智能變電站溫度監(jiān)測主站系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

劉 琦 ，程 春 ，吳 健 ，胡 炎 ，邰能靈 ，袁 成

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2.上海市電力公司超高壓輸變電公司，上海 200063）

0 引言

在電力系統(tǒng)中，電力設(shè)備的溫度變化是一個非常重要的指標(biāo)，它關(guān)系到電力設(shè)備能否安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。在變電站運(yùn)行過程中，一次設(shè)備的電接點(diǎn)由于設(shè)備制造、觸電氧化、電弧沖擊等原因，會導(dǎo)致電接點(diǎn)的接觸電阻增大，使其溫度上升。當(dāng)溫度上升到一定程度后，設(shè)備的機(jī)械強(qiáng)度和電氣強(qiáng)度將會出現(xiàn)下降，嚴(yán)重時會導(dǎo)致電氣設(shè)備的短路，甚至造成設(shè)備的損毀，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。對電氣設(shè)備的溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，可以幫助值班人員盡早發(fā)現(xiàn)問題，消除隱患，確保電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

傳統(tǒng)的變電站溫度監(jiān)測技術(shù)有紅外測溫法[3]和蠟片法[4]，這些方法都需要人工參與進(jìn)行設(shè)備的檢測，容易出現(xiàn)錯報、漏報，無法進(jìn)行長時間測量，監(jiān)測的準(zhǔn)確度和實(shí)時性較差。無線測溫方式是利用無線網(wǎng)絡(luò)，如ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)[5-6]，將傳感器測量到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)接受主機(jī)上，實(shí)現(xiàn)溫度的測量。無線傳感器體積小，可以方便地安裝在變電站設(shè)備的表面，尤其是設(shè)備上容易發(fā)熱出現(xiàn)故障的地方。因此無線傳感器能較準(zhǔn)確地反映設(shè)備運(yùn)行時的溫度信息，并使測量到的溫度數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的實(shí)時性。通過觀察監(jiān)控機(jī)的監(jiān)測頁面，變電站運(yùn)行人員能夠及時全面的了解變電站內(nèi)設(shè)備的實(shí)時溫度信息。

本文以某220 kV無人值守變電站為原型，提出了一種無人值守變電站無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案，能夠全自動地實(shí)現(xiàn)變電站運(yùn)行設(shè)備的實(shí)時溫度監(jiān)測與實(shí)時溫度告警功能。

1 變電站溫度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

變電站溫度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)系統(tǒng)中各功能模塊的作用，將整個系統(tǒng)劃分為無線測溫模塊和在線監(jiān)測模塊。

圖1 變電站溫度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 System structure of temperature monitor system for substation

1）無線測溫模塊

無線測溫模塊包含測溫網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)采集與存儲的實(shí)現(xiàn)。測溫網(wǎng)絡(luò)的無線網(wǎng)絡(luò)基于ZigBee通訊協(xié)議，通過RS485總線將數(shù)據(jù)傳輸至控制室主機(jī)。數(shù)據(jù)存儲與采集部分說明了設(shè)備溫度信息存儲模型的設(shè)計。

2）在線監(jiān)測模塊

在線監(jiān)測模塊基于B/S（Browser/Server）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計[7]，能夠有效簡化在線監(jiān)測客戶端的接入。在線監(jiān)測功能通過基于SVG的實(shí)時監(jiān)測圖實(shí)現(xiàn)。

2 無線測溫模塊的設(shè)計

2.1 無線協(xié)議

無線傳輸協(xié)議有很不同的種類。在各類應(yīng)用中，無線傳輸協(xié)議以藍(lán)牙與ZigBee協(xié)議為典型代表，表1給出了藍(lán)牙與ZigBee協(xié)議之間的比較。

表1 藍(lán)牙與ZigBee協(xié)議比較Table 1 Comparison between Bluetooth and ZigBee

在變電站中，測溫傳感器的安裝數(shù)量是不容忽視的問題。本系統(tǒng)雖僅涉及母聯(lián)支路與1條主變支路，但仍需安裝44個測溫傳感器，如果監(jiān)視全部2條主變支路、2條負(fù)載支路與母聯(lián)支路，則至少需要安裝100個測溫傳感器，如果再考慮支路末端的分段與其他輔助電氣設(shè)備，測溫傳感器的數(shù)量將進(jìn)一步提升。從這個角度出發(fā)，使用ZigBee協(xié)議能夠有效降低測溫模塊的系統(tǒng)成本。

