變電站10 kV開關(guān)柜隔離開關(guān)觸頭接觸部位、開關(guān)觸頭接觸部位、導電排連接部位、電纜頭連接部位在長期運行過程中，由于表面氧化腐蝕、緊固螺栓松動等原因，容易導致接觸電阻變大而引起接觸部位發(fā)熱、電蝕，嚴重者可燒熔連接部件并引發(fā)短路故障，造成大面積停電，降低了系統(tǒng)供電可靠性并造成重大經(jīng)濟損失。防止10 kV開關(guān)柜發(fā)熱故障是變電運行部門需長期面對的重要課題。文獻［1］明文規(guī)定:預防開關(guān)設(shè)備載流回路過熱;定期用測溫設(shè)備檢查開關(guān)設(shè)備的接頭部、隔離開關(guān)的導電部分(部位:觸頭、出線座等)，特別是在重負荷或高溫期間，加強對運行設(shè)備溫升的監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)問題應及時采取措施。
目前，變電站10 kV開關(guān)柜設(shè)備溫度監(jiān)測手段大多采用試溫蠟監(jiān)視、手持紅外測溫、有源傳感器無線測溫等三種主要方式，但上述方式存在不能實時監(jiān)測、測量誤差大、探頭易失效等問題。為此有必要研發(fā)傳感器無源無線式測溫技術(shù)，克服以往測溫方式所存在的缺陷，實現(xiàn)對開關(guān)柜關(guān)鍵部位進行溫度實時在線監(jiān)測、診斷、預警等功能，并實現(xiàn)準確測溫、傳感器可長期工作且工作壽命周期內(nèi)免維護、接收裝置更換無需停電等要求。
本文提出并研發(fā)了無源無線式在線測溫系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對10 kV開關(guān)柜內(nèi)發(fā)熱情況進行無源無線式溫度在線監(jiān)測，提高了設(shè)備運行的可靠性，并實現(xiàn)以下技術(shù)目標:
a)利用聲表面波器件的熱敏感物理特性、逆壓電效應和壓電效應，研發(fā)無源無線傳感設(shè)備，通過電磁兼容設(shè)計和編碼設(shè)計，使其應用于10 kV開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測。
b)利用現(xiàn)有變電站綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)，采用統(tǒng)一的通信標準，確保數(shù)據(jù)安全，通信可靠。
c)建立智能監(jiān)測平臺，將供電局下屬多個變電站溫度監(jiān)測系統(tǒng)集成于同一平臺，實現(xiàn)測溫數(shù)據(jù)集中管理。
試溫蠟監(jiān)視、手持紅外測溫方式存在缺陷:測點多，工作強度大，效率低;不能及時發(fā)現(xiàn)發(fā)熱缺陷;開關(guān)柜內(nèi)部分區(qū)域無法進行人工;
無法積累歷史數(shù)據(jù)，從而分析溫升變化;無法向運行人員提供發(fā)熱告警信息;無法為設(shè)備維護、檢修提供數(shù)據(jù)支持。
無源無線式在線測溫系統(tǒng)由無源無線式在線測溫系統(tǒng)主站、變電站無源無線測溫管理裝置、溫度傳感器組成。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。
圖 1 無源無線式在線測溫系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
溫度采集收發(fā)器通過天線發(fā)射傳感射頻信號，無源無線溫度傳感器被動返回溫度對應頻率信號;溫度采集收發(fā)器接收到反饋信號后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)打包，轉(zhuǎn)送至變電站無源無線測溫管理裝置，利用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，完成站內(nèi)開關(guān)柜溫度監(jiān)測設(shè)備通信規(guī)約轉(zhuǎn)換，通過變電站綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至無源無線式在線測溫系統(tǒng)主站，供專業(yè)班組對設(shè)備運行溫度進行監(jiān)測和分析，以保證設(shè)備的穩(wěn)定運行。
