开关柜动态预警无线温度监测系统设计

陈本彬，陈明华，庄志坚，谢灵利

(1.厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建 厦门 361024；2.ABB(中国)有限公司中压产品技术中心，福建 厦门 361006)

0 引言

开关柜在电力系统中承担着保护电气设备以及人员安全、保证供电可靠性等重要任务。随着经济快速发展，工业和居民的用电负荷也飞速增长，开关柜工作在较大负荷时容易发生过热故障。其主要的发热位置有三处，分别为开关柜的母排接头、电缆接头和断路器的触指。这三处位置长期处于高电压和极强的电磁干扰环境中，由于设备制造，环境污染，触点氧化等原因，可能造成接触电阻增大。当通过较大的电流时容易发热并导致设备的绝缘损坏，严重时甚至引发断路器爆炸[1]。因此，有必要在开关柜内对这三处主回路的连接点进行温度实时监测。

目前，许多温度无线监测系统中的监测终端采用电池供电方案。这类方案不利于无线温度监测终端的长期稳定运行，而且，绝大多温度警报系统采用一个固定的报警阈值。该报警方式在温度值较高时才能发出警报，此时的开关柜绝缘性能可能已经在高温下被破坏[2-9]。其他温度报警方案，如文献[3]、文献[6]中应用的温度预测算法，则需要进行复杂的微分计算，且只能预测短期内的温度趋势，在较低温度时仍然无法发现潜在的故障，所以这类温度报警系统的实际应用价值还有待提高。

基于上述情况，为了提高开关柜无线监测终端的应用价值，本文提出了一种基于动态温升预警模型的开关柜无线温度监测系统设计方案。系统中的无线温度监测终端采用电流互感器(current transformer,CT)取电的方式从测量点获取电源，使用数字温度传感器监测温度，并通过ZigBee模块向上位机发温度数据。上位机集成了温度传感器和霍尔电流传感器，分别监测柜内环境温度和主回路电流，再通过网关将所有数据上传至服务器。服务器中采用动态温升预警模型结合以上采集得到的数据，可以在监测点温度较低时发现潜在的热缺陷故障并发出警报，提醒运行人员采取相应措施。

1 无线温度监测系统结构设计

根据温度监测系统的工作要求，本文设计了一个由监控站服务器、站级网关和各个开关柜的温度监测子系统组成的开关柜动态预警无线温度监测系统。其结构如图1所示。

图1 无线温度监测系统结构图

开关柜温度监测子系统由位于柜中各个监测点的无线温度监测终端和位于开关柜低压室中的上位机组成，上位机负责收集本台开关柜的数据，并通过RS-485总线和Modbus协议将数据上传至网关。网关作为一个中继站，通过工业以太网将数据上传至监控站的服务器中。在监控站服务器中，应用动态温升预警模型对各个开关柜的运行状况进行诊断。一旦开关柜的温度超过模型中设定的动态阈值，则报警系统向运维人员发出警报。

2 无线温度监测终端设计

2.1 无线温度监测终端硬件设计

无线温度监测终端的任务是监测节点温度，并通过ZigBee将温度数据发送到上位机中。因此，综合考虑硬件需求和可靠性，设计了如图2所示的无线温度监测终端硬件结构。

图2 终端硬件结构图

无线温度监测终端的电源模块采用CT从主回路中取得电源，电源模块原理如图3所示。CT电流经端口AC1和AC2流入，通过由D2、D3、R1、R2和Q1组成的电压限位电路再连接到整流桥和储能电容C1，最后连接到线性稳压芯片AMS1117，输出3.3 V直流电源为各个模块供电。考虑到监测点的环境严酷，终端的可靠性要求较高，本方案采用PIC16F18446微控制器作为微控制器单元(micro controller unit,MCU)。它的工作温度范围为-40～+125 ℃，有11个输入/输出(input/output，I/O)接口，且带有12位模数转换器(analog-digital converter，ADC)接口和足够多的外设接口可供使用。