在無線測溫模塊中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以控制信息、文本數(shù)據(jù)信息為主體，對通訊速率要求不高，和藍(lán)牙傳輸相比，ZigBee雖然速率較低，但能夠很好地滿足該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求。

同時 ZigBee擁有更好的抗干擾特性并能夠支持AES加密技術(shù)，保證傳輸數(shù)據(jù)的安全。綜合以上考慮，ZigBee協(xié)議在該溫度監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建中具有更好的經(jīng)濟(jì)性和適用性。

2.2 測溫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無線測溫模塊使用RS485總線來完善無線測溫網(wǎng)絡(luò)中的不足。表2給出了RS485與ZigBee無線協(xié)議的特點(diǎn)。

表2 RS485與ZigBee協(xié)議比較Table 2 Comparison between RS485 and ZigBee

無線通信具有信號隨距離衰減的特性，當(dāng)進(jìn)行長距離通信時，需要設(shè)立無線中繼裝置，保證無線信號的有效覆蓋。在較大規(guī)模的變電站中，被監(jiān)測設(shè)備分布較廣，如要保證所有設(shè)備的正常監(jiān)測，將需要大量的無線中繼裝置來保證無線信號的有效覆蓋，無形中增加了系統(tǒng)成本。當(dāng)出現(xiàn)穿墻的無線傳輸情形時，將需要更多的無線中繼節(jié)點(diǎn)。為此考慮加入有線網(wǎng)絡(luò)來解決這一問題，在圖1中，即在變電站測溫區(qū)域與控制室主機(jī)之間使用RS485總線。

在每個ZigBee無線測溫網(wǎng)絡(luò)中，使用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，便于網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控與管理。如果設(shè)備數(shù)量種類較多時，可以增設(shè)中間路由節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)展成簇狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。并根?jù)一定的方式將溫度傳感器進(jìn)行分組，如按照設(shè)備類型分組等，能進(jìn)一步加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)中傳感器的識別與管理，從而能使上述無線測溫網(wǎng)絡(luò)適用于不同規(guī)模的測溫區(qū)域。

當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時，路由節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)，如終端的溫度傳感器節(jié)點(diǎn)，雖然能夠正常采集數(shù)據(jù)，但是無法將數(shù)據(jù)傳遞給網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)集中器。此時可以借助ZigBee的自組網(wǎng)特性，將這些子節(jié)點(diǎn)連接到附近其他正常工作的路由節(jié)點(diǎn)，通過新的路由節(jié)點(diǎn)將測量到的設(shè)備溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器中，保證溫度數(shù)據(jù)的連貫性。

2.3 數(shù)據(jù)模型設(shè)計

對于同一個電氣設(shè)備，可能存在多個溫度監(jiān)測點(diǎn)，在進(jìn)行傳感器ID與設(shè)備ID關(guān)聯(lián)時，采用了面向?qū)ο蟮姆绞竭M(jìn)行關(guān)聯(lián)，把被監(jiān)測設(shè)備作為一個對象來看待。以隔離開關(guān)為例，由于隔離開關(guān)具有兩個動觸點(diǎn)，因此安裝有2個溫度傳感器分別進(jìn)行監(jiān)測，但這兩個傳感器對應(yīng)同一個設(shè)備，如果進(jìn)行一一對應(yīng)，那么在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲的時候會出現(xiàn)數(shù)據(jù)覆蓋與丟失，而一對多的結(jié)構(gòu)卻違背數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)原則。因此按照傳感器的安裝位點(diǎn)，將被監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行拆分，分解成多個設(shè)備對象，作為程序處理與數(shù)據(jù)存儲的實(shí)體，并根據(jù)設(shè)備是否具有 ABC三相來進(jìn)行不同設(shè)備類型的劃分。

圖2為220 kV副母刀閘的模型結(jié)構(gòu)，該刀閘母線側(cè)與開關(guān)側(cè)的兩個動觸點(diǎn)附近分別裝有無線溫度傳感器?？梢韵葘⒃撛O(shè)備分解為“220 kV副母刀閘母線側(cè)”與“220 kV副母刀閘開關(guān)側(cè)”兩個設(shè)備對象。再將每個設(shè)備對象對應(yīng)的三相傳感器，設(shè)定為設(shè)備實(shí)體屬性。通過以上兩層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)同一設(shè)備與多個溫度傳感器的對應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備模型的通用化。