變電站端無源無線測溫管理裝置對本站設(shè)備運行溫度數(shù)據(jù)進行管理，具備查詢實時運行數(shù)據(jù)、歷史運行數(shù)據(jù)、告警數(shù)據(jù)、報表生成、短信告警等功能。
無源無線式在線測溫系統(tǒng)主站對接入各變電站的設(shè)備溫度數(shù)據(jù)進行管理，由專業(yè)班組進行建設(shè)和維護，相關(guān)人員可通過Web瀏覽方式查詢實時運行數(shù)據(jù)、歷史運行數(shù)據(jù)、告警數(shù)據(jù)、報表信息等，并通過Web頁面完成對系統(tǒng)的臺賬管理、通道管理、用戶管理等系統(tǒng)管理功能。系統(tǒng)具有很好的開放性、可擴展性、可移植性、易維護性、可靠性和安全性。
2.2 功能設(shè)計
無源無線式在線測溫系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)集中監(jiān)測供電局各變電站10 kV開關(guān)柜等運行設(shè)備的實時和歷史發(fā)熱信息，并實現(xiàn)一致的通信規(guī)約。系統(tǒng)功能主要有:
a)實時監(jiān)控。通過圖形、數(shù)字和曲線方式，監(jiān)控廠站實時告警概況、設(shè)備實時告警、設(shè)備實時溫度數(shù)據(jù)，提供對告警的確認和處理等功能。
b)數(shù)據(jù)查詢。通過多種圖表、曲線等形式查詢和分析當前及歷史數(shù)據(jù)。
c)趨勢曲線。提供在線瀏覽趨勢曲線，可按時間段查詢。
d)日志服務(wù)。對用戶維護的系統(tǒng)應用設(shè)備，用戶登錄的操作進行日志登記，并提供對日志的分類和分時段查詢。
e)分析診斷。可以進行任意測溫點分組，同時刻多點數(shù)據(jù)對比查詢、閾值分析，智能診斷功能。
f)報表管理。能夠輸出報表，可根據(jù)客戶輸入需求自動形成報表，并具有對比和導出功能。
g)用戶管理。對用戶操作權(quán)限分級管理，提供信息的同時，保護核心數(shù)據(jù)，降低維護成本。
h)系統(tǒng)設(shè)置。方便添加、刪除相關(guān)廠站，并對應用廠站使用的通訊接口，廠站信息類型、數(shù)據(jù)采集周期等其他系統(tǒng)參數(shù)進行配置。
i)參數(shù)管理。對系統(tǒng)應用的基礎(chǔ)信息進行維護管理，提供整定預告警閾值、設(shè)置下屬設(shè)備類型及數(shù)量等參數(shù)管理功能。
3 無源無線式在線測溫系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
3.1 無源無線式溫度傳感器
所研發(fā)的無源無線式溫度傳感器采用了聲表面波溫度傳感技術(shù)，該技術(shù)采用聲表面波諧振腔結(jié)構(gòu)，當壓電晶體基片上的換能器將輸入的無線電磁波信號轉(zhuǎn)變成聲信號后，被左右兩個周期性柵條反射形成諧振，諧振頻率隨溫度的改變而改變，且在一定溫度范圍內(nèi)呈線性的關(guān)系，當換能器將聲信號轉(zhuǎn)變成無線應答信號輸出后，就可以通過測量頻率變化得到溫度值。采用聲表面波溫度傳感技術(shù)的傳感器線性度較好，測溫范圍(－20～150℃)，精度誤差(±3℃)，滿足10 kV開關(guān)柜內(nèi)隔離開關(guān)觸頭、斷路器觸頭、導電排連接等部位的溫度監(jiān)測需求。
3.2 建立一次設(shè)備運行溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)平臺
無源無線式在線測溫系統(tǒng)平臺采用客戶端–服務(wù)器端(Client/Server)結(jié)構(gòu)以及瀏覽器端–服務(wù)器端(Browser/Server)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的多層次架構(gòu)，系統(tǒng)具有較好的易維護性、較高的安全性和可擴展性。在該平臺上，不僅很大程度上擴展系統(tǒng)監(jiān)測點容量，而且通過豐富的圖表、曲線等形式，對10 kV開關(guān)柜運行發(fā)熱狀態(tài)信息進行實時監(jiān)測。系統(tǒng)平臺自帶多種分析輔助工具，即能夠?qū)ν粶y溫點歷史溫度數(shù)據(jù)追溯，有效分析設(shè)備運行發(fā)熱趨勢，也能夠?qū)Χ鄠€相關(guān)測溫點數(shù)據(jù)比較，以便迅速找出運行發(fā)熱異常的設(shè)備。
