智能变电站无线温度监控系统的设计

向 乾

汉中职业技术学院 机电工程系 陕西汉中 723002

1 研究背景

变电站作为电力系统的重要组成部分，承担着电力转换的重要角色，其关键设备的正常运行关乎电力系统的安全稳定。随着变电站电压等级的不断提高，在变电站中，某些设备的缺陷很容易造成设备温度异常，进而产生重大安全隐患。目前常用的变电站关键设备温度监测方法主要有三种。第一种是采用示温蜡片，由人工巡视蜡片的熔化状况来判断被测点温度是否过高。由于巡检周期长，效率低，监测数据无法实现共享，这一方法已不能满足变电站智能化建设的要求[1]。第二种是采用光纤测温。光纤测温可以通过光纤温度传感器获取温度，再通过光纤传输温度信息；也可以采用半导体热敏电阻作为温度传感器，再通过光纤传输温度信息。前者对光源和光信号的调制，以及接收电路的技术和稳定性要求较高，且铺设光纤工程造价较高；后者存在半导体抗干扰能力差、光纤布线易折断、污闪等问题，只能在较小范围内使用[2]。第三种是采用非接触测温。这一方法造价相对较低，但在强磁场的变电站中普遍难以确保数据传输的可靠性与稳定性[3]。

红外测温技术属于非接触测温，能有效进行高电压隔离，安全可靠，成本低。笔者基于全球移动通信系统(GSM)与红外技术，设计了变电站无线温度监控系统，能够有效完成对智能变电站关键设备温度的实时在线监测，提高变电站智能巡检与预警的效率。

2 系统硬件

智能变电站无线温度监控系统主要由位于一次侧的红外温度采集终端设备、高压自具电源、RS 485传送电路、GSM模块、人机交互等部分组成。在监测过程中，红外探头实时采集被测点温度，并将数据通过RS 485通信传送至低压二次侧。一旦采集的温度数据超过既定上限值，二次侧设备会进行声光报警，并通过GSM模块将温度异常点详细信息传送至指定的移动电话终端，提醒值班人员。系统硬件架构如图1所示。

图1 智能变电站无线温度监控系统硬件架构

2.1 红外温度采集终端设备

红外温度采集终端设备采用MIK-AL-10型红外探头，如图2所示。这一探头属于非接触式测温探头，具有测量精度高、响应时间短、发射频率高、耐高温、传输速率快、使用安全、小巧轻便、易于安装等特点。利用红外温差比较法对变电站设备进行温升故障评定，依据设备可承受的最大温度上升值或同类设备可承受的温升进行判别，适合应用于负荷电流致热型设备。红外温差比较法所得到的结果δ定义如下：

图2 MIK-AL-10型红外探头

(1)

式中：T2为测点发热温度，℃；T1为测点正常温度，℃；T0为环境温度，℃。

当所测得的δ超过30%时，即认定测点温度过高。图3为红外温度采集终端设备的硬件构成。

图3 红外温度采集终端设备硬件构成

2.2 高压自具电源

由于变电站设备自身有电流流过，因此为红外温度采集终端设备设计了高压自具电源。这一自具电源采用电流互感器取电，使用特制穿心式电流互感器从高压侧感应出电流，然后经整流、滤波、稳压，转化为合适的电压，供给红外温度采集终端设备[4]。因为这部分能量相对于一次侧而言很小，所以不会对高压侧产生影响。高压自具电源系统原理如图4所示。

图4 高压自具电源系统原理图

电流互感器二次侧的感应电动势e2和铁芯磁通Φ的关系为：

e2=-N2dΦ/dt

(2)

(3)

式中：N2为二次侧线圈匝数；t为时间。

(4)

