浅谈基于无源测温的变电设备温度在线智能监测预警技术研究

孟洋
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：针对目前变电设备运行温度在采集传感器的供能、数据传输和远程监控功能不足问题，本文开发出一种基于无线无源测温传感器的变电设备温度在线智能监测预警系统，主要解决高电压、强电场干扰环境下对变电运行设备温度实时准确采集和数据可靠传输问题，同时实现对变电站各类运行设备温度的统一集中监测、趋势分析、异常预警及联动保护装置跳闸保护等功能，有力提高运维人员对设备隐患的预控能力，有效防止温度异常造成的事故，确保电网及设备运行。

关键词：无源温度传感器在线监测异常预警

0 引言
  变电站母线、电缆、断路器、互感器等运行设备由于长期工作在高电压、大电流环境条件下，对各设备温度的监测维护是保证电网可靠工作的环节。尤其是高压开关柜、组合电器等封闭式运行设备，自身散热条件较差，而且依靠人工定期测温的方法很难完成对柜内设备温度的直接测量和在线监测。由于缺乏行之有效的设备温度在线监测预警系统，近年来关于变电站内设备运行温度过高造成的火灾事故时有报道，严重影响电网供电可靠性，同时也给电力企业造成了较大的经济损失甚至是人身伤亡。
  因此，采用合理有效且数据可靠的温度检测技术对互感器、母线、电缆及动作开关触头等易发热部位进行温度实时在线监控，及时发现设备运行温度异常隐患并实现异常告警，对于保证变电站设备可靠运行具有十分重要的意义。

1 温度测量技术发展现状
1.1 传统接触式测温技术
  传统接触式测温方法主要以热电偶测温和热电阻测温为代表。热电偶是基于赛贝克效应采集导体回路热电流信号实现温度测量的。热电阻测温是基于热敏电阻特性实现对物体温度的测量。接触式测温的优点是测量精度高、范围大，但对环境变化也比较敏感，通常需增加补偿装置，且要与被测对象直接接触。在变电站内对高压设备进行温度接触式测量，一方面是操作不便，隐患大；另一方面是需要金属导线传输信号，绝缘性能不能保证。

1.2 非接触式测温技术
  非接触式测温技术典型的应用是基于物体辐射的红外线测温方法、以及基于温度变化对光栅波长变化的光纤光栅测温方法。
红外测温传感器（也称红外探头）是市面上应用较普遍的一类非接触式测温装置，测温速度快、灵敏度高，但由于对设备自身材质和测温环境及距离等有较高要求，因此通常只用来测量物体表面温度，对金属类物体测温误差较大，无法实时测量，不具有监测功能。
  光纤测温传感器依靠其灵敏度高、抗干扰性强、体积小等特点，目前主要应用于测量领域。但其系统整体造价成本较高，安装布线较复杂且一定要停电操作，光纤易折、不耐高温，在应用上具有一定局限性。
  此外，无线测温技术是近年来新型的一种集成测温传感器和无线通信技术的测温方法。主要是利用有源温度传感器进行温度测量，然后通过传感器集成的无线发射模块实现数据传输，初步具备了温度在线监测的基础。传感器取电方式普遍采用有源方式，即通过锂电池取电，存在电池电量状态无法监控和盲目更换等问题。因此，测温装置可靠供电是目前在线测温系统亟待解决的问题之一。
  本文在充分研究总结上述各类测温手段优劣特性的基础上，综合考虑测温装置的可靠性和经济性，研制一种新型的无线无源测温传感器，其技术突破在于装置的供能单元采用“无源"供电模式，并基于此开发一套变电设备温度在线智能监测预警系统。

2 变电设备温度在线智能监测预警系统设计
  本文设计开发的变电设备温度在线智能监测预警系统，融合数据采集处理技术、无线通信传输技术，对高压强电磁干扰环境下变设备实现运行温度实时准确监测。同时实现对变电站各类运行设备温度的统一监测和趋势分析、异常预警及联动跳闸保护等功能，方便运维管理人员及时有效的处理设备事故隐患。
  变电设备温度在线智能监测预警系统主要由无线无源温度传感器，无线测温终端，后台监控主机等三部分组成。

2.1 无线温度传感器
  无线无源温度传感器主要由温度采集模块和无线通信模块构成。为保证数据传输连续可靠，采用抗干扰性能强的无线通信模块。其中，序号1是取电合金片：用于感应取电；序号2是模块主体：实现数据采集发送；序号3是温度传感器探头，能以磁吸附或卡扣方式固定于测温点。

2.2 无线测温终端
  无线测温终端主要实现传感器数据的收集，并能通过GPRS网络自动上传到后台监控主机，也可以按照主机的召唤指令上传监测点温度数据。终端结构设计简单，体积小，可以方便地安装在开关柜、PT柜、配电箱或分支箱内。

2.3 后台监控主机
  后台监控主机主要由通信单元、智能控制单元、显示单元等组成。
无线测温终端可以把温度数据通过GPRS模块发送到通讯单元接收模块上，通信接收模块可接收5万个测温终端发送的数据，并通过串口线将数据发给智能控制单元；控制单元实现温度信息数据比对、趋势分析、异常报警、联动线路跳闸、查询、召唤及记录等；显示单元进行数据显示，也可以通过曲线和表格的形式直观显示。

2.4 功能特点
（1）温度超限预警：设定设备运行温度限值，通过数据比对实现温度超限的预警。
（2）趋势分析预警：当温度变化率较快，超出设定值后进行预警。
（3）主动上报和主站召唤：可设定按照固定周期（如1min或5min一次）主动上传温度数据，也可以在后台主机召唤时即时上传监测点温度数据。
（4）故障跳闸保护：设备温度异常报警后可联动继电保护装置实现跳闸保护。
（5）异常自动记录及统计功能：实现变电设备异常数据自动记录、统计，便于后期分析和有针对性制定监控和预防措施。