3.3 安全的Web瀏覽發(fā)布功能及短信告警功能
無源無線式在線測溫系統(tǒng)采用PowerDynamo+HTMLDataWindow的B/S三層結(jié)構(gòu)解決方案，以實現(xiàn)授權(quán)用戶通過Web瀏覽器進行動態(tài)瀏覽、查詢和打印存儲在服務(wù)器平臺數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。客戶端無需安裝任何軟件，降低用戶客戶端的配置成本，便于使用和維護。無源無線式在線測溫系統(tǒng)通過變電站綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)，實現(xiàn)了無源無線式在線溫度數(shù)據(jù)的集中采集、統(tǒng)一上傳，提供了有效的安全機制，并且可通過短信服務(wù)(short messaging service，SMS)將無源無線式在線測溫系統(tǒng)內(nèi)的實時告警信息及時轉(zhuǎn)發(fā)至專業(yè)班組的值班手機上，使之及時獲知設(shè)備發(fā)熱告警的信息，以便及時采取控制措施，進而消除隱患。
4系統(tǒng)創(chuàng)新點
4.1 應用聲表面波傳感器實現(xiàn)了無源溫度準確測量和遠距離無線采集
無源無線式在線測溫系統(tǒng)優(yōu)化了電磁兼容設(shè)計以抑制干擾，研發(fā)了射頻模塊使無線信號傳輸距離不少于2 m。當經(jīng)天線發(fā)射出的激勵信號被傳感器的諧振器接收后，經(jīng)逆壓電效應轉(zhuǎn)換為同頻聲信號，該信號受聲表面波器件熱敏感特性影響，傳遞過程中信號特征被改變，反射回的電磁波信號反映了溫度變化信息，通過信號對比處理，使系統(tǒng)實現(xiàn)在高壓環(huán)境內(nèi)對關(guān)鍵部位進行溫度準確測量和遠距離無線采集。
4.2 解決了10 kV開關(guān)柜同區(qū)域內(nèi)多傳感器同時應用的編碼難題
10 kV開關(guān)柜內(nèi)關(guān)鍵測溫點主要包括斷路器觸頭、隔離開關(guān)觸頭及其它導電排連接部位，傳感器編碼數(shù)量一般在12個左右，而國內(nèi)外現(xiàn)有相關(guān)產(chǎn)品均在6個以內(nèi)，面臨開關(guān)柜區(qū)域內(nèi)多傳感器同時應用識別難題，無法滿足區(qū)域內(nèi)多測溫點監(jiān)測數(shù)量要求。
無源無線式在線測溫系統(tǒng)以聲表面波諧振型測溫技術(shù)為主，同時融合延遲線技術(shù)，選用低損耗的LiNbO3晶體，制成單端口諧振型聲表面波溫度傳感器，通過對聲表面波(surface acoustic wave，SAW)器件上反射柵不同的位置排列獲得不同的返回脈沖時序組合，以此識別多個溫度傳感器。另參考國內(nèi)外對SAW傳感系統(tǒng)的研究成果，采用新型24位A/D轉(zhuǎn)換器件，高速數(shù)字信號處理器制成無源無線溫度采集收發(fā)器，通過正交相位檢測法對反饋信號進行測量，提高了對多個傳感器的溫度信息識別能力，*實現(xiàn)了10 kV開關(guān)柜區(qū)域內(nèi)12個不同編碼傳感器的同時可靠應用，滿足了10 kV開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備溫度測量布點數(shù)量需求。
4.3 降低了開關(guān)柜內(nèi)結(jié)構(gòu)對無線信號屏蔽影響
考慮到10 kV開關(guān)柜種類繁多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異性大，一般分為多個腔室，對信號的傳輸有一定屏蔽影響，因此設(shè)計溫度采集收發(fā)器共有4條天線路徑，12個無源無線溫度傳感器可任意選擇其中一條路徑通道工作。溫度采集收發(fā)器通過柜體內(nèi)布線方式將天線分布到每個腔體，達到信號激勵、采集較好狀態(tài)。設(shè)備能管理4×N(N=3、6、9、12)個傳感器，充分滿足10 kV開關(guān)柜測溫應用。
