风电场跌落保险温度监测系统设计

张秦康，郑 伟，包宇新，卢其威

（中国矿业大学（北京） 信息与电气工程学院，北京 100083）

跌落保险，也称之为跌落式熔断器，因其具有经济性好、安装与维护便利、可靠性高等优点，被广泛地安装在风电场杆塔上，作为风电场风机杆塔线路的过载与短路保护装置[1-2]。跌落保险的温度监测一直是风电场的常规监测项目，但是目前还停留在人工测温的方式上，该方式工人劳动强度高，也限制了温度测量的实时性和准确性的提高。随着使用时间的增加，跌落保险装置故障率呈明显上升趋势。由于缺少在线实时监测系统，跌落保险装置的过温故障无法及时预警，导致故障维修不及时，不利于风电场根据温度异常信息合理安排检修时间，以提高风电场的发电效益。

实际上，目前风电场中的绝大部分的电气设备都实现了信息智能化监测[3]，风电场跌落保险温度手动监测方式已成为风电场信息化水平提升的一个障碍，因此风电场对于实现跌落保险温度实时监测有着迫切的需求。截至2020年5月底，仅新疆地区风电装机容量便达到19.75 GW，有近万个风机杆塔装有跌落保险[4]。综上，开展风电场跌落保险温度在线实时监测研究具有重要的意义，风电场跌落保险实时温度监测系统具有广阔的市场应用前景。

目前温度监测系统已广泛应用在各种电气设备中，相关专家学者提出了许多技术，如牵引变电所线路夹件测温系统、高压开关柜无源无线温度监测系统、接触网主回路电气节点过热在线监测系统[5-7]等。尽管上述温度监测系统都在不同领域得到了应用，但是均无法直接应用在风电场跌落保险温度监测中。首先风电场跌落保险安装在风电场杆塔电压等级为35 kV 的线路上，需要解决温度监测装置的供电电源以及绝缘问题。其次，如何选择合理的通讯方式将每个杆塔上的温度数据传输给监控设备，也是需要考虑的问题。尽管每个杆塔下都有通信线路，但如果直接接入以太网，无论从复杂程度，还是从成本角度分析，都不合适。如何结合这些特点，确定合理的低成本的通信方式也是必须考虑的问题。

本论文结合现有的实时温度监测系统技术方案，提出了针对风电场跌落保险温度实时监测系统技术方案，并基于该技术方案研制了样机。

1 技术方案设计

设计针对风电场跌落保险温度监测系统的技术方案，需要综合分析以确定跌落保险的温度测量方法、温度监测模块的供电方式以及通信方式。

（1）跌落保险温度测量方法

由于跌落保险安装在35 kV 高压线路杆塔上，因此需要考虑绝缘问题，相较于接触式测温，非接触式测温能够更好地实现装置绝缘，常用的非接触式测温技术有：声学测温、激光测温、红外测温等[8-11]。综合比较各测温方式优缺点，本系统选用红外测温技术保证电气隔离的要求。

（2）温度监测装置电源解决方案

温度监测装置需要解决自给供电问题。常见供电方式主要有：CT 取电、电池供电和光伏供电。其中，CT 取电容易出现断电的情况[12]。电池供电更换维护麻烦。光伏供电有着环保、经济的优点，但供电稳定性较差，因此多与电池供电配合使用，实现持久供电[13]。结合上述情况，本系统选用光—储联合供电[14]。

（3）系统通信方式

为降低安装成本与维修难度，通信装置应当选用无线通信技术。较为常见的无线通信技术有：蓝牙通信技术[15]、Wi-Fi 通信技术[16-17]、NB-IOT 通信方式[18]、LoRa 通信技术[19]与ZigBee 通信技术[20]等。大多数风电场的塔杆为成行布置，每行中各相邻杆塔距离在300～500 m 之间，各行之间距离在1 km 左右，为避免过多使用中继，无线通信方式距离应当大于等于500 m[21]。考虑到本文系统应用的风电场环境，本系统选择使用ZigBee 通信技术。

基于上述分析确定的测温方式、供电方式以及通信方式，设计的系统技术方案如图1所示。该系统由若干个温度监测装置、中继网关、路由中继模块和温度监控设备组成。每个温度监测装置监测三路跌落保险的温度，该装置同时具有ZigBee 通信功能。通过Mesh 组网方式，最终所有温度监测模块通过中继网关将温度数据传输给温度监控设备。

图1 风电场跌落保险温度监测系统总体结构图Fig.1 Overall structure diagram of drop insurance temperature detection system in wind farm

图1中最左侧一列为安装在某一行风力发电机杆塔上的温度监测装置，温度监测装置11 将数据传输给温度监测装置12，温度监测装置12 将温度监测装置11 和12 的数据再传输给温度监测装置13，以此方式传递。最终由最接近中继网关的温度监测装置将所有的温度数据传输给中继网关，这样在扩大了无线通信距离的同时可以保证所有模块的温度数据传输给中继网关。中继网关接收数据后通过有线通信的方式将实时温度数据传输给监控中心。若某一组温度监测装置的末尾与中继网关超过了最大通信距离，可以加入一个或多个路由中继模块，保证数据可以成功发送给中继网关，路由中继模块为只使用数据转发功能的温度监测装置。

