基于翅片散熱和ZigBee的開關(guān)柜觸頭溫度測控系統(tǒng)

段建東，葉 兵，張青山，樊 華

（西安理工大學(xué) 電氣工程系，陜西 西安 710048）

0 引言

在電力系統(tǒng)運行中，電力設(shè)備的溫度是非常重要的指標(biāo)，它關(guān)系到電力設(shè)備能否安全穩(wěn)定運行[1-2]。開關(guān)柜作為電力系統(tǒng)重要的設(shè)備之一，其內(nèi)部觸頭由于設(shè)備制造、觸頭氧化、電弧沖擊等原因，造成電接觸點的接觸電阻增大，導(dǎo)致溫度上升。如果接頭溫度過高，其會發(fā)生嚴(yán)重氧化，導(dǎo)致設(shè)備壽命驟減[1]，甚至是設(shè)備損毀或爆炸，造成大規(guī)模停電事故，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。光電互感器應(yīng)用越來越廣泛，對于開關(guān)柜內(nèi)的環(huán)境溫、濕度要求更高[2]。對電氣設(shè)備的溫度進行實時監(jiān)測，可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)安全運行；使用散熱系統(tǒng)可減少嚴(yán)重事故的發(fā)生。

據(jù)調(diào)研可知，現(xiàn)場應(yīng)用的開關(guān)柜中，有部分非真空開關(guān)柜上裝有風(fēng)扇進行散熱。一般情況下，柜內(nèi)觸頭發(fā)熱產(chǎn)生的熱量使柜內(nèi)溫度比環(huán)境溫度高20℃以上，如果采用風(fēng)扇直接交換降溫法，從柜頂散熱窗將柜內(nèi)熱風(fēng)與柜外空氣進行交換降溫，雖然可以使柜內(nèi)溫度降低5℃左右，但是柜內(nèi)溫度通常還是超過設(shè)備正常工作的環(huán)境溫度范圍。由此可見，采用風(fēng)扇直接換氣降溫法效果不佳，影響設(shè)備正常的安全穩(wěn)定運行。且目前很多開關(guān)柜都是SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)柜，而風(fēng)扇散熱不能用于真空或SF6開關(guān)柜。綜上所述，必須選用經(jīng)濟可行的散熱方案。

另一方面，開關(guān)柜測溫和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)也十分重要。目前現(xiàn)場的開關(guān)柜中電力設(shè)備測溫的主要手段為人工測溫[1]。人工測溫主要是人工操作手持式設(shè)備進行設(shè)備的溫度監(jiān)測，容易出現(xiàn)漏報、誤報，監(jiān)測的準(zhǔn)確度會因不同的人員操作而不同，且無法進行長時間測量，實時性也較差[1-3]。也有少數(shù)場合使用接觸式傳感器（ds18b20、鉑電阻等）采集溫度，然后通過有線通信方式傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，但是測溫系統(tǒng)出現(xiàn)故障時需要停電檢修，會降低系統(tǒng)的供電可靠性[4]，所以可選擇具有絕緣能力的測溫傳感器。溫度采集系統(tǒng)的通信十分重要，手持式測溫設(shè)備數(shù)字化通信系統(tǒng)、自動測溫系統(tǒng)如果采用有線通信的方式，可能造成開關(guān)柜內(nèi)布線冗余；另外，如果通信線的表面感染污穢，可能會縮短爬電距離，影響電力設(shè)備的絕緣距離和運行安全，故可采用無線通信。

本文研究了一種新的基于翅片散熱和ZigBee的開關(guān)柜觸頭在線溫度測控系統(tǒng)，可以對開關(guān)柜中的易發(fā)熱觸頭進行在線測溫，溫度過高時采用翅片散熱的方式進行降溫；所有溫度數(shù)據(jù)通過通信系統(tǒng)傳輸?shù)奖O(jiān)控主機上，采用上位機軟件進行相關(guān)處理，并將預(yù)警信息以短信形式發(fā)送，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫共享和網(wǎng)絡(luò)接入功能。最后進行了整個測控系統(tǒng)的硬軟件開發(fā)和實驗測試。