5應用案例
無源無線式在線測溫系統(tǒng)已經(jīng)成功應用于中山供電局110 kV泰豐變電站、文安變電站、裕豐變電站，對變電站內(nèi)大電流柜和電容柜的隔離開關(guān)觸頭等部位加裝了無源無線式測溫裝置，實現(xiàn)了對上述10 kV開關(guān)柜隔離開關(guān)觸頭接觸部位發(fā)熱情況的實時在線監(jiān)測、診斷、預警功能。該系統(tǒng)自2012年12月投運一年多以來，運行情況穩(wěn)定，各項功能應用正常，測溫數(shù)據(jù)與預防性試驗結(jié)果吻合，解決了10 kV開關(guān)柜內(nèi)關(guān)鍵部位發(fā)熱信息獲取的復雜性和安全性的難題，對提高電網(wǎng)10 kV用戶供電可靠性發(fā)揮了重要作用。
6 安科瑞無線測溫系統(tǒng)介紹與選型
安科瑞無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)當前無線測溫系統(tǒng)的要求，在廣泛征求用戶和家意見的基礎(chǔ)上,充分吸收當前國內(nèi)外廠家的成功案例，并結(jié)合安科瑞多年來的豐富經(jīng)驗，采用面向?qū)ο蟮姆謱臃植际皆O(shè)計思想，結(jié)合自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)而設(shè)計的一款專業(yè)的無線測溫軟件。
6.1 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)通過RS485總線或以太網(wǎng)與間隔層的設(shè)備直接進行通信（如圖2），系統(tǒng)設(shè)計遵循標準Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規(guī)約，安全性、可靠性和開放性都得到了很大地提高。
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)具有遙信、遙測、遙控、遙調(diào)、遙設(shè)、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能?？梢员O(jiān)控無線測溫系統(tǒng)的設(shè)備運行狀況，實現(xiàn)快速報警響應，預防嚴重故障發(fā)生。
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)主要特點是開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件兼容性強，軟件移植性好，應用功能豐富。該系統(tǒng)具有強大的處理能力，快速的事件響應，友好的人機界面，方便的擴充手段。其軟件系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)軟件工程的設(shè)計規(guī)范,模塊劃分合理，接口簡捷明了，主要包括主控模塊、人機界面、圖形組態(tài)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、通信管理等幾大模塊。
圖2 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
6.2 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)功能
■實時監(jiān)測
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控軟件人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)及有關(guān)故障、告警等信息
■溫度查詢
溫度歷史曲線（1分鐘、5分鐘、60分鐘可選）
■運行報表
查詢各回路設(shè)備運行溫度報表.
■實時報警
壁掛式無線測溫監(jiān)控設(shè)備具有實時報警功能，設(shè)備能夠?qū)囟仍较薜仁录l(fā)出告警。
■設(shè)備提供以下凡種告警方式：
a.彈岀事件報驚窗口.
b.實時語音報警功能，能夠?qū)λ惺录l(fā)出語音告警.
