淺談基于物聯網技術的無線測溫系統(tǒng)設計

張穎姣

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:傳統(tǒng)10kV環(huán)網柜存在智能化程度低、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(fā)展需求。為有效解決這些問題，實現設備狀態(tài)感知，設計了一種基于物聯網技術的無線測溫系統(tǒng)。該方法采用高壓感應取能、基于Zigbee協(xié)議的無線傳輸通信方式，可實現10kV環(huán)網柜關鍵位置溫度狀態(tài)感知，為智能電網運行維護提供可靠的管理方案。

關鍵詞:電力物聯網;無線測溫傳感器;感應取能;無線傳輸;狀態(tài)感知

0引言

電力設備在運行中，由于過負荷、電纜和觸頭接觸不良、短路等原因造成的事故時有發(fā)生。由于電纜頭制作工藝問題，10kV環(huán)網柜在運行中可能會因電纜頭發(fā)熱進而引起局部放電或絕緣老化，可能會導致環(huán)網柜發(fā)生單相接地并發(fā)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(guī)模的迅速發(fā)展，設備數量與種類越來越多，但相關設備的智能化程度卻較低，運行和維護的復雜度也越來越高。傳統(tǒng)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，因而單一依賴于傳統(tǒng)的人工運維模式難以滿足未來發(fā)展需求。蘇東、馬仲能等人對配網開關柜全生命周期成本模型及敏感度做出分析，分析表明一個配網開關柜的巡檢成本高達327萬，而故障成本高達120.44萬[2]。因此，實現配電設備狀態(tài)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”的具體舉措。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(huán)網柜電纜頭植入無線測溫傳感器，從而實時掌控環(huán)網柜溫度變化趨勢，該方法可以為智能運維提供決策依據，解決環(huán)網柜電纜頭測溫難題。

1無線測溫系統(tǒng)解決方案

無線測溫系統(tǒng)按三層架構設計，感知層主要包括布置于環(huán)網柜的無線測溫傳感器、數據采集終端，負責底層數據采集和邊緣計算；網絡層由網絡管理系統(tǒng)、有線或無線數據網絡、云計算平臺等組成，負責將采集終端的數據通過網絡安全加密后傳輸給云計算平臺；應用層物聯網與用戶的接口，與用戶的業(yè)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(jiān)控硬件系統(tǒng)主要由測溫傳感器、Zigbee通信模塊、數據采集終端、通信總線或以太網口、工控機、云服務器和移動應用終端等組成。通過傳感器實時采集環(huán)網柜電纜頭位置的溫度，以無線通信形式傳輸給數據采集終端，經數據處理、運算分析后在本地顯示測量溫度值，同時通過RS48總線或以太網接口，將數據傳輸工控機，并保存在云服務器，客戶可通過監(jiān)控主站或移動應用客戶端查閱溫度信息。

圖1環(huán)網柜無線測溫系統(tǒng)架構

1.2數據無線傳輸方案

無線測溫裝置直接測量環(huán)網柜高壓電纜頭關鍵位置溫度，長期處于高壓磁場中，既要解決電磁干擾問題，同時需解決絕緣以及數據傳輸問題，這是本系統(tǒng)設計的難點之一。為解決上述問題，本測溫系統(tǒng)采用模塊化設計，傳感器澆注于高壓電纜堵頭中，數據采集終端安裝于環(huán)網柜的低壓二次小室，傳感器與數據采集終端之間采用基于Zigbee協(xié)議無線傳輸，無需改變環(huán)網柜的內部結構，避免受高壓電磁場的干擾，同時便于今后運行與維護。該方案數據傳輸基于Zigbee協(xié)議，Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的個域網協(xié)議[3-4],基于Zigbee協(xié)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，能夠很好地應用于變配電站內的數據傳輸。

圖2測溫裝置無線數據傳輸原理框圖

如圖2所示，傳感器中集成了無線數據傳輸發(fā)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、運算所在范圍內溫度傳感模塊的數據，從而實時、可靠地收集范圍內的有效數據。該模塊采用樹狀拓撲結構，具有較強的可擴展性，從而實現系統(tǒng)架構中的通信功能。

2無線傳感器設計及其關鍵技術

2.1微功率感應取能傳感器設計

無線測溫傳感器是利用壓感應取能，熱電阻接觸式測溫與無線傳輸技術原理，實現環(huán)網柜電纜頭的溫度實時采集。測溫傳感器是將測溫探頭、電源模塊、金屬屏蔽罩、無線數據發(fā)射模塊和MCU核心模塊澆注于環(huán)氧樹脂電纜堵頭內，結構設計如圖3所示。當電纜運行時，在傳感器高壓導電端內部產生交變電場，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(wěn)壓后為傳感器供能。傳感器電路板設有熱電阻，直接與電纜連接螺桿連接，測量此處溫度。MCU核心模塊監(jiān)測熱電阻的線性變化，來判斷電纜頭連接處的溫度變化，并將采集的數據經無線的方式傳輸給數據采集終端，由采集終端完成數據采集、處理與運算，并將數據傳輸給監(jiān)控后臺或移動客戶端，測溫原理如圖4所示。