1 利用層次分析法的溫度控制方案

1.1 開關(guān)柜降溫方案的對比分析

針對高壓開關(guān)柜，目前有3種降溫方案。

方案1：加裝隔熱柜，即對端子柜加裝隔熱柜，柜壁黏貼隔熱膜，以隔離外界太陽光直射及其他熱源。

方案2：加裝空調(diào)，即對端子箱柜壁加裝空調(diào)。

方案3：加裝熱交換器，即在開關(guān)柜后面板上加裝翅片熱板隔離式熱交換器。

3種方案的對比如表1所示。由表中數(shù)據(jù)進行初步分析可知，加裝熱交換器的方案性價比更高。

1.2 開關(guān)柜最優(yōu)降溫方案的層次分析

為更加客觀地找到3種方案中的最優(yōu)方案，引入層次分析法 AHP（Analytic Hierarchy Process）[5]選擇方案，該方法是一種定性與定量分析結(jié)合的方法，可以分為4個步驟：將復(fù)雜的問題層次化，形成目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層；采用“1～9標(biāo)度法”形成判斷矩陣；檢驗判斷矩陣的一致性；通過逐層計算，得到方案層對目標(biāo)層的權(quán)重，權(quán)重最大的方案即為最優(yōu)方案。

表1 3種方法的散熱效果對比Tab.1 Comparison of heat dissipation effect among three schemes

針對開關(guān)柜降溫方案，AHP的具體步驟如下。

a.建立如圖1所示的層次模型。

圖1 層次分析結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of AHP

b.構(gòu)造判斷矩陣A，進行單層排序及一致性檢驗。 判斷矩陣 A= （aij）n×n（i，j=1，2，…，6）應(yīng)為正互反矩陣，即滿足條件 aij＞0 且 aij=1 /aji，其中，aij為指標(biāo)i對指標(biāo)j的相對重要性指數(shù)，取值由表2確定。

表2 判斷矩陣標(biāo)度及其含義Tab.2 Scales of judgment matrix and corresponding meanings

根據(jù)現(xiàn)場運行的情況進行試驗，結(jié)合專家打分，整理運行資料后得到判斷矩陣為：

計算判斷矩陣A的最大特征根λmax=6.352 1，求出對應(yīng)的特征向量并標(biāo)準(zhǔn)化后得出權(quán)值為：

其中，αj為準(zhǔn)則層第j個元素Cj對目標(biāo)層的權(quán)值。

取一致性指標(biāo)：

其中，n為A的階數(shù)。

令隨機一致性比率CR=CI/RI（RI為平均隨機一致性指標(biāo)），n=6 時取 RI=1.24，得 CR=0.0568＜0.1，故認(rèn)為判斷矩陣A具有一致性。

c.層次總排序與一致性檢驗。與步驟b同理，可求出準(zhǔn)則層對各個方案的標(biāo)度矩陣為：

對標(biāo)度矩陣進行標(biāo)準(zhǔn)化得到標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重向量，結(jié)果如表 3 所示。 表中，wij（i=1，2，3；j=1，2，…，6）為方案i對準(zhǔn)則層第j個元素Cj的優(yōu)越性的比較尺度。

表3 矩陣權(quán)重Tab.3 Weight of matrix

d.方案權(quán)重計算。 方案層中 Bi（i=1，2，3）的總排序權(quán)重為，最終計算得到各方案在目標(biāo)層的組合權(quán)重 w（3）=（wB1，wB2，wB3）T=（0.1761，0.2901，0.5338）T?？芍桨?在所有方案中占的權(quán)重最大，遠(yuǎn)高于方案1和方案2，因此應(yīng)選方案3，即在開關(guān)柜后面板上加裝翅片熱板隔離式熱交換器為最優(yōu)方案。

1.3 開關(guān)柜的翅片散熱方案[6]

圖2 翅片散熱結(jié)構(gòu)Fig.2 Heat dissipation structure of finned radiator

翅片散熱方案原理見圖2。翅片熱板隔離式熱交換器內(nèi)部裝有加熱器、風(fēng)扇和散熱片等主要部件，柜內(nèi)與柜外隔絕封閉，空氣不進行交換，十分適用于封閉式開關(guān)柜散熱。柜內(nèi)熱量通過散熱片傳導(dǎo)，將室內(nèi)空氣熱量傳至散熱片；柜外空氣從下風(fēng)口進入并通過散熱片吸收熱量，再從上風(fēng)口出風(fēng)，將熱量帶出，這樣可以降低溫升帶來的氣壓，避免開關(guān)柜因溫度過高而爆炸；柜內(nèi)溫度范圍可設(shè)定為自動控制。綜上分析，翅片散熱方案是經(jīng)濟可行的。