图3 终端电源模块原理图

在目前的开关柜在线监测设备中，常用的温度传感器为三种，分别为光纤、红外线和数字温度传感器，少数使用声表面波传感器。其中，光纤传感器只能以有线方式安装在母线侧，不能安装在断路器的触指上，而且光纤质地脆弱，长期工作在高压下表面容易积灰并产生爬电隐患。红外线成像技术则难以适应开关柜结构日益复杂紧凑的情况。声表面波传感器相互之间容易产生同频信号的干扰，并且断路器动作时的振动将导致它的相位发生变化，精度降低。经综合考虑，本方案中采用DS18B20数字温度传感器监测温度。它体积小，与微处理器之间仅需要一条线就能实现双向通信，并直接输出数字温度信号。同时，它可传送循环冗余码校验(cyclic redundancy check，CRC)校验码，有极强的抗干扰能力，稳定性和精度都能满足要求，已被广泛应用于各类开关柜温度监测系统中[2-7]。

ZigBee模块则由无线射频收发芯片CC2520和板载天线组成。CC2520支持封包处理、数据缓冲、数据验证等功能具有较好的稳定性。同时，其与MCU之间通过串行外设接口(serial peripheral interface，SPI)传输数据，使用方便，通信可靠性高。

2.2 无线温度监测终端程序设计

子系统程序流程如图4所示。

图4 子系统程序流程图

在变电站中，开关柜之间的距离很近，彼此之间容易产生通信干扰，它是程序设计中需要解决的关键问题。区别于普通的ZigBee无线监测终端，为了提高通信的稳定性，本文提出了一种增强通信稳定性的方法。在每次温度监测终端完成报文发送后，终端会进入等待上位机回复的阶段。若在设定时间内没有收到回复，则进入另一段程序。在这段程序中定义了一个全局变量对无回复次数进行计数，当报文发送后没收到回复则此变量值加1再进入休眠。一旦超过3次没有收到回复说明此时通信出现故障，MCU将重启ZigBee模块再次尝试通信。

ZigBee协议在2.4 GHz频段定义了16个不同频率的信道，在进行无线温度监测终端配网时必须为相邻的开关柜的设备设置不同的网络信道。另外，ZigBee协议中定义了一个名为个人域网标志符(personal area network identifier，PAN_ID)的参数，同一个局域网中的所有设备拥有相同PAN_ID，上位机通过它判断终端是否属于本网络，因此必须为相邻开关柜配置不同的PAN_ID。同时，因为终端周期性地工作和休眠，为了防止终端同时工作时产生的通信阻塞，各个终端的工作周期设置也需不同。表1所示为一台开关柜中的无线监测终端工作周期设置示例。至此，方案分别从物理通道和程序上隔离了不同开关柜的局域网，增强了网络的抗干扰能力。

表1 监测终端的工作周期示例

3 无线温度监测子系统上位机设计

无线温度监测子系统上位机的任务是收集各个监测节点上传的温度，同时监测开关柜内的环境温度和主回路电流，并将所有数据上传至网关。根据其功能，方案中设计了如图5所示的上位机硬件结构。

图5 上位机硬件结构图

其中，温度传感器和ZigBee模块同样采用DS18B20和CC2520芯片，霍尔电流传感器通过采集开关柜低压室中的电缆电流互感器的出线电流，间接地监测主回路电流。其输出为模拟量，需经过信号调理电路的处理再输入MCU。MCU则采用STM32F103微控制器。

上位机的温度数据接收是一个被动过程。当完成ZigBee模块的初始化后，其可以自动接收数据并进行回复，然后将数据存储在其自身缓存中，MCU只需要定时读取数据即可。当网关查询上位机数据时，上位机将环境温度、终端上传的温度和主回路电流等信息一同打包上传至站级网关中。子系统上位机程序流程如图6所示。

图6 子系统上位机程序流程图

4 开关柜动态预警模型

开关柜动态预警模型以健康开关柜的温升数据为基础，建立监测点温度与主回路电流和通电时间的函数关系。预警时，系统利用在线监测得到的电流和通电时间，结合该函数关系计算温升报警阈值，通过动态变化的阈值，自动判断监测点是否存在热缺陷故障。