圖2 物理設(shè)備的分解Fig. 2 Decomposition of the physical device

3 在線監(jiān)測平臺設(shè)計

3.1 監(jiān)測平臺結(jié)構(gòu)

在線監(jiān)測平臺采用B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)。B/S結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的C/S（Client/Server）結(jié)構(gòu)相比具有以下優(yōu)勢。

客戶端的簡化與接入：客戶端計算機(jī)只需通過瀏覽器即可訪問監(jiān)測系統(tǒng)，無需安裝客戶端系統(tǒng)。因此任何接入服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)的電腦都能訪問監(jiān)測平臺，避免當(dāng)指定客戶端出現(xiàn)不可抗力的故障時，不能進(jìn)行在線監(jiān)測的問題。同時，監(jiān)測平臺中使用的用戶管理系統(tǒng)，避免了非授權(quán)人員對系統(tǒng)的訪問，并允許按權(quán)限訪問系統(tǒng)功能。

多服務(wù)器部署與網(wǎng)絡(luò)接入：在線監(jiān)測平臺能夠同時部署在兩臺或多臺服務(wù)器上，供不同的用戶進(jìn)行訪問。其中不同的服務(wù)器還可以接入不同的網(wǎng)絡(luò)，能夠讓多個獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)用戶的訪問同一資源。

3.2 實(shí)時監(jiān)測圖原理

實(shí)時監(jiān)測功能基于 SVG（Scalable Vector Graphics）圖形格式的圖片來設(shè)計。SVG即可縮放矢量圖形，是基于可擴(kuò)展標(biāo)記語言（XML），具有強(qiáng)動態(tài)交互性的圖形格式[8-9]，并且是IEC61970中圖形交換的標(biāo)準(zhǔn)。在線監(jiān)測平臺的實(shí)時監(jiān)測圖是一張基于變電站一次接線圖繪制的SVG圖片。

實(shí)時監(jiān)測圖的溫度數(shù)據(jù)顯示需要后臺數(shù)據(jù)服務(wù)的支持，圖3給出了實(shí)時監(jiān)測圖的通信結(jié)構(gòu)。

圖3 實(shí)時監(jiān)測圖通信結(jié)構(gòu)Fig. 3 Communication structure of real-time monitoring diagram

由圖3可知，SVG顯示的溫度數(shù)據(jù)全部來源于數(shù)據(jù)庫，WEB平臺承擔(dān)著數(shù)據(jù)查詢與讀取的功能。但數(shù)據(jù)庫和SVG兩個模塊相對獨(dú)立，當(dāng)數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫向SVG界面進(jìn)行傳輸時，需要將傳感器ID和溫度信息進(jìn)行一一對應(yīng)，即每一條“ID-溫度”信息都需要在 SVG模型中查詢到對應(yīng) ID再進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。為了提高SVG的數(shù)據(jù)更新效率，可以在WEB平臺的數(shù)據(jù)讀取過程中，對讀取的數(shù)據(jù)按照 SVG需求進(jìn)行排序。

排序信息以XML配置文件的形式進(jìn)行描述，圖4為XML文件示意圖。圖中Temperature節(jié)點(diǎn)下的equipLabel子節(jié)點(diǎn)分別與SVG中的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的排序。

經(jīng)過排序之后的數(shù)據(jù)信息，不需要再按照 ID在SVG模型中進(jìn)行查詢對應(yīng)，可以將純數(shù)據(jù)信息一次性直接存儲在SVG模型中。當(dāng)增加監(jiān)測設(shè)備的數(shù)量時，只需要在 Temperature節(jié)點(diǎn)下新增一個equipLabel節(jié)點(diǎn)，并在SVG圖形上增加對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)新增數(shù)據(jù)的監(jiān)測。

SVG所需數(shù)據(jù)信息通過XML配置文件進(jìn)行描述，與監(jiān)測平臺和數(shù)據(jù)庫模型無關(guān)，便于系統(tǒng)的移植與擴(kuò)展。移植時，SVG圖可以由變電站一次接線圖得到，因此只需要修改上述排序配置文件，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的移植，使系統(tǒng)具有較好的通用性。

