淺談基於物聯網技術的無線測溫係統設計

摘要:傳(chuan) 統10kV環網櫃存在智能化程度低、電纜頭故障率高、測溫困難等問題，缺乏一種有效的在線測溫技術，難以滿足數字配電網發展需求。為(wei) 有效解決(jue) 這些問題，實現設備狀態感知，設計了一種基於(yu) 物聯網技術的無線測溫係統。該方法采用高壓感應取能、基於(yu) Zigbee協議的無線傳(chuan) 輸通信方式，可實現10kV環網櫃關(guan) 鍵位置溫度狀態感知，為(wei) 智能電網運行維護提供可靠的管理方案。

關(guan) 鍵詞:電力物聯網;無線測溫傳(chuan) 感器;感應取能;無線傳(chuan) 輸;狀態感知

0引言

電力設備在運行中，由於(yu) 過負荷、電纜和觸頭接觸不良、短路等原因造成的事故時有發生。由於(yu) 電纜頭製作工藝問題，10kV環網櫃在運行中可能會(hui) 因電纜頭發熱進而引起局部放電或絕緣老化，可能會(hui) 導致環網櫃發生單相接地並發生相間短路爆炸事故。隨著我國經濟的快速增長和配電網規模的迅速發展，設備數量與(yu) 種類越來越多，但相關(guan) 設備的智能化程度卻較低，運行和維護的複雜度也越來越高。傳(chuan) 統的運維方式費時、費力，無法保證配電網運行的經濟性和安全性，因而單一依賴於(yu) 傳(chuan) 統的人工運維模式難以滿足未來發展需求。蘇東(dong) 、馬仲能等人對配網開關(guan) 櫃全生命周期成本模型及敏感度做出分析，分析表明一個(ge) 配網開關(guan) 櫃的巡檢成本高達327萬(wan) ，而故障成本高達120.44萬(wan) [2]。因此，實現配電設備狀態感知、運行數據的自動獲取、故障信息主動預警，降低運營成本，是落實“數字南網"的具體(ti) 舉(ju) 措。本文設計了集成物聯網技術、大數據技術、無線通信等技術，通過在環網櫃電纜頭植入無線測溫傳(chuan) 感器，從(cong) 而實時掌控環網櫃溫度變化趨勢，該方法可以為(wei) 智能運維提供決(jue) 策依據，解決(jue) 環網櫃電纜頭測溫難題。

1無線測溫係統解決(jue) 方案

無線測溫係統按三層架構設計，感知層主要包括布置於(yu) 環網櫃的無線測溫傳(chuan) 感器、數據采集終端，負責底層數據采集和邊緣計算；網絡層由網絡管理係統、有線或無線數據網絡、雲(yun) 計算平台等組成，負責將采集終端的數據通過網絡安全加密後傳(chuan) 輸給雲(yun) 計算平台；應用層物聯網與(yu) 用戶的接口，與(yu) 用戶的業(ye) 務需求相結合，實現物聯網的智能化服務應用。

1.1無線測溫硬件架構

無線測溫監控硬件係統主要由測溫傳(chuan) 感器、Zigbee通信模塊、數據采集終端、通信總線或以太網口、工控機、雲(yun) 服務器和移動應用終端等組成。通過傳(chuan) 感器實時采集環網櫃電纜頭位置的溫度，以無線通信形式傳(chuan) 輸給數據采集終端，經數據處理、運算分析後在本地顯示測量溫度值，同時通過RS48總線或以太網接口，將數據傳(chuan) 輸工控機，並保存在雲(yun) 服務器，客戶可通過監控主站或移動應用客戶端查閱溫度信息。

圖1環網櫃無線測溫係統架構

1.2數據無線傳(chuan) 輸方案

無線測溫裝置直接測量環網櫃高壓電纜頭關(guan) 鍵位置溫度，長期處於(yu) 高壓磁場中，既要解決(jue) 電磁幹擾問題，同時需解決(jue) 絕緣以及數據傳(chuan) 輸問題，這是本係統設計的難點之一。為(wei) 解決(jue) 上述問題，本測溫係統采用模塊化設計，傳(chuan) 感器澆注於(yu) 高壓電纜堵頭中，數據采集終端安裝於(yu) 環網櫃的低壓二次小室，傳(chuan) 感器與(yu) 數據采集終端之間采用基於(yu) Zigbee協議無線傳(chuan) 輸，無需改變環網櫃的內(nei) 部結構，避免受高壓電磁場的幹擾，同時便於(yu) 今後運行與(yu) 維護。該方案數據傳(chuan) 輸基於(yu) Zigbee協議，Zigbee是基於(yu) IEEE802.15.4標準的個(ge) 域網協議[3-4],基於(yu) Zigbee協議的通訊技術是一種功耗低、距離較近且簡單易實現的無線通訊技術，能夠很好地應用於(yu) 變配電站內(nei) 的數據傳(chuan) 輸。

