基于GSM与红外技术的温差比较法在智能变电站中的应用研究

2018-07-12向乾

东北电力技术 2018年5期

向　乾

(汉中职业技术学院机电工程系，陕西　汉中　723002)

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着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，一些设备缺陷很容易造成设备的温度异常，产生重大的安全隐患。针对变电站温升的监测已有相关研究，目前常用的变电站关键设备温升监测主要有3种方案。第1种是采用示温蜡片法，该种方法是由人工巡视蜡片的融化状况判断被测点是否温升过高，由于巡检周期长，效率低，监测数据无法实施智能共享，已不能满足变电站智能化建设的基本标准[1]。第2种是采用光纤测温法，光纤测温分为两种，分别是采用光纤温度传感器获取温度再通过光纤传输和利用半导体热敏电阻作为温度传感器，将光纤作为温度传输的媒介，当使用光纤温度传感器获取温度再通过光纤传输时，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，且光纤的工程造价较高；当使用半导体器件作为测温探头，将光纤作为温度传输的媒介时，存在半导体抗干扰差、光纤布线易折断、存在污闪等问题，因此只较小范围内使用该方法[2]。第3种是采用无线传输的方法，该种方法相对造价较低，但在强磁场的变电站中难以确保数据传输的可靠性与稳定性[3]。红外测温技术属于一种非接触的测温方式，能够有效进行高电压隔离，安全可靠、成本低。本文设计了一种基于GSM技术与红外技术的变电站温升监控系统，能够有效完成对智能变电站关键设备的温度实时在线监测，提高了变电站智能巡检与预警的效率。

1　系统硬件结构与功能实现

整个系统主要由位于一次侧的红外温度采集终端设备、TA自具电源、RS485传输电路、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，并将采集数据通过RS485传输至低压二次侧，一旦采集的温度数据超过既定的上限值，二次侧设备则会进行声光报警，并通过GSM通信模块将温度异常点详细信息传输至指定的手机终端，提醒人工进行超温处理。系统的整体架构如图1所示。

图1　系统整体架构

1.1　红外温度采集终端设备

该模块采用MEACON的MIK-AL-10型红外探头，如图2所示。该探头属于非接触式测温探头，具有测量精度高、响应时间快、发射率高、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是依据该设备可承受的最高温度上升值或同类温度可承受的温度差进行判别，比较适合应用于负荷电流致热型设备。该方法测量值为2个对应测温点之间的温差与其中较热点的温升之比δ，当所测得的百分比超过30%时，即认定被测点温升过高。红外实时在线采集模块的硬件构成如图3所示，主要由自具电源、红外探头、RS485接口电路组成。

图2　MIK-AL-10型红外探头

图3　红外在线采集终端模块硬件构成

(1)

式中：δ为相对温差；T2为发热点温度；T1为正常相对应温度；T0为环境温度。

1.2　终端自具电源的设计

因变电站设备自身有电流流过，因此终端采集设备供电设计了自具电源，该自具电源采用电流互感取电，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，供给终端采集设备。因这部分能量相对一次侧而言很小，故不会对高压侧产生影响。本装置高压侧自具电源主要由电流互感器、后级处理和保护电路部分构成[4]。高压侧自具电源系统框图如图4所示。

图4 高压侧自具电源系统框图

(2)

式中：N2是二次侧线圈匝数；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。

因互感器径流的电流可从几十A波动至几千A，为使终端采集设备获得稳定的电源，所设计的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、过压过流保护模块、降压模块以及DC/DC模块形成高压侧温度采集装置所需电压[5]。当互感器一次侧电流较小时，所感应出的电压难以为终端采集设备提供稳定的电压时，系统便会切换电池供电，当一次侧电流较高时则会对装置中的电池进行自动充电[6]。在实际运行过程中，若一次侧发生短路故障时，达到数十kA的暂态电流时，电流互感器中会产生较强的的冲击电流，但在经过前端冲击保护电路和后级电路的多重保护功能后可实现对高频能量的缓冲，可以保证系统输出稳定的直流3.3 V电压。

1.3　RS485数据传输模块

因变电站中有较强的电磁干扰，为实现数据在复杂的电磁环境中能够稳定传输，在系统中设计使用了RS485接口电路，该接口电路采用差分方式传输数据，提高了系统的抗干扰能力，可将获取的数据稳定传输至二次侧进行汇总，当数据传输至上位机时则需使用RS485转RS232进行转换，便于上位机软件进行读取[7-8]。

1.4　GSM模块

当数据传输至低压二次侧后，会分别进行汇总，同时将汇总的数据与既定的温度值进行比较，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闪烁报警，并将生成的报警信息通过GSM发送至指定的手机终端，便于进行故障排除。本装置所使用的GSM模块是GTM900C，最高耐温80 ℃，它是通过标准的UART口进行连接的，支持标准SMS短信和AT命令及增强AT命令，具有一个USB接口和一个RS232接口，易于和单片机进行通信。在本系统中GSM主要是完成超温告警信息的发送，因此只需使用短信功能，简化了系统的设计，非常适合应用在高速数据传输中[9]。

2　软件设计

系统中红外终端采集设备主要任务是进行自身设备的初始化，然后根据系统所设定好的时间(20 s)进行轮询，轮询开始后首先由终端设备的单片机给红外测温探头发送采集温度的指令，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RS485总线传输至低压二次侧，二次设备进行超温判定，如果超温则进行声光报警，并通过GSM传输至指定的手机终端[10-11]。终端采集设备工作基本流程如图5所示。

GSM模块作为告警信息发送的重要设备，需要使用到AT指令，为保证系统接受AT指令运行的稳定性，需要开机后保持20 s以上的时间再接受指令[12]。图6所示为GSM模块初始化的基本操作流程，初始化模块中使用了发送AT指令程序。