2 開關(guān)柜觸頭溫度在線測控系統(tǒng)方案

設(shè)計基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和翅片散熱的開關(guān)柜溫度測控系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)可以分為數(shù)據(jù)采集與溫度控制層、數(shù)據(jù)傳輸層和站控層3層。

圖3 開關(guān)柜觸頭溫度在線測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of online contact temperature monitoring and control system for switch cabinet

站控層基于LabVIEW的上位機軟件，軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。該軟件接收數(shù)據(jù)后，采用小波算法進行數(shù)據(jù)濾波預(yù)處理，采用加權(quán)直線趨勢外推法進行溫度預(yù)測，采用固定門限值監(jiān)測和變化率檢測算法判斷溫度值和溫升值是否符合相關(guān)的電力系統(tǒng)安全規(guī)定，確定設(shè)備缺陷等級，得出預(yù)警信號并發(fā)送短信給變電站值班人員，并將各項數(shù)據(jù)結(jié)果進行實時顯示。同時，站控層可以將數(shù)據(jù)共享到數(shù)據(jù)庫和SCADA系統(tǒng)中，通過網(wǎng)絡(luò)接入的方式實現(xiàn)與客戶機共享溫度狀態(tài)數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)響應(yīng)時間限制在5 s以內(nèi)。由于上位機采用實時顯示的模式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的瀏覽器/服務(wù)器（B/S）結(jié)構(gòu)系統(tǒng)無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時響應(yīng)，只能進行周期輪詢模式讀取數(shù)據(jù)，無法達到真正意義上的實時性。所以網(wǎng)絡(luò)通信采用全雙工通信，從服務(wù)器向Web客戶端以Socket方式發(fā)送數(shù)據(jù)，下發(fā)指令時也以同樣的方式進行，以滿足組態(tài)式軟件實時性要求。同時檢測平臺中使用用戶管理系統(tǒng)，避免非授權(quán)人員對系統(tǒng)的訪問，并允許按權(quán)限訪問系統(tǒng)功能[7]。

圖4 監(jiān)控主機軟件結(jié)構(gòu)Fig.4 Software structure of monitoring host

數(shù)據(jù)傳輸層是RS-485總線網(wǎng)絡(luò)。由于開關(guān)柜是金屬材質(zhì)的密閉結(jié)構(gòu)，ZigBee射頻信號無法送出，故采用有線通信的方式將數(shù)據(jù)送出。RS-485通信方式具有很強的擴展性，通信協(xié)議簡單，通信距離可達到1 km以上。

數(shù)據(jù)采集與溫度控制層由多個子系統(tǒng)組成，每個開關(guān)柜中包含1個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)由多個安裝在開關(guān)柜內(nèi)部的觸頭溫度采集終端（熒光反射式光纖測溫傳感器）和1個匯聚節(jié)點組成，同時安裝翅片熱板隔離式熱交換器對柜內(nèi)溫度進行控制。數(shù)據(jù)采集子網(wǎng)采用先進的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將1—M號測量終端采集到的多點溫度信息傳輸?shù)轿挥趨R聚節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器中[8]。匯聚節(jié)點中的微控制單元MCU（Micro Control Unit）將數(shù)據(jù)傳輸?shù)介_關(guān)柜前面板的數(shù)碼管上進行顯示；參考DLT664—2008《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》對對應(yīng)設(shè)備的溫度設(shè)定缺陷等級閾值[9]進行判斷后通過現(xiàn)場的相關(guān)電路實現(xiàn)聲光報警并開啟翅片熱板隔離式熱交換器的控制電路，同時將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸層。

3 基于ZigBee的數(shù)據(jù)采集層

如圖5所示，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采用多個光纖測溫傳感器分別采集開關(guān)柜中易熱觸頭的溫度，通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點上。

圖5 數(shù)據(jù)采集層網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Network of data acquisition layer