2 软硬件设计

2.1 硬件部分

温度监测装置由供电模块，ZigBee 通信模块与测量控制模块三部分组成，其结构如图2所示。供电模块采用光—储联合供电，光伏电池板发电时为锂电池充电，并通过电源转换模块为温度监测装置直接供电，当光伏电池板不工作时，由锂电池为温度监测装置供电。测控模块由主控芯片和三路红外温度传感器组成。红外传感器收集跌落保险的温度数据并传输至主控芯片，主控芯片对数据进行处理后将信息传输至ZigBee 通信模块。ZigBee 通信模块负责信息的接收与编码发送。

图2 温度监测装置硬件结构图Fig.2 Hardware structure diagram of temperature monitoring device

监控装置由中继网关与监控设备构成。中继网关用于接收温度数据并通过有线通信与上位机实现信息交互。上位机利用软件对信息进行加工处理，最终将杆塔跌落保险的实时温度、通信故障信息与温度故障报警信息呈现在监控界面。

2.2 软件部分

温度监测装置的主程序流程如图3所示。装置上电启动后首先进行主控芯片、红外传感器和ZigBee模块的初始化。ZigBee 模块判断是否接收到来自其他装置的信息，若有，则将信息传递至主控芯片。主控芯片在对数据进行处理后将待发送数据写入发送缓存区。ZigBee 模块将发送缓存区中的数据编码发送。数据发送完成后，主控芯片检查温度传感器是否能够正常工作，根据检查结果调用温度报警及故障处理子程序，温度报警及故障处理子程序将温度数据与报警信息处理后写入缓存区等待下一个循环发送。

图3 温度监测装置主程序流程Fig.3 Main program flow chart of temperature monitoring device

温度报警与故障处理子程序流程如图4所示，在接收温度数据之前，主控芯片判断红外传感器与温度监测装置间是否存在通信故障，通信故障采用延时报警方式，当通信故障计数器大于设定阈值时，主控芯片将故障信息写入发送缓存区；若通信没有异常，温度传感器将数据传输至主控芯片，主控芯片判断是否报警。温度报警同样采用延时报警的方式，当温度报警计数器大于设定阈值时，主控芯片发送故障报警信息并将信息写入发送缓存区，随下一循环发送至下级中继模块；若温度没有超出阈值，则通过ZigBee 模块以轮询的方式发送温度数据，将实时的温度数据更新至温度数据变量。

图4 温度报警及故障处理子程序流程Fig.4 Sub-program flow chart of temperature alarm and fault handling subroutine

监控主机的上位机软件设计包括中继网关与上位机的信息交互设计和显示界面的设计。软件界面的主要功能区主要包括菜单栏、报警显示区、设备状态显示区与设备数量信息显示区。软件可通过菜单栏查询设备信息、故障历史记录、设置参数配置，也可以实现故障报警音消音与复位等操作。

3 系统实物与实验分析

系统实物样机如图5所示，经现场测试相邻两个温度监测装置有效通信距离可达到设计要求，并利用ZigBee 成功实现了Mesh 组网，监控设备也能够实时显示安装在杆塔上的跌落保险温度数据。

图5 跌落保险温度监测系统实物图Fig.5 Physical drawing of temperature detection system for drop insurance

如图6所示，若监控设备图标显示为白色时，表明监控设备通信正常以及该处跌落保险温度正常；若监控设备图标显示为黄色时，表明出现故障；若监控设备图标显示为红色时，表明该处跌落保险温度异常。在正常的温度以及通信显示界面还可以读取环境参考点温度和测温点阵的温度，读取、设置温度报警阈值，以及该温度监测装置供电电池电压、网络地址等基本信息，如图中A 处所示；过温报警界面还可以显示测温点阵温度信息，如图中B 处所示；通信故障界面无温度以及基本信息，如图中C处所示。

图6 温度监测系统监控与设备温度信息显示界面Fig.6 Temperature monitoring system monitoring and equipment temperature information display interface

4 结语

本文结合了目前风电场跌落保险温度监测的现状，设计了基于ZigBee 无线通信的跌落保险温度监测系统，并完成了设计与测试。所做主要工作有：通过分析对比确定了ZigBee 无线通信，红外温度监测以及光—储联合供电的技术方案；对系统软硬件进行了设计；对样机进行了现场测试，各装置实现了自组网并成功在监控中心温度监控设备上显示跌落保险温度监测数据。本系统可以有效对风电场中的跌落保险温度进行在线实时监测，有利于减少工作人员劳动强度，提高跌落保险温度监测的效率，提升跌落保险检修工作智能信息化水平，进而实现风电场企业的健康发展。