基于無源無線傳感器的10kV高壓室測溫方案研究

李明 賴永杰

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司茂名電白供電局）

0 引言

在電力系統(tǒng)中，10kV高壓室作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，其安全質(zhì)量決定著整個配電系統(tǒng)的運(yùn)行效益，因此10kV高壓室的內(nèi)部設(shè)施、設(shè)備的安全監(jiān)測十分重要。尤其是在溫度監(jiān)測過程中，要做好開關(guān)柜觸頭的逐一測定，有效檢查電纜發(fā)熱隱患，早預(yù)防、早處理，從而避免由電纜過熱引起的短路或火災(zāi)，保障10kV高壓室安全、穩(wěn)定、可靠、高效運(yùn)行。

1 需求分析

1.1 研究背景

配電運(yùn)維管理過程中要求：“對額定電壓3kV及以上、頻率50Hz長期工作電器，如斷路器、隔離開關(guān)、封閉式組合電器、金屬封閉開關(guān)設(shè)備、負(fù)荷開關(guān)等產(chǎn)品，必須進(jìn)行發(fā)熱試驗(yàn)，以保證長期通過額定工作電流下，電器各部位的溫度不超過標(biāo)準(zhǔn)允許的數(shù)值”。

上述過程往往要借助測溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用較多的為示溫貼紙和紅外測溫儀。這兩種方式均為人工巡檢的輔助設(shè)備，雖然應(yīng)用廣泛，但存在不少缺點(diǎn)，如需要人員定期到場檢測、容易造成漏檢或誤檢、無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、容易受環(huán)境影響等。同時(shí)由于示溫貼紙和紅外測溫儀均是表面性的檢測，無法檢測視線范圍外的電線電纜溫度，不僅可能影響實(shí)際數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還容易造成安全隱患的遺漏，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

因此，對于10kV高壓室龐大的電線電纜測溫需求，研發(fā)一種能適用于其電纜測溫并能在線查看的監(jiān)控系統(tǒng)成為迫切的需求。

1.2 運(yùn)行現(xiàn)狀

某水廠1#高爐水處理10kV高壓室中共19面開關(guān)柜，其數(shù)量龐大、線纜復(fù)雜，溫度監(jiān)測管控工作難度較高。各開關(guān)柜的接點(diǎn)溫度監(jiān)測手段僅局限于對接頭、本體溫度等部位進(jìn)行人工巡檢，而對開關(guān)柜斷路器接點(diǎn)無較好監(jiān)測手段，造成開關(guān)柜固件損壞嚴(yán)重，如圖1所示。

圖1 長期高溫造成的固件損壞情況

為解決上述問題，某水廠對1#高爐水處理10kV測溫模式進(jìn)行調(diào)整，采用無線測溫系統(tǒng)方案，利用接觸式無線測溫的監(jiān)測和分析，捕捉10kV開關(guān)柜運(yùn)行異常，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備事故的早期征兆并科學(xué)處理，其關(guān)鍵需求如下：

1）實(shí)現(xiàn)全天24h不間斷在線監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)一越限即聲光報(bào)警；

2）逐步替代人工巡檢，節(jié)約10kV高壓室運(yùn)維管控成本；

3）征兆式報(bào)警，將事故消滅在萌芽階段，防止事態(tài)的升級、惡化；

4）對各節(jié)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，以便隨時(shí)查看及后期分析等。

2 測溫方案

2.1 技術(shù)對比

文獻(xiàn)資料顯示：10kV高壓室測溫時(shí)常采用紅外測溫、CT取電測溫、有源無線測溫和無源無線測溫方式。其中，無源無線測溫過程中采用EH技術(shù)取電，可靈活安裝在動觸頭、靜觸頭、母排、電纜進(jìn)出線及其他潛在發(fā)熱點(diǎn)，緊固材料具有耐高溫、防老化、導(dǎo)磁、耐候等特性，適用范圍廣、可靠性能高、實(shí)用效益強(qiáng)，如表1所示。

表1 無源無線測溫方案的優(yōu)勢分析

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

某水廠1#高爐水處理10kV在線測溫監(jiān)測系統(tǒng)主要采用無源無線測溫方案，其主要由10kV高壓室開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)及集控中心后臺監(jiān)測系統(tǒng)組成，并將各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成為一個完整的在線監(jiān)測系統(tǒng)，對高壓室主要設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)在線狀態(tài)監(jiān)測，確保設(shè)備安全正常的運(yùn)行，如圖2所示。

圖2 基于無源無線傳感器的10kV高壓室在線測溫系統(tǒng)

（1）感知層

由無線溫度傳感器組成，分布于各個發(fā)熱點(diǎn)，可實(shí)時(shí)測量其表面溫度，并將溫度數(shù)據(jù)通過無線方式上傳給接收終端。本設(shè)計(jì)中采用的基于高壓電場能的能量收集型自供電無線溫度傳感器（SPS061-V2）集無線數(shù)字通信技術(shù)及低功耗技術(shù)、EH技術(shù)于一體，可實(shí)現(xiàn)免維護(hù)、自供電、高精度、電氣隔離、主回路無電流、實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測，技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 無源無線溫度傳感器的基本參數(shù)

（2）網(wǎng)絡(luò)層

由SPW2000F無線溫度接收終端組成，在系統(tǒng)中承擔(dān)著數(shù)據(jù)中繼功能，它接收到傳感器的數(shù)據(jù)之后再通過光纖、485或者無線等方式傳輸給數(shù)據(jù)后臺。該裝置采用多通信口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中繼功能，支持雙光口、雙無線、雙485、單網(wǎng)口、光纖接入，如圖3所示。

