物联网技术在发电厂220kV隔离刀闸无线测温的应用

郭凯华 董 明 姜春雨

（华能上安电厂，河北 石家庄 050399）

0 引言

根据《防止电力生产事故的二十五项重点要求》中要求，开展隔离刀闸温度检测，对温度异常的隔离刀闸进行监测、分析和处理，防止导电回路过热引发的恶性事故。实现温度在线监测是保障高压隔离刀闸安全运行的重要手段，因此安装一套在线温度监测预警系统是非常必要的[1]。

建设在线温度监测预警系统，对实现隔离刀闸状态检修，减轻运维压力，减少现场人员巡检危险、保证运行可靠性、避免因为隔离刀闸事故导致“非停”均是可靠、有效、实用的技术保障手段。

1 应用于电气连接点温度监测的物联网关键技术

应用于电气连接点的温度传感器必须满足各种复杂的使用环境。高压电力设备的绝缘、防护等性能要求传感器不能通过有线方式连接，加之很多设备承载的负荷比较小，普通的电流感应器不能承担功耗过大的传感器正常工作，这就要求必须采用一种无源无线且低功耗的传感器；电力系统网络的高安全性、高可靠性以及现场的复杂性也要求组网方式能够灵活多变[2]。为此，采用物联网的自取能技术、低功耗传感技术、自组网射频通信技术对高压设备电气连接点温度在线监测提出了解决上述问题的方案。

1.1 电压获取电能电路（独立电容体感应取电）

高压设备存在强大的高压电场，从高压电场中获取能量是该方案的核心。通俗的说就是通过电压获取能量的手段。

孤立电容体获取到电荷后即可转换为电能。此时电容体获取的是高电压，微弱电流状况，甚至大于一般元器件的泄露电流。要将如此低的电流转换为传感器能使用的电源就需要以下几个关键步骤。1）开关电源：将高压电、弱电流转换为低电压、大电流；2）储能：将转换后的能量储备起来供传感器使用；3）储能控制（电压控制）：类似水坝的闸门，将涓涓细流储备起来，当传感器需要时开启闸门。当储能设备不足时及时关闭闸门继续进行储能。电压获取能量单元逻辑图如图1 所示。

图1 电压获取能量单元逻辑图

1.2 电流获取能量装置

该部分比较简单。利用的就是传统的电流互感器原理。只是该技术的核心是要将传统的电流互感器做的非常小巧，另外一个技术核心就是铁芯应能迅速饱和，并避免大电流工况下发热。

获取到电流后，经过整流后进入能量储备电路，该电路和电压感应部分共用电路，都分别将能量传送至储能模块。

1.3 低功耗传感技术

应用于电力设备状态监测的温度传感器的必须满足低功耗的要求，需要在微弱电流下可靠工作，选用特殊的坡莫合金做磁芯材料，确保磁导是普通硅钢的10 倍以上，体积小巧且柔软；在微弱电流工况下电量不足，应避免传感器震荡，要采用低功耗电子开关：电量充满后传感器发送数据，若电量不满足要求，传感器停止工作。

1.4 微功耗开关电源

微功耗开关电源示意图如图2 所示，图中的开关电源以一个开关管表示，但实际电路却无法用普通的开关管实现，必须采用独特的电路设计。传统的开关管耐压只有1000V，最大的问题是功耗较大，静态泄露电力都在1mA 左右。该项目采用双向高压触发二极管来实现开关管的作用。当电容的电压储备达到额定电压后，高压触发二极管导通。电路通过LC 电路对储能电容进行储能、降压。其目的是将高电压，微弱电流转换为直流5V、20mA 左右的直流电源，从而实现开关电源的作用。

图2 微功耗开关电源示意图

1.5 自组网射频通信技术

ZigBee 技术是一种短距离、低功耗、低速率和低成本的无线通信技术，其应用于电力设备传感层数据无线传输方面，具有如下特点。1）低功耗：温度传感器的应用场景要求其功耗必须非常低，而一个传感器的主要能耗集中在无线通信上面。因此，通信模块的低功耗就成了必备选项。2）可靠性：ZigBee 协议在物理层上采用了直接序列扩频（DSSS）技术来抑制噪声的干扰。3）安全性：加密算法采用AES-128，提供了数据的完整性检查和鉴权功能。4）实时性：ZigBee无线通信网络节点工作延时短，只有15ms～20ms，通常来说电力设备的温度监测时效性不需要精确到ms 级别。因此由ZigBee 模块构成的无线传感网络完全可以满足温度在线监测系统对实时性的要求。5）经济性：ZigBee 使用的工作频率是免费的，在2.4GHz 时，最高传输速率（也是ZigBee 的最大传输速率）为250kbit/s，在射频功率为20dBm（（100mW）情况下，2.4G 频率的室内传输距离大约是10～20 米，室外最大可达到300 米，完全满足变电站对无线测温的技术要求。

2 系统组成

无线测温系统的具体结构如图3 所示。应用物联网技术对变电站高压设备电气连接点温度进行监测，在站端构建一套温度在线监测系统，用于监测高压隔离刀闸设备电气连接部位的实时温度。从物联网技术架构上来看，物联网可分为3 层：感知层、网络层和应用层。对应的结构体系如下：感知层（温度传感器）、网络层（数据调节器、网关）、应用层（监控主站，包括服务器和本地显示装置）[3]。

