風(fēng)電場(chǎng)跌落保險(xiǎn)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張秦康，鄭 偉，包宇新，盧其威

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京） 信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083）

跌落保險(xiǎn)，也稱之為跌落式熔斷器，因其具有經(jīng)濟(jì)性好、安裝與維護(hù)便利、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地安裝在風(fēng)電場(chǎng)桿塔上，作為風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)桿塔線路的過載與短路保護(hù)裝置[1-2]。跌落保險(xiǎn)的溫度監(jiān)測(cè)一直是風(fēng)電場(chǎng)的常規(guī)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，但是目前還停留在人工測(cè)溫的方式上，該方式工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，也限制了溫度測(cè)量的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的提高。隨著使用時(shí)間的增加，跌落保險(xiǎn)裝置故障率呈明顯上升趨勢(shì)。由于缺少在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，跌落保險(xiǎn)裝置的過溫故障無法及時(shí)預(yù)警，導(dǎo)致故障維修不及時(shí)，不利于風(fēng)電場(chǎng)根據(jù)溫度異常信息合理安排檢修時(shí)間，以提高風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電效益。

實(shí)際上，目前風(fēng)電場(chǎng)中的絕大部分的電氣設(shè)備都實(shí)現(xiàn)了信息智能化監(jiān)測(cè)[3]，風(fēng)電場(chǎng)跌落保險(xiǎn)溫度手動(dòng)監(jiān)測(cè)方式已成為風(fēng)電場(chǎng)信息化水平提升的一個(gè)障礙，因此風(fēng)電場(chǎng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)跌落保險(xiǎn)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有著迫切的需求。截至2020年5月底，僅新疆地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)容量便達(dá)到19.75 GW，有近萬個(gè)風(fēng)機(jī)桿塔裝有跌落保險(xiǎn)[4]。綜上，開展風(fēng)電場(chǎng)跌落保險(xiǎn)溫度在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究具有重要的意義，風(fēng)電場(chǎng)跌落保險(xiǎn)實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

目前溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用在各種電氣設(shè)備中，相關(guān)專家學(xué)者提出了許多技術(shù)，如牽引變電所線路夾件測(cè)溫系統(tǒng)、高壓開關(guān)柜無源無線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、接觸網(wǎng)主回路電氣節(jié)點(diǎn)過熱在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[5-7]等。盡管上述溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都在不同領(lǐng)域得到了應(yīng)用，但是均無法直接應(yīng)用在風(fēng)電場(chǎng)跌落保險(xiǎn)溫度監(jiān)測(cè)中。首先風(fēng)電場(chǎng)跌落保險(xiǎn)安裝在風(fēng)電場(chǎng)桿塔電壓等級(jí)為35 kV 的線路上，需要解決溫度監(jiān)測(cè)裝置的供電電源以及絕緣問題。其次，如何選擇合理的通訊方式將每個(gè)桿塔上的溫度數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控設(shè)備，也是需要考慮的問題。盡管每個(gè)桿塔下都有通信線路，但如果直接接入以太網(wǎng)，無論從復(fù)雜程度，還是從成本角度分析，都不合適。如何結(jié)合這些特點(diǎn)，確定合理的低成本的通信方式也是必須考慮的問題。

本論文結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)方案，提出了針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)跌落保險(xiǎn)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)方案，并基于該技術(shù)方案研制了樣機(jī)。

1 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)跌落保險(xiǎn)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)方案，需要綜合分析以確定跌落保險(xiǎn)的溫度測(cè)量方法、溫度監(jiān)測(cè)模塊的供電方式以及通信方式。

（1）跌落保險(xiǎn)溫度測(cè)量方法

由于跌落保險(xiǎn)安裝在35 kV 高壓線路桿塔上，因此需要考慮絕緣問題，相較于接觸式測(cè)溫，非接觸式測(cè)溫能夠更好地實(shí)現(xiàn)裝置絕緣，常用的非接觸式測(cè)溫技術(shù)有：聲學(xué)測(cè)溫、激光測(cè)溫、紅外測(cè)溫等[8-11]。綜合比較各測(cè)溫方式優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)選用紅外測(cè)溫技術(shù)保證電氣隔離的要求。

（2）溫度監(jiān)測(cè)裝置電源解決方案

溫度監(jiān)測(cè)裝置需要解決自給供電問題。常見供電方式主要有：CT 取電、電池供電和光伏供電。其中，CT 取電容易出現(xiàn)斷電的情況[12]。電池供電更換維護(hù)麻煩。光伏供電有著環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，但供電穩(wěn)定性較差，因此多與電池供電配合使用，實(shí)現(xiàn)持久供電[13]。結(jié)合上述情況，本系統(tǒng)選用光—儲(chǔ)聯(lián)合供電[14]。