圖4 SVG的排序結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Structure of reordering in XML file for SVG

3.3 實(shí)時監(jiān)測圖數(shù)據(jù)表現(xiàn)

實(shí)時監(jiān)測圖的數(shù)據(jù)表現(xiàn)直接影響監(jiān)測效果的直觀性與準(zhǔn)確性。圖5為實(shí)時監(jiān)測圖的初期效果（圖中的數(shù)據(jù)為測試數(shù)據(jù)，并非現(xiàn)場數(shù)據(jù)）。

圖5實(shí)時監(jiān)測圖數(shù)據(jù)表現(xiàn)初期效果Fig. 5 The earlier version of the example of data lay-out in real-time monitor diagram

圖5 中，灰色方塊表示無線測溫傳感器，傳感器附近文字標(biāo)注了對應(yīng)傳感器的安裝位置，帶顏色的數(shù)據(jù)表示設(shè)備溫度信息。當(dāng)設(shè)備溫度處于正常范圍時，用綠色表示溫度正常；當(dāng)溫度超過預(yù)警閾值而低于告警閾值時，用紫色表示溫度預(yù)警；當(dāng)溫度超過告警溫度閾值時，用紅色表示溫度告警。

考慮到實(shí)時監(jiān)測圖的傳輸數(shù)據(jù)量，只傳輸一組處理后的數(shù)據(jù)，即三相平均值或三相最大值，進(jìn)行溫度的顯示與監(jiān)測。這一設(shè)計雖然傳輸數(shù)據(jù)量變少，但是存在信息不完整的問題。

使用平均值顯示時，當(dāng)某一相溫度過高，如A相，而另外兩相溫度正常時，由于加權(quán)平均的效果，會讓顯示的平均溫度處在溫度告警的區(qū)間之外，但實(shí)際上A相溫度可能達(dá)到了告警溫度，而監(jiān)測系統(tǒng)卻不能正確給出告警。使用最大值時，能夠讓變電站監(jiān)測人員準(zhǔn)確了解設(shè)備的預(yù)警和告警信息，但是這種顯示方式無法體現(xiàn)各個相序的溫度數(shù)據(jù)，必須再借助其他方式進(jìn)行查詢。同時，當(dāng)有兩相或三相溫度同時出現(xiàn)異常時，監(jiān)測畫面只能顯示故障最嚴(yán)重的一相，故障信息出現(xiàn)嚴(yán)重缺失。上述方式都大大降低了實(shí)時監(jiān)測圖的功能效果。

圖6為完整信息的實(shí)時監(jiān)測圖數(shù)據(jù)表現(xiàn)（圖中的數(shù)據(jù)為測試數(shù)據(jù)，并非現(xiàn)場數(shù)據(jù)），監(jiān)測圖同時顯示了三相的溫度數(shù)據(jù)。為了區(qū)分相位，通過在溫度數(shù)據(jù)之后添加一個大寫字母來表示對應(yīng)的相位。如：數(shù)據(jù)“8.58A”表示2號主變35 kV套管側(cè)A相溫度為8.58 ℃。這種監(jiān)測數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式能夠更全面更直觀的給出整個系統(tǒng)的溫度、告警信息，大大提高了監(jiān)測圖的展示效果，具有更好的應(yīng)用價值。

圖6 實(shí)時監(jiān)測圖數(shù)據(jù)表現(xiàn)示例Fig. 6 Example of data lay out in real-time monitor diagram

4 溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 傳感器的安裝

在安裝傳感器時，應(yīng)該以少精準(zhǔn)的原則確定安裝點(diǎn)和安裝數(shù)量。因此傳感器的安裝數(shù)量與測量的準(zhǔn)確性決定了監(jiān)測系統(tǒng)的效率與可靠性。變電站中隔離開關(guān)的觸點(diǎn)，電容器與避雷器的接入點(diǎn)都是容易發(fā)熱出現(xiàn)故障的地方；主變與母線長期負(fù)載運(yùn)行，其套管與接觸點(diǎn)易老化發(fā)熱，而這些設(shè)備都是變電站的關(guān)鍵設(shè)備，都需要進(jìn)行溫度監(jiān)測。

