，當溫度報警計數器大于設定閾值時，主控芯片發送故障報警信息并將信息寫入發送緩存區，隨下一循環發送至下級中繼模塊；若溫度沒有超出閾值，則通過ZigBee 模塊以輪詢的方式發送溫度數據，將實時的溫度數據更新至溫度數據變量。

圖4 溫度報警及故障處理子程序流程Fig.4 Sub-program flow chart of temperature alarm and fault handling subroutine

監控主機的上位機軟件設計包括中繼網關與上位機的信息交互設計和顯示界面的設計。軟件界面的主要功能區主要包括菜單欄、報警顯示區、設備狀態顯示區與設備數量信息顯示區。軟件可通過菜單欄查詢設備信息、故障歷史記錄、設置參數配置，也可以實現故障報警音消音與復位等操作。

3 系統實物與實驗分析

系統實物樣機如圖5所示，經現場測試相鄰兩個溫度監測裝置有效通信距離可達到設計要求，并利用ZigBee 成功實現了Mesh 組網，監控設備也能夠實時顯示安裝在桿塔上的跌落保險溫度數據。

圖5 跌落保險溫度監測系統實物圖Fig.5 Physical drawing of temperature detection system for drop insurance

如圖6所示，若監控設備圖標顯示為白色時，表明監控設備通信正常以及該處跌落保險溫度正常；若監控設備圖標顯示為黃色時，表明出現故障；若監控設備圖標顯示為紅色時，表明該處跌落保險溫度異常。在正常的溫度以及通信顯示界面還可以讀取環境參考點溫度和測溫點陣的溫度，讀取、設置溫度報警閾值，以及該溫度監測裝置供電電池電壓、網絡地址等基本信息，如圖中A 處所示；過溫報警界面還可以顯示測溫點陣溫度信息，如圖中B 處所示；通信故障界面無溫度以及基本信息，如圖中C處所示。

圖6 溫度監測系統監控與設備溫度信息顯示界面Fig.6 Temperature monitoring system monitoring and equipment temperature information display interface

4 結語

本文結合了目前風電場跌落保險溫度監測的現狀，設計了基于ZigBee 無線通信的跌落保險溫度監測系統，并完成了設計與測試。所做主要工作有：通過分析對比確定了ZigBee 無線通信，紅外溫度監測以及光—儲聯合供電的技術方案；對系統軟硬件進行了設計；對樣機進行了現場測試，各裝置實現了自組網并成功在監控中心溫度監控設備上顯示跌落保險溫度監測數據。本系統可以有效對風電場中的跌落保險溫度進行在線實時監測，有利于減少工作人員勞動強度，提高跌落保險溫度監測的效率，提升跌落保險檢修工作智能信息化水平，進而實現風電場企業的健康發展。