圖3 SPW2000F無線溫度接收終端

（3）應(yīng)用層

由顯示平臺、移動終端組成。數(shù)據(jù)到達(dá)后臺后，用戶可以通過瀏覽器方式監(jiān)測現(xiàn)場每個傳感器的實(shí)時(shí)溫度、歷史曲線，如果出現(xiàn)超溫情況，可以快速定位并及時(shí)通知相關(guān)人員。本次設(shè)計(jì)的后臺工控機(jī)采用B/S結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的軟件著作權(quán)，具有人機(jī)界面友好、操作方便、數(shù)據(jù)全面、功能完善的特點(diǎn)，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)短信報(bào)警和Web訪問功能。

2.3 功能優(yōu)化

基于無源無線傳感器的10kV高壓室測溫系統(tǒng)中應(yīng)做好狀態(tài)全息感知功能、自動安全預(yù)警功能、智能輔助決策功能的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，形成智能、高效、科學(xué)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測體系。

（1）狀態(tài)全息感知功能

在10kV高壓室開關(guān)柜電纜中安裝無源無線溫度傳感器后，可增設(shè)電氣量采集傳感器和觸頭壓力傳感器，并配置相同的接收終端，用于電氣量數(shù)據(jù)采集及綜合對比分析，以便于全面反映10kV高壓室開關(guān)柜的運(yùn)行現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜安全狀態(tài)的全息感知。

（2）自動安全預(yù)警功能

可根據(jù)10kV高壓室開關(guān)柜的安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置合理的溫度閾值。同時(shí)，還可在無線測溫系統(tǒng)中的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)內(nèi)配置溫度越限、溫度突變、溫度漸變等識別模塊，精準(zhǔn)反映10kV高壓室開關(guān)柜溫度異常情況，進(jìn)行對應(yīng)聲光告警，以便于人員能夠高效檢修、科學(xué)處置。

（3）智能輔助決策功能

要在配網(wǎng)運(yùn)行中的SCDAD數(shù)據(jù)平臺基礎(chǔ)上引入在線測溫系統(tǒng)，由云平臺與在線測溫網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)交互，快速監(jiān)測10kV高壓室開關(guān)柜溫度異常信息，并快速響應(yīng)，生成故障處理、運(yùn)行調(diào)整、負(fù)荷管理等多類型、多功能輔助決策，以保證10kV高壓室開關(guān)柜安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

3 安裝應(yīng)用

某水廠1#高爐水處理10kV在線測溫監(jiān)測項(xiàng)目包括1個高壓室，共計(jì)19面開關(guān)柜。在安裝過程中應(yīng)按照順序在開關(guān)柜、高壓室和主控室分別安裝測溫傳感器、測溫終端及后臺監(jiān)控系統(tǒng)，并進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)和性能測試。

3.1 測溫傳感器安裝

某水廠1#高爐水處理在線測溫系統(tǒng)安裝過程中在10kV開關(guān)柜安裝162只SPS061-V2測溫傳感器，其安裝分布如下：

1）18面開關(guān)柜。采用9點(diǎn)測溫方式，監(jiān)測斷路器上、下動觸頭，出線母排的溫度變化情況；

2）1面母聯(lián)柜。采用6點(diǎn)測溫方式，監(jiān)測進(jìn)線、出線接頭的溫度變化情況。

安裝過程中采用捆綁式，通過合金帶將無源無線測溫傳感器固定于需測溫節(jié)點(diǎn)的就近位置，并使傳感器感溫部位與被檢測部位表面充分接觸以保證測溫效果。除此之外，還要嚴(yán)格檢查傳感器安裝后的電氣間隙，保證其不低于對應(yīng)電壓等級的最低安全間隙。

3.2 測溫終端安裝

某水廠1#高爐水處理在線測溫系統(tǒng)安裝過程中在10kV高壓室安裝1臺無線測溫終端。

安裝過程中采取壁掛式，即懸掛在墻壁上，通過專用的箱體對其進(jìn)行固定和保護(hù)，安全可靠，操作維護(hù)方便。

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)安裝

某水廠1#高爐水處理在線測溫系統(tǒng)安裝過程中在主控室安裝1套后臺監(jiān)控系統(tǒng)。

安裝過程中要嚴(yán)格控制遠(yuǎn)程通信布線，根據(jù)無線接收終端、站端系統(tǒng)和開關(guān)柜所在空間之間平面圖，合理采用光纖通信或者無線遠(yuǎn)程通信。若無線接收終端與后臺通信距離小于100m，建議使用RS485方式通信，通信線纜采用雙絞屏蔽線纜，防止環(huán)境其他信號干擾。

安裝完畢后，要對監(jiān)控后臺功能進(jìn)行測試，檢查通信數(shù)據(jù)接收、處理、存儲、顯示、報(bào)警提示燈功能是否正常，界面顯示包括概括圖、詳細(xì)圖、曲線圖、一次圖是否完整，超溫報(bào)警是否正常等。

4 結(jié)束語

無源無線傳感器可靠性強(qiáng)、操作簡單、易于維護(hù)，可適用于多場景的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測，實(shí)用效益顯著。在10kV高壓室開關(guān)柜溫度監(jiān)測過程中，可運(yùn)用無源無線傳感器進(jìn)行觸頭、接線等溫度的實(shí)時(shí)測定，配合接收終端和監(jiān)控系統(tǒng)，綜合展示10kV高壓室開關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其溫度異常缺陷并處理，避免由持續(xù)高溫導(dǎo)致的開關(guān)柜損毀或大面積斷電，提升系統(tǒng)供電可靠率。