3.1 ZigBee無線通信

監(jiān)測系統(tǒng)運行于強電磁環(huán)境中，除了常規(guī)的手段，如元器件的選擇、接地與PCB設(shè)計、軟硬件濾波處理、看門狗技術(shù)、數(shù)據(jù)校驗等方式外，ZigBee還可以采用基于空閑信道評估技術(shù)CCA（Clear Channel Assessment）和動態(tài)信道選擇技術(shù)的抗電磁干擾方式[10]。另外，開關(guān)柜中需要安裝的分布式測溫終端節(jié)點數(shù)量較多，必須要考慮功耗和成本問題，而ZigBee無線通信是一種低功率、低成本、低傳輸速率、高可靠性的無線通信方式，可以降低系統(tǒng)的功耗與成本。ZigBee的AES128加密技術(shù)可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，即使是較低的傳輸速率也可以達到250 Kbit/s，完全滿足溫、濕度數(shù)據(jù)的傳輸要求。

3.2 數(shù)據(jù)采集終端

熒光反射式光纖測溫傳感器是無源器件，適合在高壓環(huán)境安裝使用，其采用近紅光的可見光作為測量媒介、大直徑樹脂光纖作為傳輸通道，自支撐能力很強，保證安全距離并生成整齊牢固的走線布局[11]；其對溫度的響應(yīng)速度較低，需要幾分鐘的跟進時間，這一點對電氣接點溫度實際為緩變的對象影響不大（電力系統(tǒng)接頭溫度突然上升很快往往是短路故障引發(fā)的，保護系統(tǒng)會發(fā)生作用）。由于該系統(tǒng)為光強調(diào)制類型，系統(tǒng)的光路部分自身密閉，防止了外界光的干擾。采用熒光光纖測溫傳感器采集溫濕度信息，1個CC2530芯片可連接多路測溫傳感器，電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。射頻單片機CC2530通過I/O口接收到多路傳感器數(shù)據(jù)，打包后通過CC2530 射頻電路發(fā)送出去[12]。

圖6 觸頭溫度采集節(jié)點結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of contact temperature acquisition node

通用數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖7所示。每個節(jié)點的數(shù)據(jù)包可以使用1個結(jié)構(gòu)體來實現(xiàn)，其中包含了數(shù)據(jù)包的頭、尾，以及節(jié)點的設(shè)備類型、節(jié)點MAC地址和所采集的傳感器數(shù)據(jù)，包頭、包尾為固定值。終端節(jié)點的數(shù)據(jù)包如圖8所示。設(shè)備類型有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）、終端節(jié)點（EndDevice），分別用每個設(shè)備的前3個大寫字母表示；節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址和父節(jié)點地址在系統(tǒng)上電后自動查詢；傳感器數(shù)據(jù)為5位。

圖7 通用數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of general data packet

圖8 終端節(jié)點數(shù)據(jù)包Fig.8 Structure of EndDevice data packet

3.3 匯聚節(jié)點

ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器接收底層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集到的溫度和濕度信息后，通過串口傳輸給ARM芯片。ARM芯片接收到信息后在開關(guān)柜前面板實時顯示，并設(shè)置溫度閾值，如果溫度過高或過低需要產(chǎn)生PWM波信號開啟翅片熱板隔離式熱交換器。最后需要將信息打包成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包格式，通過數(shù)據(jù)傳輸層的工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)送給上位機。匯聚節(jié)點電路結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示，程序流程圖如圖10所示。

圖9 匯聚節(jié)點電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.9 Block diagram of collection node circuit

圖10 匯聚節(jié)點程序流程圖Fig.10 Flowchart of collection node program

底層的數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)通過強電磁環(huán)境傳輸給匯聚節(jié)點，可能會產(chǎn)生部分干擾數(shù)據(jù)，所以在匯聚節(jié)點的ARM芯片中加入了中位平均值濾波程序，以提高數(shù)據(jù)的正確性。

4 開關(guān)柜觸頭溫度測控系統(tǒng)的實驗測試

4.1 數(shù)據(jù)采集與溫度控制層測試

對開關(guān)柜觸頭溫度測控系統(tǒng)的硬件進行測試，測試項目主要包括光纖測溫傳感器和ZigBee無線通信，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的測試結(jié)果如表4所示。

測試結(jié)果顯示：在開關(guān)柜環(huán)境下使用熒光反射式光纖測溫傳感器，可以以絕緣的方式測得觸頭的溫度，測溫范圍、精度和響應(yīng)時間均滿足要求；ZigBee實現(xiàn)多點組網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸；在強電磁環(huán)境下，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率可忽略不計；無線通信方式可以降低開關(guān)柜內(nèi)通信線的布線冗余。