青香變電站在220 kV母聯(lián)支路正母與副母的隔離刀閘兩側(cè)、主變支路的正母隔離刀閘兩側(cè)、主變220 kV與35 kV套管側(cè)、220 kV母線壓變避雷器接線處、主變35 kV的III段與IV段負(fù)載端等地方的 ABC三相均安裝了無線溫度傳感器。同時在上述設(shè)備所在區(qū)域中安裝了溫度傳感器，對環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備的全面溫度監(jiān)測。

4.2 數(shù)據(jù)采集與存儲

青香220 kV無人值守變電站中，2號主變處于變電站室內(nèi)，與其他室外設(shè)備相距較遠(yuǎn)且環(huán)境隔離明顯，因此根據(jù) 2號主變的環(huán)境特點(diǎn)，劃分出“2號主變室內(nèi)區(qū)域”監(jiān)測相關(guān)區(qū)域內(nèi)的室內(nèi)設(shè)備。而室外設(shè)備，諸如避雷器、隔離開關(guān)等需監(jiān)測設(shè)備在地理上分布集中，因此根據(jù)集中型功能性區(qū)域劃分的方式，劃分為“220 kV母聯(lián)支路區(qū)域”與“2號主變室外區(qū)域”。

每個區(qū)域單獨(dú)設(shè)置一個數(shù)據(jù)集中器，構(gòu)成星型無線網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)集中器負(fù)責(zé)收集該區(qū)域內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)，并通過RS485總線將數(shù)據(jù)以報文的形式傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)存儲服務(wù)接收到數(shù)據(jù)報文后，將溫度數(shù)據(jù)存儲至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。

在線監(jiān)測平臺部署在青香220 kV無人值守變電站主控室的服務(wù)器上，變電站值班人員在集控中心的電腦上通過 IE瀏覽器直接登陸變電站機(jī)房部署的在線監(jiān)測平臺，實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備溫度的實(shí)時監(jiān)測。

4.3 實(shí)時監(jiān)測圖的演示

圖7為在線監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)測圖中監(jiān)測部分截圖。其中虛線區(qū)域?yàn)榘惭b有溫度傳感器的設(shè)備區(qū)域，實(shí)線區(qū)域表示2號主變室內(nèi)環(huán)境；傳感器的安裝點(diǎn)在圖中使用灰色方塊表示，并在旁邊輔助有文字說明，能夠讓值班人員準(zhǔn)確知道傳感器的測溫位置。

圖7 系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測圖Fig. 7 Overview of real-time monitoring diagram

圖中顯示的數(shù)據(jù)均為對應(yīng)設(shè)備的實(shí)時溫度值，大部分?jǐn)?shù)據(jù)均為正常水平，溫度數(shù)據(jù)均為綠色。其中“35 kV套管側(cè)溫度”明顯高于其他設(shè)備的溫度與環(huán)境溫度，達(dá)到了43.4 ℃左右，滿足了溫度預(yù)警的條件，因此溫度數(shù)據(jù)變成了紫色，區(qū)別正常工作時的顏色效果。如果溫度繼續(xù)升高，溫度數(shù)據(jù)將變成紅色，并進(jìn)行溫度告警。

2號主變當(dāng)前處于工作狀態(tài)，并向35 kV的III段與IV段負(fù)載進(jìn)行供電，所有負(fù)載電流全部經(jīng)過2號主變，因此在2號主變的低壓側(cè)出現(xiàn)了較大的負(fù)載電流，根據(jù) Q=I2R，因此低壓側(cè)的套管部分發(fā)熱量較大，使設(shè)備溫度相對較高，因此產(chǎn)生了上述的溫度預(yù)警。此溫度預(yù)警能夠有效提示變電站的值班人員來密切監(jiān)視該設(shè)備的運(yùn)行情況，避免事故的發(fā)生。

5 結(jié)語

變電站無線測溫系統(tǒng)在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效的提高變電站的智能化水平，減少了人工參與所造成的誤判，并且使得監(jiān)測系統(tǒng)具有很好的實(shí)時性。

本文提出了一種變電站無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案。系統(tǒng)使用ZigBee協(xié)議，有效降低了系統(tǒng)的構(gòu)建成本。該無線網(wǎng)絡(luò)對變電站測溫區(qū)域規(guī)模具有較好的適應(yīng)性，數(shù)據(jù)平臺可擴(kuò)展性與通用性強(qiáng)。該系統(tǒng)已在某無人值守變電站試運(yùn)行，效果良好。

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