（3）系統(tǒng)通信方式

為降低安裝成本與維修難度，通信裝置應(yīng)當(dāng)選用無線通信技術(shù)。較為常見的無線通信技術(shù)有：藍(lán)牙通信技術(shù)[15]、Wi-Fi 通信技術(shù)[16-17]、NB-IOT 通信方式[18]、LoRa 通信技術(shù)[19]與ZigBee 通信技術(shù)[20]等。大多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)的塔桿為成行布置，每行中各相鄰桿塔距離在300～500 m 之間，各行之間距離在1 km 左右，為避免過多使用中繼，無線通信方式距離應(yīng)當(dāng)大于等于500 m[21]?？紤]到本文系統(tǒng)應(yīng)用的風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境，本系統(tǒng)選擇使用ZigBee 通信技術(shù)。

基于上述分析確定的測(cè)溫方式、供電方式以及通信方式，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)技術(shù)方案如圖1所示。該系統(tǒng)由若干個(gè)溫度監(jiān)測(cè)裝置、中繼網(wǎng)關(guān)、路由中繼模塊和溫度監(jiān)控設(shè)備組成。每個(gè)溫度監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)三路跌落保險(xiǎn)的溫度，該裝置同時(shí)具有ZigBee 通信功能。通過Mesh 組網(wǎng)方式，最終所有溫度監(jiān)測(cè)模塊通過中繼網(wǎng)關(guān)將溫度數(shù)據(jù)傳輸給溫度監(jiān)控設(shè)備。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)跌落保險(xiǎn)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of drop insurance temperature detection system in wind farm

圖1中最左側(cè)一列為安裝在某一行風(fēng)力發(fā)電機(jī)桿塔上的溫度監(jiān)測(cè)裝置，溫度監(jiān)測(cè)裝置11 將數(shù)據(jù)傳輸給溫度監(jiān)測(cè)裝置12，溫度監(jiān)測(cè)裝置12 將溫度監(jiān)測(cè)裝置11 和12 的數(shù)據(jù)再傳輸給溫度監(jiān)測(cè)裝置13，以此方式傳遞。最終由最接近中繼網(wǎng)關(guān)的溫度監(jiān)測(cè)裝置將所有的溫度數(shù)據(jù)傳輸給中繼網(wǎng)關(guān)，這樣在擴(kuò)大了無線通信距離的同時(shí)可以保證所有模塊的溫度數(shù)據(jù)傳輸給中繼網(wǎng)關(guān)。中繼網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)后通過有線通信的方式將實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控中心。若某一組溫度監(jiān)測(cè)裝置的末尾與中繼網(wǎng)關(guān)超過了最大通信距離，可以加入一個(gè)或多個(gè)路由中繼模塊，保證數(shù)據(jù)可以成功發(fā)送給中繼網(wǎng)關(guān)，路由中繼模塊為只使用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能的溫度監(jiān)測(cè)裝置。

2 軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件部分

溫度監(jiān)測(cè)裝置由供電模塊，ZigBee 通信模塊與測(cè)量控制模塊三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。供電模塊采用光—儲(chǔ)聯(lián)合供電，光伏電池板發(fā)電時(shí)為鋰電池充電，并通過電源轉(zhuǎn)換模塊為溫度監(jiān)測(cè)裝置直接供電，當(dāng)光伏電池板不工作時(shí)，由鋰電池為溫度監(jiān)測(cè)裝置供電。測(cè)控模塊由主控芯片和三路紅外溫度傳感器組成。紅外傳感器收集跌落保險(xiǎn)的溫度數(shù)據(jù)并傳輸至主控芯片，主控芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后將信息傳輸至ZigBee 通信模塊。ZigBee 通信模塊負(fù)責(zé)信息的接收與編碼發(fā)送。

圖2 溫度監(jiān)測(cè)裝置硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure diagram of temperature monitoring device

監(jiān)控裝置由中繼網(wǎng)關(guān)與監(jiān)控設(shè)備構(gòu)成。中繼網(wǎng)關(guān)用于接收溫度數(shù)據(jù)并通過有線通信與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)信息交互。上位機(jī)利用軟件對(duì)信息進(jìn)行加工處理，最終將桿塔跌落保險(xiǎn)的實(shí)時(shí)溫度、通信故障信息與溫度故障報(bào)警信息呈現(xiàn)在監(jiān)控界面。

2.2 軟件部分

溫度監(jiān)測(cè)裝置的主程序流程如圖3所示。裝置上電啟動(dòng)后首先進(jìn)行主控芯片、紅外傳感器和ZigBee模塊的初始化。ZigBee 模塊判斷是否接收到來自其他裝置的信息，若有，則將信息傳遞至主控芯片。主控芯片在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后將待發(fā)送數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩存區(qū)。ZigBee 模塊將發(fā)送緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)編碼發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，主控芯片檢查溫度傳感器是否能夠正常工作，根據(jù)檢查結(jié)果調(diào)用溫度報(bào)警及故障處理子程序，溫度報(bào)警及故障處理子程序?qū)囟葦?shù)據(jù)與報(bào)警信息處理后寫入緩存區(qū)等待下一個(gè)循環(huán)發(fā)送。

