基于物联网技术的中置柜温度监测系统的研究

邵叶晨　胡翔　郭强

摘 要：电力系统每年因高压中置柜电缆接头、母线温度过高引发的重大事故达上千起，给生产和经营造成重大经济损失。预防和解决高压设备过热，进行电气设备的温度监测是解决问题的关键。本文利用物联网技术，对中置柜温度监测现状及中置柜温度监测系统的组成的硬、软件及监测系统的功能进行了分析，实现了物联网中置柜温度监测系统的融合。重点针对有关中置柜温度监测系统后台系统设计并提出了本研究的创新之处。最后，根据现场运行情况，对测温的效果进行了验证，证实基于物联网技术的温度监测系统能够满足10kV高压中置柜的测温的需要，可以进行推广应用。

关键词：中置柜；物联网；红外测温；电缆接头

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.103

0 引言

电气设备运行温度，是反映其运行状态的最直接、最重要的指标之一。各种高低压中置柜内部触头、变压器、母排、电缆的接头等[1-2]，长期运行造成材质老化、接触电阻增大及负荷过大，引起过热甚至烧损。通过连续的温度在线监测，可以发现电气设备的运行状态变化，及时发现存在的故障隐患[3-4]。目前离线、在线电气设备温度监测，只能对人为认定的薄弱点进行监测，存在很大的局限性。

1 中置柜温度监测现状分析

目前，国内外在电气设备温度监测方面采取的方法可分为离线式和在线式。离线的监测方法主要有固定粘贴式蜡片贴测温法、热电偶法和数字温度传感器测温法等。由于离线监测方式不能及时发现中置柜等电气设备潜在的故障，离线温度检测技术已经很难满足电力系统的需要。在线的监测方法主要有光纤测温和红外测温法。光纤温度测布线复杂、投资大、线路老化问题严重且拆换困难、移动性较差，因此实际中应用并不广泛，很难做到普及。

以上的各种监测方法的监测点多为事先预置，刚性较强，一但设定就很难改变，且数据传输多采用有线的方式，给中置柜的现场安装带来很大的不便。基于以上测温方式存在的问题和缺陷，本文将物联网技术应用于中置柜温度测量系统中，改变现有监测系统的数据采集及通讯方式，设计了一种基于红外测温的在线监测系统，实现了开关柜内电气设备的全景温度监测。

2 物联网与开关柜温度监测系统的融合

2.1 设计思路和原则

利用物联网技术设计的立体式全方位中置柜内电气设备运行温度监测系统，主要由全景扫描执行单元、红外温度探测器（实现非接触式测温）、信号放大器及信号处理单元、显示输出单元等部分组成。全景扫描执行单元实现将红外温度探测器对准被测象；红外探测器将被测对象的红外辐射能转变为相应的电信号；该电信号经放大器和信号处理电路（内置转换算法和目标发射率校正算法）转变为被测对象的温度值，最终通过通讯系统（有线、无线）送达接收处理装置，并在显示输出单元输出显示。

2.2 功能简介及技术架构图

（1）系统通过非接触式红外测温装置，实现对柜内的空间的全方位扫描式监测，并将采集到的数据在电气参数监测仪上显示。

（2）正常情况下每隔30分钟，将实时温度值通过有线和无线方式传输到后台系统，当监测温度超限时，实现就地及远程报警功能。

（3）后台系统实现对监测数据的统计分析，早期故障检测、状态评估和故障告警等功能。后台系统具有短信报警功能，当监测温度异常时，利用GSM网络的短信功能及时通报相关人员，实现远程报警。

3 中置柜温度监测系统硬件设计

3.1 机械结构设计

（1）传动装置。为了现实全景温度扫描监测，设计了一套类云台的运动机构，该机构以经向和纬向旋转装置为主体。经向转动装置由步进电机驱动，经二级齿轮传动后，带动红外温度监测仪进行经向转动，转动轴上设置限位开关，当转动到极限角度后，触发限位开关，进行反向旋转，旋转角度为135°（俯角-45°，仰角90°）。