模型的建立首先需要得到正常开关柜的温升随电流的变化关系。根据参考文献[11]中的有开关柜温升计算公式：

(1)

式中：I为实时的最大相电流；Iref为开关柜的额定电流；Tref为额定电流下的稳定温升；Tstable为实时最大相电流的稳定温升；指数a可调节，此处可取值1.6～2.0[11]。

在式(1)中代入实时最大相电流，可以计算出开关柜在该电流值下的正常温升。式(1)中的已知参数只有Iref，而额定电流下的稳定温升Tref需要通过试验获得。实际上在开关柜的运行现场，Tref受制造误差和环境的影响不是一个确定的值，而是在一个范围内波动。在这种情况下，很难使用一个确切的数学公式去计算Tref，因此需要采用概率与统计的方法来得到它。根据中心极限定理，在工业生产中一些现象受到许多相互独立的随机因素的影响。当每个因素所产生的影响都很微小时，总的影响可以看作是服从正态分布的；而实际上的开关柜温升试验数据也基本符合这个结论，因此可以采用正态分布来统计Tref。12 kV/3 150 A开关柜额定温升的概率分布如图7所示，经统计发现以X～(73.2，3)的正态分布模型扩展Tref，能刚好覆盖其变化范围。

图7 12 kV/3 150 A开关柜额定温升的概率分布

图7中，从左至右的第一条虚线左侧内的面积占正态分布总面积的80%，此范围内的温度可以覆盖到大多数的正常温升状况。将此虚线处的温度作为Tref代入式(1)，计算得到的Tstable已经能作为一个阈值。当温升超过Tstable时，可以认为监测点存在故障的可能性较高。而图7中从左至右第二条虚线左侧占正态分布总面积的95%，在此虚处选取另一个Tref进行计算可以得到另一个完全覆盖正常温升情况的阈值，超过此阈值可认为监测点存在故障。仔细观察式(1)可以发现，该式只引入了电流作为变量，而温度的变化还与通电时间有关。通常在电流不变时，温度随时间变化大致呈指数形式增加。因此，考虑时间变量，还需根据文献[12]再引入热时间常数公式：

(2)

θstable=Tstable+θambient

(3)

式中：θn为实时温度；θn-1为前一个时间点的实时温度；θstable等于稳定温升Tstable加上环境温度θambient；t为两个时间点之间的时间长度；τ为热时间常数。

式(2)原用于表示温度计的温度变化暂态过程，描述用温度计温度为θstable的某物时，经过t时间后，读数从θn-1变成θn的过程。显然t=τ时式(2)等于e-1，τ即为温度计的热时间常数。这里同样可以使用式(2)来计算开关柜的热时间常数。取开关柜在额定电流下的试验温升数据中两个不同的温度点和额定稳定温升代入式(2)，就可以计算出开关柜的热时间常数τ。需要注意的是，断路器的结构和运行环境等条件会影响τ的大小，不同的监测点也不同，因此对于每个监测点需要单独计算。最后，将式(2)变形为：

(4)

通过代入θstable和热时间常数τ，可以计算得到随电流以及时间变化的温度报警阈值θn；而θ0可直接选取为当前的温度。在某厂家12 kV/3150A开关柜的母排接头温度曲线基础上建立动态温升预警模型，其中的温度报警阈值可以跟随当前电流值动态变化。相较于固定报警阈值的方式，此模型在电流2 500 A、温度不到80 ℃时，就能提醒运行人员，有效提升了预警系统的实用性。

5 结束语

本文设计的开关柜动态预警无线温度监测系统在常见的温度监测系统基础上作出了许多改进。对比常见的无线监测终端，其在硬件上采用了CT取电的方式提高了终端的工作稳定性；同时在软件上考虑了实际运行情况，提供了实用的防止通信干扰措施。为了使方案设计尽可能地贴合实际需求和现场情况，本文应用试验数据，建立了一个较准确的动态温升预警模型，提高了报警系统的预警准确性及其应用价值。下一步的研究工作是尽可能地优化设备提高稳定性、可靠性，降低成本，拓展其应用范围，同时积累更多的数据以提高模型的精度。