圖2測溫裝置無線數據傳(chuan) 輸原理框圖

如圖2所示，傳(chuan) 感器中集成了無線數據傳(chuan) 輸發射模塊，數據采集終端中集成了接收模塊，接收端實現數據集中器的功能，接收、上傳(chuan) 、運算所在範圍內(nei) 溫度傳(chuan) 感模塊的數據，從(cong) 而實時、可靠地收集範圍內(nei) 的有效數據。該模塊采用樹狀拓撲結構，具有較強的可擴展性，從(cong) 而實現係統架構中的通信功能。

2無線傳(chuan) 感器設計及其關(guan) 鍵技術

2.1微功率感應取能傳(chuan) 感器設計

無線測溫傳(chuan) 感器是利用壓感應取能，熱電阻接觸式測溫與(yu) 無線傳(chuan) 輸技術原理，實現環網櫃電纜頭的溫度實時采集。測溫傳(chuan) 感器是將測溫探頭、電源模塊、金屬屏蔽罩、無線數據發射模塊和MCU核心模塊澆注於(yu) 環氧樹脂電纜堵頭內(nei) ，結構設計如圖3所示。當電纜運行時，在傳(chuan) 感器高壓導電端內(nei) 部產(chan) 生交變電場，由金屬屏蔽罩和電纜芯線之間的懸浮電容C1形成電勢差，該電勢差經濾波、整流和穩壓後為(wei) 傳(chuan) 感器供能。傳(chuan) 感器電路板設有熱電阻，直接與(yu) 電纜連接螺杆連接，測量此處溫度。MCU核心模塊監測熱電阻的線性變化，來判斷電纜頭連接處的溫度變化，並將采集的數據經無線的方式傳(chuan) 輸給數據采集終端，由采集終端完成數據采集、處理與(yu) 運算，並將數據傳(chuan) 輸給監控後台或移動客戶端，測溫原理如圖4所示。

圖3傳(chuan) 感器結構設計

圖4無線測溫裝置原理框圖

2.2傳(chuan) 感器的耐高溫和抗幹擾等性能設計

傳(chuan) 感器內(nei) 置於(yu) 經環氧樹脂澆注的電纜堵頭內(nei) ，且處於(yu) 高壓磁場中，為(wei) 確保傳(chuan) 感器運行時的可靠性，需解決(jue) 傳(chuan) 感器的自身的局部放電、散熱與(yu) 抗幹擾等問題。傳(chuan) 感器需要在設計取能裝置時候充分考慮到杜絕間隙放電和介質放電的問題。因此，結構設計方麵通過在傳(chuan) 感器電路板外設計了金屬屏蔽罩，用於(yu) 均勻內(nei) 部場強分布，並通過ANSYS仿真係統進行仿真驗證，傳(chuan) 感器的澆注工藝方麵，保證澆注後傳(chuan) 感器內(nei) 部無氣泡。傳(chuan) 感器在高溫環境中工作也是本研究的難點之一，本設計采用電壓感應取能，傳(chuan) 感器采用低功耗電路設計，基於(yu) Zigbee協議的低功耗通信模塊，確保微弱能量情況下工作，傳(chuan) 感器運行時的工作電流為(wei) 微安級，通訊瞬時電流15mA。同時，傳(chuan) 感器應考慮高溫環境下的正常工作，因此，傳(chuan) 感器選用的材料能夠保障60℃以上的環境溫度穩定運行，150℃時數據能正常測量，280℃時傳(chuan) 感器內(nei) 部元器件不發生形變或損壞。無線信號傳(chuan) 輸采取抗幹擾措施，在元器件選擇上采用抗幹擾力強，溫度範圍廣的器件。同時，在結構設計和電路設計根據規則充分考慮EMC特性。*後，傳(chuan) 感器信號傳(chuan) 輸采用ZigBee協議進行無線傳(chuan) 輸，ZigBee采用O-QPSK信號調製方式，自身具有很強的抗幹擾和糾錯能力。