（2）红外温度扫描装置。红外温度扫描装置的主要功能是采集温度信息，安装于类云台机构的上部。在控制电路的控制下随类云台机构进行旋转，当达到预设测定点坐标时，类云台机构停止旋转，控制电路发出采样命令，实现对被测对象的温度采集。

3.2 电源模块设计

中置柜温度检测系统所需要提供的电源主要为 24V，24V电压可以经开关电源转换为驱动舵机运行电压和MCU运行所需的5V电压。电源主要是由 USB提供；利用开关电源对240V电源进行转换可以得到24V电源； 5V不用外界提供，只需要通过单片机AD转换基准电压即可得到。

4 后台系统设计

（1）系统总体架构。后台系统是一个功能强大、界面清晰、操作简便的综合应用系统，作为构建中置柜智能监控及应用系统的重要组成部分，可实现中置柜多源信息的综合管理和高级应用。整个系统由基础服务、数据库、通讯、图形和报表5个平台作为支撑。在此基础上已开发出主接线图、实时数据、统计报表等6块主要应用。

（2）通信状态。该界面可以直观显示监控系统通信状态联络情况，并且可以细化到单台中置柜智能模块之间的通信情况，绿色表示通信正常，红色表示通信故障。运维人员可根据该功能对通信情况进行实时监控，并快速做出反应，消除通信故障。

（3）统计报表。统计报表内容按照日期可分为日报表和月报表；按照查询方式可分为中置柜报表（纵向查询）、功能报表（横向查询）、组合报表、综合评价报表。此外，还可直接导出统计报表。

（4）综合评价。利用算法对采集得到的电缆温度和环境参数指标进行综合分析，并通过雷达图和数据表格方式将故障诊断和综合评估结果直观地显示出来，结果可以报表形式进行存储和提取。各个评估结果都对应不同的、特定的工作建议，用户可依据建议制定维护和检修工作计划。

评价结果以分数形式表示，从0分到100分，分别对应优质、良好、合格和较差4个等级，每个等级对应不同颜色，最后，根据最终综合评价结果给出相应的建议，运行维护人员可以根据建议制定工作计划。评价结果和综合建议每小时刷新一次，并将其生成报表，便于历史查询。具体建议见表1和表2：

5 总结

该产品为与浙江群力电气有限公司共同开发研制，目前已在浙江余杭区的某居民小区挂网试运行三个月，整套系统运行状况良好，基本解决了柜内母排连接点、电缆接头等部位出现异常温升时引发的故障，提高了监测系统的有效性和电气设备运行的可靠性，证实该产品可以满足10kV以上高压中置柜温度监测的需要。监测仪还具有参数设定方便，可拓展性强等优点。该产品成本控制在1000-1300元，售价按2000-2800元，每年售出5000台，按照群力电气公司中置柜在市场上销售的份额来看，每年该产品可创利润160万元左右。整套产品具有良好的社会效益和经济效益，可以进行推广应用。

参考文献：

[1]巩宪锋，衣红钢，王长松等.高压开关柜隔离触头温度监测研究[J].中国电机工程学报，2006（01）：155-158.

[2]GUO Hong-xia.Research of The on-line Temperature Monitoring System of Power Cable Based on FBG[D].Wuhan ： Wuhan University of Technology，2010.

[3]熊兰，徐敏捷，杨子康，赵艳龙，焦阳.高压开关柜电缆室温度场分析及在线监测系统构建[J].电力自动化设备，2014（06）：153-157.

[4]宿元斌，宿筱，何建廷.高压开关柜无源无线温度监测系统的研究[J].制造业自动化，2013（08）：32-35.

本文系吉林省发改委产业创新专项资金项目（2016C074）和吉林市科技局科技发展规划项目（20156406）成果之一。