一種電力設備柜內溫度高精度實時監測系統

陽 浩，趙 歡，薛 榮，余郁彬，魏恩偉

（1.深圳供電局有限公司，廣東深圳 510000；2.南方電網深圳數字電網研究院有限公司，廣東深圳 518000）

開關柜在電力生產環境下承擔著較為重要的任務，保障開關柜的安全就是確保電力生產的人身和設備安全。當前，電力網絡的負荷隨著我國經濟持續、快速的發展而不斷增長。文獻[1]中對開關柜內部構件的渦流損耗進行了研究，該研究指出：當電力負荷增大時，電力開關柜體內部的線排、接頭、電容圈等電器部件由于高電壓、高電磁干擾的影響以及電阻的熱效應會產生較大熱量，并造成斷路器等元件的爆炸[2-7]。目前電力部門對配電環網柜[8]、變電開關柜[9]等柜內電力設備仍無法進行實時監測，僅可采用普檢或故障檢修的方式來維護設備，發現并排除安全隱患。因此，若能實時監測柜體內線排、接頭處的溫度狀態，即可有效預防電氣事故[10-11]。但現階段由于對相關研究的不足，缺乏一種安全直觀、可與站內監控系統聯動的可視化測溫監測手段。

基于以上分析，通過配置柜內溫度監測系統，能夠有效降低基層工作人員的工作強度，并為柜內狀態檢修提供新的思路。文獻[12-13]對紅外測溫技術在電力設備故障診斷中的應用進行了研究，但其所實現的測溫系統無法直接部署在開關柜內。因此，該文針對開關柜的溫度故障監測與報警系統的相關設計方法進行了研究，設計了一套基于紅外測溫原理的溫度實時監測系統。該系統包含硬件、軟件兩大組成部分：在硬件部分，使用紅外測溫芯片、FPGA、CPU 等硬件模塊實現了溫度的采集和數據上報；在軟件部分，基于C++語言開發的軟件系統實現了對硬件控制、采集參數設置等功能。

1 系統設計

1.1 硬件設計

根據國家電網公司對于溫度監測的相關要求和技術標準，文中設計了如圖1 所示的紅外測溫系統的硬件部分。該系統的硬件部分由5 個模塊組成，分別是電源模塊、紅外探測器及采集電路、FPGA、CPU 以及外設模塊。

圖1 系統硬件組成結構

圖2 設計的測溫系統部署分布于變電內的每個開關柜中，作為一個監測點對該柜的溫度進行監測。為了提升監控的覆蓋范圍，該系統可基于RS485總線，使用Modbus 協議將采集的溫度信息上報至每個變電站的站級網關。該網關再基于電力通信系統將所有的監測數據上傳至電力監控系統，從而實現站內所有開關柜內溫度的實時監測。

圖2 系統部署

在系統的硬件設計中，紅外測溫模塊是最重要的模塊之一，其是一種基于紅外熱輻射原理的溫度測量技術[14-16]。該技術可實現無接觸的遠距離測溫，這種測溫方式對于電氣系統具有更高的安全性。其基本原理如下式：

其中，h 為普朗克常數，T為絕對溫度。根據式（1），物體的紅外輻射能量與該物體的溫度相關。當物體的溫度升高時，其紅外輻射值會向短波方向移動。

1.2 軟件設計

為了提供更友好的交互并提升硬件系統的易用性，仍需實現前端交互界面與后端數據處理系統等軟件部分，以用于硬件系統的控制及相關數據的讀取。在進行軟件系統設計時首先要對需求進行分析，通過該步驟能將軟件系統需要實現的功能分解為軟件技術可實現的功能模塊。該文利用需求分析，將系統需求轉化為硬件控制、采集信息管理、告警監控、數據分析四大功能模塊，如圖3 所示。

圖3 系統軟件功能模塊設計

1）硬件控制模塊

該模塊主要用于控制FPGA、紅外采集模塊等系統硬件，例如向控制系統寫入相關控制字，實現MLX90614 芯片中的CRC（Cyclic Redundancy Check）校驗，實現SMBus 通信協議的驅動等功能。

2）采集信息管理模塊

該模塊主要用于設置柜內溫度信息所采集的頻率和范圍等相關參數。在進行信息采集時，其還能將系統進行初始化以保證信息采集的可靠性。

3）告警監控模塊

該模塊主要用于溫度報警閾值、硬件攝像頭拍攝模式等參數的設置。其通過報警條件列表的相關控制，可增刪對應分析的報警條件，并在測溫觸發報警條件后，能夠實時顯示報警信息。