2.3提高絕緣與(yu) 避免局放

由於(yu) 測溫傳(chuan) 感器集成在電纜絕緣堵頭內(nei) 部，因此如何確保絕緣強度，避免局放產(chan) 生是設計的核心要素之一。測溫傳(chuan) 感器優(you) 化電路板設計，將所有的器件集成在很小的環型電路板內(nei) ，確保電路板安裝在絕緣堵頭銅金屬件內(nei) ，不會(hui) 因為(wei) 傳(chuan) 感器的存在而降低環氧樹脂的厚度。傳(chuan) 感器依靠分壓原理獲取能量，需要在高壓與(yu) 接地端中間布置一金屬電極。該電極的布置在高壓電場中會(hui) 形成懸浮電極，造成較大的局部放電。為(wei) 了避免懸浮電極產(chan) 生局放，需要在取能電路中充分考慮。依靠取能電路穩定工作，且充放電頻率匹配來確保懸浮電極無局放產(chan) 生。

3數據處理與(yu) 告警機製

3.1軟件抗幹擾設計

測溫傳(chuan) 感器與(yu) 采集器之間采用無線傳(chuan) 輸方式，無線信號在傳(chuan) 輸中，易收到外界幹擾而造成誤傳(chuan) 、誤收和信號無法接收等情況。為(wei) 提高可靠性，載軟件設計方麵，通過以下幾種措施解決(jue) ：CRC循環冗餘(yu) 校驗：循環冗餘(yu) 校驗對傳(chuan) 輸數據進行校驗，根據傳(chuan) 輸數據內(nei) 容和CRC算法，得到16比特的CRC校驗碼，填充在幀的CRC部分發送給接收方。若接收方對接收到數據和CRC算法進行計算，得到16比特的CRC校驗碼如果和數據傳(chuan) 輸部分的CRC吻合，則發送時沒有出現比特錯誤；若不吻合，則發送時出現比特錯誤，丟(diu) 棄該數據。防碰撞與(yu) 無線信道監測機製：ZigBee采用的是CSMA/CA（載波多路訪問）的防碰撞機製。送出數據前，媒體(ti) 狀態，等沒有人使用媒體(ti) ，維持一段時間後，再等待一段隨機的時間後依然沒有人使用，才送出數據。由於(yu) 每個(ge) 設備采用的隨機時間不同，所以可以減少衝(chong) 突的機會(hui) 。或者送出數據前，先送一段小小的請求傳(chuan) 送報文給目標端，等待目標端回應報文後，才開始傳(chuan) 送。

3.2數據儲(chu) 存

數據采集終端收到傳(chuan) 感器數據，對數據進行分析和存儲(chu) 。在數據存儲(chu) 上，按照隊列的先進先出法製進行存儲(chu) ，支持3年的曆史數據存儲(chu) 。

3.3告警與(yu) 防誤報機製

圖5告警與(yu) 防誤報程序邏輯

無線測溫係統通過實時監測與(yu) 處理後的數據，在就地或通過後台顯示溫度值，當設備發生溫度異常或由於(yu) 線路中的諧波等幹擾因素造成誤報，係統將根據傳(chuan) 感器采集的溫度值、溫差、相對溫差（三相不平衡）、曆史趨勢這五項指標進行分析，發出報警信號或閉鎖報警。數據采集終端針對每個(ge) 測溫傳(chuan) 感器進行告警設置，通過實時監測數據與(yu) 預設定的閾值進行比較判斷。具體(ti) 邏輯如圖5所示，當狀態處於(yu) 正常時，監測到數據突然超出允許波動範圍，裝置記錄次數，若記錄次數達到預設次數時，裝置發出告警信號，否則進入休眠狀態；當監測數據超過波動範圍時間持續達到時間閾值時，產(chan) 生告警信息並發送。這種多次超限統計判斷告警模式，可避免周邊電磁幹擾帶來的誤報問題。