图3 无线测温系统的具体结构

温度传感器布置在隔离刀闸动静触头接口附近，获取温度信息，通过Lora 无线通信方式将温度信号发送给数据集中器，数据集中器接收温度信息，进行初步分析处理后，通过以太网上传至监控主站。监控主站实时在线监测管理分析软件，能够实时显示隔离刀闸温度数据，历史数据的记录和对比分析、预警及报警、运行状态全程记录等功能。

工作人员可以通过无线测温系统实现交互实现预警、智能诊断与温度查询等功能。主要的模块功能如图 4 所示。

图4 主要的模块功能图

模块功能可从以下 3 个方面进行：1）数据采集。无线测温系统通过安装的测温节点实现对高压隔离刀闸触点温度数据与接头温度数据的采集，将采集到的数据转化为电信号之后，经芯片处理，发送到监控中心。2）实时温度查询。工作人员可以登陆相关页面，通过客户端对隔离刀闸的温度数据进行查询，也可以根据其记录的温度查询相应的历史数据。3）智能诊断与预警。当隔离刀闸的测点温度超过限值或者其温度变化率超过规定限值时，系统会发出警报并且显示出对应的温度数值，以此来提醒监控中线的工作人员，隔离刀闸刀口可能存在温度隐患。

2.1 温度传感器

温度传感器内部硬件设施中增加了电磁屏蔽和保护电路等设施。电磁感应取电电路需要采用电容器来实现储能功能，若选用传统的电解电容确实存在高温情况下漏液、容量变小的问题，选用固态电容作为储能元器件，可以避免高温情况下电容失效，以此确保电子元器件在125℃的环境下仍然能够长期稳定工作。外壳采用硅橡胶材料，硅橡胶是一种耐高低温（-60℃～250℃）、耐臭氧化并具有良好电绝缘性能的特种橡胶，是应用于电力系统中绝佳的绝缘材料。

温度传感器由感应取电模块、温度测量模块、控制模块、无线传输模块组成。外壳为耐高温绝缘材料，并由绝缘材料密封，其具有体积小、质量轻等优点。根据高压隔离刀闸的触指，对触点的监测可以在很大程度上降低隔离刀闸的故障率。

温度传感器采用低功耗技术，各个传感器相互间不会产生干扰，不受高压电场干扰，可以准确将信息发送出来。

2.2 数据集中器

数据集中器采用嵌入式工控机，基于工业级32 位ARM9系列CPU，Linux 操作系统，通过Lora 无线通信模块接收无线通信中继器上传的变电站内各个测温点的数据，实现数据的简单处理、存储和嵌入式WebServer 服务器功能，并通过标准RJ45 网口以Modbus 协议上传至监控主站。

在高压隔离刀闸的动触头上安装无线测温终端，无线测温终端通过433MHz 无线信号将监测点温度数据发送到温度监测主机，通过液晶显示屏显示各隔离刀闸触头的实时温度、历史数据表等多种显示查询功能，并提供超温报警及无线通信诊断功能。数据集中器的外观及安装如图5 所示。

图5 数据集中器外观、安装图

2.3 监控主站

监控主站包括1 台本地显示装置，1 套温度在线监测系统。服务器安装于室外，温度在线监测软件部署于服务器。软件以轮询的方式采集各设备温度。

温度在线监测系统主要实现数据采集、分析、预报警、故障定位、存储和管理等功能。系统可监测到现场温度连续变化的情况，并以曲线图显示，有温度绝对值报警、温度上升率报警的功能。为了避免发送错误数据产生误报，系统采用数据验证机制，采集温度超限后系统将连续采集该地址的温度，连续5 次温度超限且温度在合理区间才判定为温升超限。当温升超限时发出报警提示，提示操作人员检查升压站是否出现故障。

主站服务器具备接入系统局域网，支持局域网内其他PC 端通过IP 访问主站管理系统，查询主站系统的温度历史记录，读取温度曲线和温度报表。

3 实施效果

220kV 隔离刀闸电气连接点的温度在线监测系统采用有线无线结合通信模式，传感器到集中器通过射频通信实现数据上传，集中器与主站间通过4G 通信。系统能够及时掌握各监测点的实时温度情况，将设备监测点的温度等信息发送到主站系统，在计算机上能够方便地查询有关实时信息和历史数据。因为隔离刀闸的温度过高还有可能是电流或者负荷增大等原因引起的，所以在设备出现温度过高报警时，笔者综合考虑当时的电流还有环境温度等因素，通过查看电流曲线和环境温度等判断设备的过热是否正常[4]。220kV 隔离刀闸电气连接点的温度在线监测系统能够让用户及时掌握各监测点在故障前的运行状态，预防隐患的发生，保证设备的正常运行，并提供灵活的参数调整手段[5]。

该系统具备运行可靠、使用简单、维护方便的特点，完全满足电力企业的要求。

4 结论

综上所述，物联网自取能技术、低功耗传感技术、自组网射频通信技术适用于发电厂隔离刀闸连接点温度在线监测，符合国家、行业及电网企业对电力安全的要求，能够实时在线监测各个测温点的温度信息，达到了实用的效果。在发电厂隔离刀闸应用温度在线监测系统，可有效减轻设备管理人员的工作量，通过实时监测，让工作人员及时地采取检修和排查措施，防止设备故障的恶化，可以避免因温升过高而发生事故，进而提升电力系统的智能化水平。对高压设备电气连接点的温度进行在线监测，将有效保障设备运行安全，提高供电可靠性。