C.短信吿警，可以向發(fā)送吿警信息短信（需選配）.
■歷史告警査詢
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ袇叹录涗涍M行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)和告警等事件進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。
■用戶權(quán)限管理
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如數(shù)據(jù)庫修改等）。可以定義不同級別用戶的 登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
■定值設(shè)置
用于修改高溫定值、超溫定值。
■WEB（可選）
展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息， 設(shè)備溫度、通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。首頁顯示場站的變壓器數(shù)量、回路個數(shù)、有功功率、無功功率、用電量、事件記錄等概況信息，可通過實時監(jiān)控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。
實時數(shù)據(jù)曲線可監(jiān)測各個回路的測點溫度、電壓、電流、功率曲線信息。
接線圖頁面通過一次圖實時反映電氣參數(shù)變化，包括測量量、信號量等信息（信號量 需要斷路器提供輔助觸點支持）。
能耗統(tǒng)計頁面顯示各回路的功率峰值和用電量峰值，功率、電能趨勢曲線，電能環(huán)比，用電排名。
運維管理\通信狀態(tài)顯示監(jiān)測接入系統(tǒng)設(shè)備的通信狀態(tài)。
■手機APP（可選）
設(shè)備數(shù)據(jù)員面顯示各設(shè)備的電參量數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)以及曲線。
6.3 安科瑞ARTM系列無線測溫終端產(chǎn)品選型
安科瑞電氣接點無線測溫方案由無線溫度傳感器、收發(fā)器、顯示單元組成。溫度傳感器直接安裝于斷路器動觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發(fā)熱接點，將測溫數(shù)據(jù)通過無線射頻技術(shù)傳至接收裝置，再由接收器485通訊至測溫終端或無線測溫系統(tǒng)（如圖3）。
圖3 電氣接點在線測溫結(jié)構(gòu)圖
6.3.1 安科瑞無線溫度傳感器
無線溫度傳感器共有5種，分別對應螺栓固定、表帶固定、扎帶捆綁、合金片固定等安裝方式。針對不同的變電站要求，可根據(jù)傳感器供電方式以及安裝位置的不同，考慮安裝方便的因素，選擇相匹配的傳感器。
6.3.2 安科瑞無線收發(fā)器
無線測溫收發(fā)器共有3種，通過無線射頻方式接收溫度數(shù)據(jù)。收發(fā)器根據(jù)不同的傳感器型號進行匹配，同時傳感器的傳輸距離決定接收裝置能否多柜接收。
6.3.3 安科瑞顯示終端
顯示裝置通過RS485連接收發(fā)器，可嵌入式安裝于柜體上，若柜體開孔不便，也可選擇壁掛式安裝于配電室內(nèi)。方便操作人員現(xiàn)場及時查看電氣節(jié)點實時溫度的同時，也可以通過RS485或以太網(wǎng)通訊的方式在后臺系統(tǒng)查看現(xiàn)場情況。
7 結(jié)束語
無源無線式在線測溫系統(tǒng)有效地解決了開關(guān)柜采用試溫蠟監(jiān)視、手持紅外測溫、有源傳感器無線測溫等方式的缺陷，提升了變電運行部門設(shè)備發(fā)熱運維管理水平，可有效杜絕設(shè)備接觸部位因發(fā)熱而引發(fā)的設(shè)備事故，同時還將運行人員從繁重、低效的開關(guān)柜測溫工作中解放出來，大大地提高了工作效率。該技術(shù)除了可以應用在開關(guān)柜測溫外，還可以推廣到變電站主變、電容、電抗、斷路器、隔離開關(guān)等其它一次設(shè)備測溫，應用范圍廣泛，具有實用推廣價值，對變電站測溫技術(shù)的發(fā)展有著積極推動作用。
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