基于WSN的电力设备热点温度预警系统设计

杨莉莉 方剑

青海省电力公司信息通信公司，青海 西宁 810600

引言

现有的电力系统由发电、输电、变电、配电、用电等方面不同功能的设备结合而成，某些关键电力设备产生故障可能会导致整个系统发生破坏性故障。这不仅会对电力系统相关企业造成一定的经济利益损失，更是会对全体用电用户造成不可估量的经济损失。而电力设备的故障与老化往往伴随着异常发热，因此研发一种无线监控装置，由人为检查接点发热，变为接点自动报告发热，保障全天候在线监测电力设备发热隐患[1]。论文研究的热点预警系统旨在实时掌控电力设备运行温度，完成对监测信息的数据分析，了解设备的运行状态，对可能发生的事故进行预警，及时发现并消除安全隐患，以提高电网运行安全可靠性[2]。

1 热点预警系统架构说明

图1 热点预警系统网络结构图

如图1所示，热点温度预警系统由测温装置、多功能无线数据采集上位机、监测数据管理软件等组成。测温装置与上位机的通信拟采用433MHz射频技术，避免了布线困难，测温装置组成自组织网络，实现自动获取温度信息的目标；上位机与管理计算机之间的通信选用232与485通信，提供两种传输方式，数据传输距离比较近时选用232串口传输方式，比较远时选用485模差传输方式；并预留GPRS传输接口，方便以后数据的远传与升级；管理计算机与值班管理人员的计算机使用本地局域网或广域网互相通信。

通过在变电站户外接头处安装无线测温装置，可将接头处的温度数据传输到站内安装的无线数据采集上位机。通过监测数据管理软件进行数据挖掘后，并实现自动告警、数据趋势曲线展示等功能。

2 热点温度预警系统硬件设计

2.1 测温装置硬件设计

如图2所示，测温装置主要由MCU、温度传感器、射频芯片、电源电路四个部分组成。温度传感器将采样区温度形成一个与其成正比的电压信号，由MCU的AD采集引脚读出该电压幅值，转化回温度，进行相应计算后由射频芯片发出，最终传输至上位机处。温度监测预警系统的MCU选用PIC系列8位CMOS单片机，PIC18F13K22-E/SS，具有功耗低、自编程、10位AD等诸多优点适合热点温度预警系统的需求[3]。射频接收芯片选用nRF905高性能单片式无线收发芯片，可工作于433Mhz频道，具备ShockBurstTM工作模式，可自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便、功耗非常低。

图2 测温装置硬件原理图

2.2 上位机的硬件设计

图3 上位机硬件原理图

上位机节点与测温装置相比减少了温度传感器模块，其余沿用测温装置的硬件设计：由MCU控制射频芯片的电源，降低系统能耗；通过射频芯片接收测温装置发送的温度信息与告警信息，缓存处理后转发给管理服务器或管理人员的电脑。

图4为测温装置的硬件设计，上位机的设计与其相似，无需赘言。

3 系统管理软件设计

管理软件是整个系统与管理人员的桥梁，主要分为以下几个模块：

1）基础信息管理模块：主要管理站内设备的基本信息，包括测温装置所处设备的基本台账、运行检修信息等。通过数据共享和手工录入两种方式获取数据，可与PMS等符合SG186规范的信息系统通过数据接口的方式获取数据。

2）监测点管理模块：主要负责管理变电站内安装的测温监控装置基本情况。包括装置安装位置、装置投运日期、设备型号、使用年限等管理信息。

图4 测温装置硬件图

3）在线监测数据管理模块：主要管理实时测温数据，在变电站接线图上实时显示监测点温度信息，以图形化的操作方式查询各个监测点的实时、历史、测温点温度信息。

4）数据规范性验证模块：主要是负责将收集到系统中的数据进行正确性校验，可以通过用户自行设置比较数据来源，校验阈值等参数进行数据智能化验证。

5）设备预警管理模块：主要是管理测温装置的温度预警阈值，可进行组合型的设备预警，如温度值与温度异变速度结合等进行设备温度预警，能够在设备温度变化初期及时提醒。

6）统计分析模块：利用数据挖掘的技术和思路，将库内存储数据以特殊规则提炼出潜在的关系与信息，如分析设备一段时间内温度突变情况反应设备故障、分析同类设备在相同环境和运行方式下的不同温度情况反应设备的运行状态等。

4 结论与展望

论文着眼于电力设备及电缆接头部位可能存在的发热隐患，设计了一个热点温度预警系统。该系统的测温装置使用了433MHz的WSN进行组网，有效避免了户外布线的问题，组成的自组织网络，可以实现温度信息的自动获取与实时预警功能；后台管理软件实现了对电力设备运行温度的实时掌控，对监测信息的深度挖掘，并了解了设备的当前状态，对可能发生的事故进行预警，及时发现并消除安全隐患，提高了电网的可靠性。

[1]卢瑛,吴国忠.智能型高压电气设备温度监测预警系统[J]. 中国电力,2010,v.43;No.49603:55-58.

[2]杨林贵. 变电站热点温度监测预警平台设计与实现[J].北京电力高等专科学校学报：自然科学版,2012,29(3):180-181.

[3]PIC18F13K22/LF13K22/PIC18F14K22/LF14K22:8位PIC单片机(MCU)系列[J]. 世界电子元器件,2009,No.08:26.