表4 硬件測試技術(shù)指標(biāo)Tab.4 Technical indicators of hardware test

至于能耗方面，采用感應(yīng)供電電源和鋰離子電池互為備用的供電方式，在導(dǎo)線斷電的情況下亦可完全滿足系統(tǒng)的供電要求。

當(dāng)監(jiān)測的溫度達到一級缺陷（溫度高于45℃）時，測控系統(tǒng)通過控制電路翅片熱板隔離式熱交換器投運，可以有效降低開關(guān)柜內(nèi)環(huán)境溫度，增強觸頭散熱，降低爆炸事故的發(fā)生率。

4.2 預(yù)測算法與上位機軟件的測試

開關(guān)柜觸頭溫度監(jiān)控系統(tǒng)的上位機軟件界面采用LabVIEW圖形化編程實現(xiàn)[13]，其中包含溫度在線顯示界面、溫度數(shù)據(jù)預(yù)測界面、數(shù)據(jù)存儲與調(diào)用界面（對歷史數(shù)據(jù)進行存儲和調(diào)用[14]）、缺陷標(biāo)準(zhǔn)與處理方式界面，形成綜合的可視化界面。

某次系統(tǒng)聯(lián)合實驗通過以太網(wǎng)傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波后進入預(yù)測程序通道，用加權(quán)直線趨勢外推法進行數(shù)據(jù)預(yù)測；在底層硬件中設(shè)置每3 s采集一次數(shù)據(jù)，采集一段時間的數(shù)據(jù)后，將這些數(shù)據(jù)作為預(yù)測樣本，預(yù)測未來相等時間段內(nèi)的溫度值，選取15 s、30 s和60 s作為預(yù)測樣本時間，采用滾動預(yù)測的方式進行預(yù)測，相關(guān)指標(biāo)分析如表5所示，實驗結(jié)果如圖11所示。預(yù)處理后的數(shù)據(jù)同時會進入預(yù)警處理程序通道，用固定門限值監(jiān)測和變化率檢測的算法可以判斷溫度和濕度數(shù)據(jù)的變化，并用點亮報警燈和文字提示的形式進行報警，缺陷判斷與處理方式如表6所示。

由表5可見，最大溫度誤差、最大相對誤差、平均相對誤差數(shù)值都較小，在可接受范圍內(nèi)；系統(tǒng)可預(yù)測到達溫度上限的時間，達到對電力設(shè)備熱缺陷故障預(yù)測的效果。由圖11可見，開關(guān)柜觸頭的溫度曲線有下降趨勢，經(jīng)分析是由于翅片熱板隔離式熱交換器投運一段時間后，環(huán)境溫度下降、觸頭散熱能力變強所致。因此，使用翅片熱板隔離式熱交換器對密閉開關(guān)柜進行降溫，效果符合技術(shù)指標(biāo)要求。

表5 預(yù)測誤差評價Tab.5 Evaluation of prediction error

圖11 測試結(jié)果顯示Fig.11 Display of testing results

表6 缺陷判斷與處理方式Tab.6 Judgement and treatment of defect

5 結(jié)論

為了實現(xiàn)開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測與控制，研究并設(shè)計了基于翅片散熱和ZigBee的開關(guān)柜觸頭在線溫度測控系統(tǒng)，并進行了實驗測試，結(jié)論如下。

a.使用翅片熱板隔離式熱交換器對密閉開關(guān)柜進行降溫，效果良好、成本不高、安全可靠，是一種值得推廣的降溫方案。

b.ZigBee無線通信技術(shù)的應(yīng)用可以降低監(jiān)測系統(tǒng)的布線冗余和功耗，其空閑信道評估、動態(tài)信道選擇特征可以提高網(wǎng)絡(luò)的抗電磁干擾能力，提高數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)可靠性。匯聚節(jié)點的現(xiàn)場在線顯示與報警功能可以提高巡檢員的工作效率。

c.監(jiān)測軟件判斷溫度值和溫升值是否符合相關(guān)的電力系統(tǒng)安全規(guī)定，確定設(shè)備缺陷等級，給出預(yù)警信號并發(fā)送報警短信，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫共享功能，促進了電力設(shè)備的狀態(tài)檢修的實現(xiàn)。