3 安科瑞无线测温系统介绍与选型
  安科瑞无线测温监控系统是根据当前无线测温系统的要求，在广泛征求用户和家意见的基础上,充分吸收当前国内外厂家的成功案例，并结合安科瑞多年来的丰富经验，采用面向对象的分层分布式设计思想，结合自动化技术、计算机技术、网络技术、通信技术而设计的一款专业的无线测温软件。
 

3.1 Acrel-2000T无线测温系统结构
  Acrel-2000T无线测温监控系统通过RS485总线或以太网与间隔层的设备直接进行通信（如图1），系统设计遵循国际标准Modbus-RTU, Modbus TCP等传输规约，可靠性和开放性都得到了很大地提高。
  Acrel-2000T无线测温监控系统具有遥信、遥测、遥控、遥调、遥设、事件报警、曲线、棒图、报表和用户管理功能。可以监控无线测温系统的设备运行状况，实现快速报警响应，预防严重故障发生。
  Acrel-2000T无线测温监控系统主要特点是开放式系统结构，硬件兼容性强，软件移植性好，应用功能丰富。该系统具有强大的处理能力，快速的事件响应，友好的人机界面，方便的扩充手段。其软件系统的设计依据软件工程的设计规范,模块划分合理，接口简捷明了，主要包括主控模块、人机界面、图形组态、数据库管理系统、通信管理等几大模块。

图1 Acrel-2000T无线测温系统结构图

3.2 Acrel-2000T无线测温系统功能
■实时监测
Acrel-2000T无线测温监控软件人机界面友好，能够以配电一次图的形式直观显示各测温节点的温度数据及有关故障、告警等信息
■温度查询
温度历史曲线（1分钟、5分钟、60分钟可选）
■运行报表
查询各回路设备运行溫度报表.
■实时报警
壁挂式无线测温监控设备具有实时报警功能，设备能够对温度越限等事件发出告警。
■设备提供以下凡种告警方式：
a.弹岀事件报驚窗口.
b.实时语音报警功能，能够对所有事件发出语音告警.
C.短信吿警，可以向手机发送吿警信息短信.
■历史告警査询
Acrel-2000T无线测温监控系统能够对所有吿警事件记录进行存储和管理，方便用户对系统和告警等事件进行历史追溯，查询统计、事故分析。
■用户权限管理
Acrel-2000T无线测温监控系统为保障系统稳定运行，设置了用户权限管理功能。
通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如数据库修改等）。可以定义不同级别用户的 登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的保障。
■定值设置
用于修改高温定值、超温定值。
■WEB（可选）
展示页面显示变电站数量、变压器数量、监测点位数量等概况信息， 设备温度、通信状态，用电分析和事件记录。首页显示场站的变压器数量、回路个数、有功功率、无功功率、用电量、事件记录等概况信息，可通过实时监控、变压器、通信模块切换到需要查看的界面。
实时数据曲线可监测各个回路的测点温度、电压、电流、功率曲线信息。
接线图页面通过一次图实时反映电气参数变化，包括测量量、信号量等信息（信号量 需要断路器提供辅助触点支持）。
能耗统计页面显示各回路的功率峰值和用电量峰值，功率、电能趋势曲线，电能环比，用电排名。
运维管理\通信状态显示监测接入系统设备的通信状态。
■手机APP（可选）
设备数据员面显示各设备的电參量数据、温度数据以及曲线。

3.3 安科瑞ARTM系列无线测温终端产品选型
  安科瑞电气接点无线测温方案由无线温度传感器、收发器、显示单元组成。温度传感器直接安装于断路器动触头、静触头、电缆接头、母排等发热接点，将测温数据通过无线射频技术传至接收装置，再由接收器485通讯至测温终端或无线测温系统（如图2）。

图2 电气接点在线测温结构图

3.3.1 安科瑞无线温度传感器
  无线温度传感器共有5种，分别对应螺栓固定、表带固定、扎带捆绑、合金片固定等安装方式。针对不同的变电站要求，可根据传感器供电方式以及安装位置的不同，考虑安装方便的因素，选择相匹配的传感器。

3.3.2 安科瑞无线收发器
  无线测温收发器共有3种，通过无线射频方式接收温度数据。收发器根据不同的传感器型号进行匹配，同时传感器的传输距离决定接收装置能否多柜接收。

3.3.3 安科瑞显示终端
  显示装置通过RS485连接收发器，可嵌入式安装于柜体上，若柜体开孔不便，也可选择壁挂式安装于配电室内。方便操作人员现场及时查看电气节点实时温度的同时，也可以通过RS485或以太网通讯的方式在后台系统查看现场情况。

4结语
  本文研究开发的基于无源测温的变电设备温度在线智能监测预警系统已经在试点变电站进行安装应用。截至目前，测温装置在取电、测温、数据传输等方面指标均符合预期目标，具备大范围推广应用基础。温度在线智能监测预警系统实现了变电运行设备温度的在线监测和异常预警功能，大幅减少现场测温频次和工作强度，温度测量更加及时准确，在提高设备运行效率和减少监控系统重复投资方面，能够降低运维及建设成本，带来巨大的经济效益，同时也为智能电网传感器系统的精细规划和布局提供数据参考和实践依据。

【参考文献】
[1]李琮,孙英涛.高压开关柜温度在线监测技术研究[J].山东电力技术,2017(9):77-80.
[2]高乐天,张朝峰,张红哲,张军龙,李蒙慧.基于无源测温的变电设备温度在线智能监测预警技术研究.
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版.