式中：Φm为主磁通量；f为一次侧电流频率；B为互感器磁感应强度；S为互感器横截面积。

因电流互感器流通的电流可从几十安波动至几千安，因此为使红外温度采集终端设备获得稳定的电源，所设计的高压自具电源将互感出的电流依次经过前端冲击保护模块、整流滤波模块、降压模块形成红外温度采集终端设备所需电压[5]。当电流互感器一次侧电流较小时，所感应出的电压难以为红外温度采集终端设备提供稳定的电压，系统便会切换为电池供电。当一次侧电流较大时，则会对电池进行自动充电[6]。在实际运行过程中，若一次侧发生短路故障，达到数十千安的暂态电流时，电流互感器中会产生较强的冲击电流，但前端冲击保护模块和后级电路的多重保护功能可对高频能量实现缓冲，保证系统输出稳定的直流3.3V电压。

2.3 RS 485传送电路

因变电站中有较强的电磁干扰，为使数据在复杂的电磁环境中能够稳定传送，在系统中设计RS 485传送电路[7-8]。这一电路采用差分方式传送数据，提高了系统的抗干扰能力，可将获取的数据稳定地传送至二次侧进行汇总。当数据传送至上位机时，需要进行RS 485至RS 232的转换，便于上位机软件调用。

2.4 GSM模块

当数据传送至低压二次侧后，会分别进行汇总，同时将汇总的数据与既定温度值进行比较。一旦发现某个被测点温度异常，系统二次侧会自动进行声光报警，并将自动生成的报警信息通过GSM发送至指定的移动电话终端，便于进行故障排除。所使用的GSM模块为GTM900C型，最高耐温 80℃，通过标准通用异步收发口进行连接，具有一个通用串行总线接口和一个RS 232接口，易于和单片机进行通信[9]。在智能变电站无线温度监控系统中，GSM主要完成报警信息发送工作，因此只需使用短信功能。

3 系统工作流程

在应用智能变电站无线温度监控系统时，先进行设备初始化，然后根据设定的时间20s进行轮询。轮询开始后，由单片机向红外探头发送采集温度指令，并将采集的温度数据回传至单片机。单片机再将获得的数据通过RS 485通信传送至低压二次侧，二次侧设备进行温度判定。如果温度异常，则进行声光报警，并通过GSM将短信发送至指定的移动电话终端[10-11]。系统工作流程如图5所示。

图5 系统工作流程

GSM模块作为报警信息发送的重要设备，需要使用到AT指令。为保证系统接收AT指令运行的稳定性，需要开机后保持20s以上的时间再接收指令[12]。

4 验证测试

将所设计的智能变电站无线温度监控系统安装在变电站实验所，针对开关设备进行整体验证测试，如图6所示。

图6 智能变电站无线温度监控系统安装示意图

增大断路器流过的一次侧电流，测试高压自具电源所产生的二次侧电流。测试中逐渐将流经断路器的一次侧电流由20A增大至1500A,经过一段时间，发现二次侧电流增幅稳定，可输出稳定的3.3V电压，即红外温度采集终端设备可以获得稳定的电源。测试数据如图7所示。

图7 高压自具电源测试数据

针对触头有明显损伤的断路器安装5号、6号测温节点，测试中持续增大该断路器流经的电流，观察二次侧设备所显示的温度变化情况，如图8所示。当电流较大时，断路器上5号、6号测温节点的温度逐渐升高，当温度超过既定上限值时，系统通过GSM可准确地将测温点信息发送至指定的移动电话终端，如图9所示。

图8 系统监控界面

图9 GSM信息

由测试结果可见，所设计的智能变电站无线温度监控系统可对关键设备温度进行周期性自动监控。与传统测温方法相比，一方面提高了工作效率，降低了设备成本和劳动强度，提高了智能化水平；另一方面也提高了测量精度，通过RS 485通信传送可以从根本上提高系统的抗电磁干扰能力，使数据传送的可靠性得到有效保障。

5 结束语

基于GSM与红外技术设计了智能变电站无线温度监控系统，具有非接触、精度高、响应快、适应面广等特点，在变电站电气设备发热缺陷诊断中可以发挥明显的技术优势，并降低工人作业强度，增强诊断时效性，提高设备运行可靠性。

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