圖6G01櫃溫度監測曲線圖

4現場應用

本係統經過嚴(yan) 格的測試，並在廣州某智能配電房項目中開展了掛網運行。該智能配電房內(nei) 安裝12麵智能環網櫃，分別由10kV南翔F20與(yu) 10kV石橋F16進行環網型供電。在每麵開關(guan) 櫃A、B、C三相電纜頭內(nei) 分別安裝1隻無線測溫傳(chuan) 感器，每段母線安裝1套數據采集終端，傳(chuan) 感器與(yu) 數據采集終端之間采用Zigbee協議自組網通信。數據采集終端通過RS485總線與(yu) 該房的智能電房監控終端連接，數據經物聯網關(guan) 傳(chuan) 輸到某***主站，係統架構如圖1所示。經過3個(ge) 月的掛網試運行和現場測試結果對比分析，數據傳(chuan) 輸準確可靠，能在後台實時掌握環網櫃的溫度變化，為(wei) 該運行單位減少了線下運維工作量。圖1摘取該房G01櫃2019年10-12月監測溫度繪製的曲線圖，運行人員能準確掌握開關(guan) 櫃的運行溫度變化趨勢，運行期間未曾發生數據誤報信息。

5.安科瑞電氣火災監控係統

5.1概述

Acre1-6000電氣火災監控係統，是根據中心的消防電子產(chan) 品試驗認證，並且均通過嚴(yan) 格的EMC電磁兼容試驗，保證了該係列產(chan) 品在低壓配電係統中的安全正常運行，現均已批量生產(chan) 並在全國得到廣泛地應用。該係統通過對剩餘(yu) 電流、過電流、過電壓、溫度和故障電弧等信號的采集與(yu) 監視，實現對電氣火災的早期預防和報警，當必要時還能聯動切除被檢測到剩餘(yu) 電流、溫度和故障電弧等超標的配電回路;並根據用戶的需求，還可以滿足與(yu) AcreIEMS企業(ye) 微電網管理雲(yun) 平台或火災自動報警係統等進行數據交換和共享。

5.2應用場合

適用於(yu) 智能樓宇、醫院、高層公寓、賓館、飯店、商廈、工礦企業(ye) 、國家重點消防單位以及石油化工、文教衛生、金融、電信等領域。

5.3係統結構

5.4係統功能

1）監控設備能接收多台探測器的剩餘(yu) 電流、溫度信息，報警時發出聲、光報警信號，同時設備上紅色“報警"指示燈亮，顯示屏指示報警部位及報警類型，記錄報警時間，聲光報警一直保持，直至按設備的“複位"按鈕或觸摸屏的“複位"按鍵遠程對探測器實現複位。對於(yu) 聲音報警信號也可以使用觸摸屏“消聲"按鍵手動消除。

2）當被監測回路報警時，控製輸出繼電器閉合，用於(yu) 控製被保護電路或其他設備，當報警消除後，控製輸出繼電器釋放。

3）通訊故障報警：當監控設備與(yu) 所接的任一台探測器之間發生通訊故障或探測器本身發生故障時，監控畫麵中相應的探測器顯示故障提示，同時設備上的黃色“故障"指示燈亮，並發出故障報警聲音。電源故障報警：當主電源或備用電源發生故障時，監控設備也發出聲光報警信號並顯示故障信息，可進入相應的界麵查看詳細信息並可解除報警聲響。

4）當發生剩餘(yu) 電流、超溫報警或通訊、電源故障時，將報警部位、故障信息、報警時間等信息存儲(chu) 在數據庫中，當報警解除、排除故障時，同樣予以記錄。曆史數據提供多種便捷、快速的查詢方法。

5.5配置方案

6結束語

隨著數字電網與(yu) 配電物聯網的快速發展，實現配電設備運行狀態感知、數字化以及可觀、可測、可控是配電物聯網發展的必然趨勢。開關(guan) 櫃的電連接處溫度過高或者升高過快，對開關(guan) 櫃的安全可靠運行的影響十分重大，而基於(yu) Zigbee通信的高壓感應取電測溫技術，具有測量精度高、體(ti) 積小、抗幹擾能力強、成本低，可以更準確的掌握環網櫃的溫度變化曲線和健康狀況。後續工作還可以結合人工智能技術，為(wei) 運維單位實現智能運維，進一步提高運維工作效率和供電可靠性。

安科瑞侯文莉