圖3 溫度監(jiān)測(cè)裝置主程序流程Fig.3 Main program flow chart of temperature monitoring device

溫度報(bào)警與故障處理子程序流程如圖4所示，在接收溫度數(shù)據(jù)之前，主控芯片判斷紅外傳感器與溫度監(jiān)測(cè)裝置間是否存在通信故障，通信故障采用延時(shí)報(bào)警方式，當(dāng)通信故障計(jì)數(shù)器大于設(shè)定閾值時(shí)，主控芯片將故障信息寫入發(fā)送緩存區(qū)；若通信沒有異常，溫度傳感器將數(shù)據(jù)傳輸至主控芯片，主控芯片判斷是否報(bào)警。溫度報(bào)警同樣采用延時(shí)報(bào)警的方式，當(dāng)溫度報(bào)警計(jì)數(shù)器大于設(shè)定閾值時(shí)，主控芯片發(fā)送故障報(bào)警信息并將信息寫入發(fā)送緩存區(qū)，隨下一循環(huán)發(fā)送至下級(jí)中繼模塊；若溫度沒有超出閾值，則通過ZigBee 模塊以輪詢的方式發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，將實(shí)時(shí)的溫度數(shù)據(jù)更新至溫度數(shù)據(jù)變量。

圖4 溫度報(bào)警及故障處理子程序流程Fig.4 Sub-program flow chart of temperature alarm and fault handling subroutine

監(jiān)控主機(jī)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)包括中繼網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)的信息交互設(shè)計(jì)和顯示界面的設(shè)計(jì)。軟件界面的主要功能區(qū)主要包括菜單欄、報(bào)警顯示區(qū)、設(shè)備狀態(tài)顯示區(qū)與設(shè)備數(shù)量信息顯示區(qū)。軟件可通過菜單欄查詢?cè)O(shè)備信息、故障歷史記錄、設(shè)置參數(shù)配置，也可以實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警音消音與復(fù)位等操作。

3 系統(tǒng)實(shí)物與實(shí)驗(yàn)分析

系統(tǒng)實(shí)物樣機(jī)如圖5所示，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相鄰兩個(gè)溫度監(jiān)測(cè)裝置有效通信距離可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并利用ZigBee 成功實(shí)現(xiàn)了Mesh 組網(wǎng)，監(jiān)控設(shè)備也能夠?qū)崟r(shí)顯示安裝在桿塔上的跌落保險(xiǎn)溫度數(shù)據(jù)。

圖5 跌落保險(xiǎn)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.5 Physical drawing of temperature detection system for drop insurance

如圖6所示，若監(jiān)控設(shè)備圖標(biāo)顯示為白色時(shí)，表明監(jiān)控設(shè)備通信正常以及該處跌落保險(xiǎn)溫度正常；若監(jiān)控設(shè)備圖標(biāo)顯示為黃色時(shí)，表明出現(xiàn)故障；若監(jiān)控設(shè)備圖標(biāo)顯示為紅色時(shí)，表明該處跌落保險(xiǎn)溫度異常。在正常的溫度以及通信顯示界面還可以讀取環(huán)境參考點(diǎn)溫度和測(cè)溫點(diǎn)陣的溫度，讀取、設(shè)置溫度報(bào)警閾值，以及該溫度監(jiān)測(cè)裝置供電電池電壓、網(wǎng)絡(luò)地址等基本信息，如圖中A 處所示；過溫報(bào)警界面還可以顯示測(cè)溫點(diǎn)陣溫度信息，如圖中B 處所示；通信故障界面無溫度以及基本信息，如圖中C處所示。

圖6 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控與設(shè)備溫度信息顯示界面Fig.6 Temperature monitoring system monitoring and equipment temperature information display interface

4 結(jié)語

本文結(jié)合了目前風(fēng)電場(chǎng)跌落保險(xiǎn)溫度監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了基于ZigBee 無線通信的跌落保險(xiǎn)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并完成了設(shè)計(jì)與測(cè)試。所做主要工作有：通過分析對(duì)比確定了ZigBee 無線通信，紅外溫度監(jiān)測(cè)以及光—儲(chǔ)聯(lián)合供電的技術(shù)方案；對(duì)系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)；對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，各裝置實(shí)現(xiàn)了自組網(wǎng)并成功在監(jiān)控中心溫度監(jiān)控設(shè)備上顯示跌落保險(xiǎn)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)可以有效對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中的跌落保險(xiǎn)溫度進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有利于減少工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高跌落保險(xiǎn)溫度監(jiān)測(cè)的效率，提升跌落保險(xiǎn)檢修工作智能信息化水平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)企業(yè)的健康發(fā)展。