4）數據分析模塊

該模塊一方面通過設備設置組織結構，根據樹狀圖、設備電壓、設備名稱和設備類型等條件，篩選感興趣的測溫點并實時預覽最新的溫度圖像與數據；另一方面，其提供多種篩選條件，例如檢測時間、設備電壓、設備類型、部位角度、相別和缺陷狀態等，輔助運維人員實現歷史數據的篩選及分析。

2 方法實現

2.1 硬件實現

系統硬件的難點在于FPGA 芯片與測溫芯片間的數據傳輸。為解決該問題，該文測溫系統使用的芯片為Altera 公司的MAX90 系列芯片，具體型號為MLX90614。該芯片的基本結構如圖4 所示。

圖4 芯片內部組成結構

從圖4 中可以看出，MLX90614 芯片中集成了81101 紅外熱電堆元件、OPA、ADC、DSP 和PWM 等器件，這些器件在控制單元的支撐下完成紅外信號的采集和處理。其中，81101中的信號處理方法如下。

在81101 中，將紅外信號轉化為電信號：

式中，Vir是81101 芯片的輸出電壓，Ta是81101上內置溫度傳感器的自身溫度，Tb是被測物體的溫度，A是轉換函數。在MLX90614 的控制單元中，使用大小為32×16 bit 的RAM 對處理后的數據進行存儲。該存儲器的存儲地址結構如表1 所示。

表1 MLX90614地址表

紅外采集模塊采集的模擬信號經過ADC 轉化為數字信號，使用DSP等數字信號處理模塊處理后，即可存儲于RAM 中。FPGA 通過SMBus 從MLX90614中進行數據的讀取及寫入。

SMBus 協議中包含必備信號線兩根，分別為SMBDAT 數據線、SMBCLK 時鐘線；可選信號線一根，為SMBALERT 中斷線?；镜腟MBus 幀結構如圖5 所示。

圖5 SMBus基本幀結構

SMBus 幀中，各字段的具體定義如表2 所示。

表2 SMBus幀字段定義

完整的SMBus 協議簇內包含了多個協議。在MLX90614 芯片中，根據芯片的需求主要實現了讀字節和寫字節。讀、寫的幀結構分別如圖6(a)、(b)所示。

圖6 SMBus讀寫幀結構

基于以上分析，設計了如圖7 所示的SMBus 狀態遷移方式。

圖7 SMBus驅動的狀態遷移圖

首先系統的控制模塊發起對MLX90614 的數據讀取需求，即狀態S0；隨后，總線驅動模塊根據系統首地址00H 中存儲的qfv_odd 的值判斷下一步的轉移路徑。當總線上的使能許可標記位均為1 時，控制系統開始從MLX90614 中逐步進行數據的讀取。

2.2 系統實現與測試分析

基于圖3 所示的系統軟件功能模塊，通過C++語言設計了系統的軟件部分，從而實現硬件控制管理、數據采集管理、監控管理、數據分析四個功能模塊。測試實驗將系統的軟硬件部分綜合部署在某變電站開關柜的以下幾個位置點處：

1）10 kV、35 kV 開關柜中的三相觸頭；

2）電氣柜中電纜出線室內電纜觸頭；

3）饋線柜電纜觸頭；

4）變壓室內電纜觸頭。

為了更好地評估該系統的性能，將其與文獻[13]中的矩陣式測溫系統進行了對比實驗。兩個系統在變電站開關柜內斷路器接頭處進行了部署，且二者與接頭的距離均為20 cm。圖8 給出了該變電站開關柜內斷路器接頭的實時監控測溫圖；而表3 則記錄了兩個系統在15 個測溫點的測溫結果。

表3 系統部署后的實際測量結果

圖8 柜內溫度實時監控圖

通過對表3 中的數據進行分析可知，該文設計的系統平均測溫溫差為0.29 ℃，矩陣式測溫系統的平均測溫溫差為0.94 ℃。通過對比每次的測量結果能夠發現，該系統的測試結果略小于實際溫度；而矩陣式測溫系統的測量結果略大于實際溫度，且兩個系統的測試結果均有較好的一致性，因此可在系統中引入補償模塊對測試結果進行補償，從而取得更優的精度。

3 結束語

文中對于紅外測溫的相關技術原理進行了研究，設計實現了一套用于電力開關柜的柜內溫度測量與監控系統。該系統基于SMBus 通信協議實現了從紅外測溫芯片到FPGA 芯片的數據傳輸，保障了在高溫環境下數據的傳輸速率和可靠性，而應用軟件系統則為用戶提供了良好的交互體驗。此溫度監控系統可快速、有效的接入變電站監控系統內，對于提升電力生產效率具有一定的現實意義。