圖3傳感器結構設計

圖4無線測溫裝置原理框圖

2.2傳感器的耐高溫和抗干擾等性能設計

傳感器內置于經環(huán)氧樹脂澆注的電纜堵頭內，且處于高壓磁場中，為確保傳感器運行時的可靠性，需解決傳感器的自身的局部放電、散熱與抗干擾等問題。傳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，結構設計方面通過在傳感器電路板外設計了金屬屏蔽罩，用于均勻內部場強分布，并通過ANSYS仿真系統(tǒng)進行仿真驗證，傳感器的澆注工藝方面，保證澆注后傳感器內部無氣泡。傳感器在高溫環(huán)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，傳感器采用低功耗電路設計，基于Zigbee協(xié)議的低功耗通信模塊，確保微弱能量情況下工作，傳感器運行時的工作電流為微安級，通訊瞬時電流15mA。同時，傳感器應考慮高溫環(huán)境下的正常工作，因此，傳感器選用的材料能夠保障60℃以上的環(huán)境溫度穩(wěn)定運行，150℃時數據能正常測量，280℃時傳感器內部元器件不發(fā)生形變或損壞。無線信號傳輸采取抗干擾措施，在元器件選擇上采用抗干擾力強，溫度范圍廣的器件。同時，在結構設計和電路設計根據規(guī)則充分考慮EMC特性。*后，傳感器信號傳輸采用ZigBee協(xié)議進行無線傳輸，ZigBee采用O-QPSK信號調制方式，自身具有很強的抗干擾和糾錯能力。

2.3提高絕緣與避免局放

由于測溫傳感器集成在電纜絕緣堵頭內部，因此如何確保絕緣強度，避免局放產生是設計的核心要素之一。測溫傳感器優(yōu)化電路板設計，將所有的器件集成在很小的環(huán)型電路板內，確保電路板安裝在絕緣堵頭銅金屬件內，不會因為傳感器的存在而降低環(huán)氧樹脂的厚度。傳感器依靠分壓原理獲取能量，需要在高壓與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形成懸浮電極，造成較大的局部放電。為了避免懸浮電極產生局放，需要在取能電路中充分考慮。依靠取能電路穩(wěn)定工作，且充放電頻率匹配來確保懸浮電極無局放產生。

3數據處理與告警機制

3.1軟件抗干擾設計

測溫傳感器與采集器之間采用無線傳輸方式，無線信號在傳輸中，易收到外界干擾而造成誤傳、誤收和信號無法接收等情況。為提高可靠性，載軟件設計方面，通過以下幾種措施解決：CRC循環(huán)冗余校驗：循環(huán)冗余校驗對傳輸數據進行校驗，根據傳輸數據內容和CRC算法，得到16比特的CRC校驗碼，填充在幀的CRC部分發(fā)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輸部分的CRC吻合，則發(fā)送時沒有出現比特錯誤；若不吻合，則發(fā)送時出現比特錯誤，丟棄該數據。防碰撞與無線信道監(jiān)測機制：ZigBee采用的是CSMA/CA（載波監(jiān)聽多路訪問）的防碰撞機制。送出數據前，監(jiān)聽媒體狀態(tài)，等沒有人使用媒體，維持一段時間后，再等待一段隨機的時間后依然沒有人使用，才送出數據。由于每個設備采用的隨機時間不同，所以可以減少沖突的機會。或者送出數據前，先送一段小小的請求傳送報文給目標端，等待目標端回應報文后，才開始傳送。

3.2數據儲存

數據采集終端收到傳感器數據，對數據進行分析和存儲。在數據存儲上，按照隊列的先進先出法制進行存儲，支持3年的歷史數據存儲。

3.3告警與防誤報機制

圖5告警與防誤報程序邏輯

無線測溫系統(tǒng)通過實時監(jiān)測與處理后的數據，在就地或通過后臺顯示溫度值，當設備發(fā)生溫度異常或由于線路中的諧波等干擾因素造成誤報，系統(tǒng)將根據傳感器采集的溫度值、溫差、相對溫差（三相不平衡）、歷史趨勢這五項指標進行分析，發(fā)出報警信號或閉鎖報警。數據采集終端針對每個測溫傳感器進行告警設置，通過實時監(jiān)測數據與預設定的閾值進行比較判斷。具體邏輯如圖5所示，當狀態(tài)處于正常時，監(jiān)測到數據突然超出允許波動范圍，裝置記錄次數，若記錄次數達到預設次數時，裝置發(fā)出告警信號，否則進入休眠狀態(tài)；當監(jiān)測數據超過波動范圍時間持續(xù)達到時間閾值時，產生告警信息并發(fā)送。這種多次超限統(tǒng)計判斷告警模式，可避免周邊電磁干擾帶來的誤報問題。

圖6G01柜溫度監(jiān)測曲線圖

4現場應用

本系統(tǒng)經過嚴格的測試，并在廣州某智能配電房項目中開展了掛網運行。該智能配電房內安裝12面智能環(huán)網柜，分別由10kV南翔F20與10kV石橋F16進行環(huán)網型供電。在每面開關柜A、B、C三相電纜頭內分別安裝1只無線測溫傳感器，每段母線安裝1套數據采集終端，傳感器與數據采集終端之間采用Zigbee協(xié)議自組網通信。數據采集終端通過RS485總線與該房的智能電房監(jiān)控終端連接，數據經物聯網關傳輸到某***主站，系統(tǒng)架構如圖1所示。經過3個月的掛網試運行和現場測試結果對比分析，數據傳輸準確可靠，能在后臺實時掌握環(huán)網柜的溫度變化，為該運行單位減少了線下運維工作量。圖1摘取該房G01柜2019年10-12月監(jiān)測溫度繪制的曲線圖，運行人員能準確掌握開關柜的運行溫度變化趨勢，運行期間未曾發(fā)生數據誤報信息。

5.安科瑞電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)

5.1概述

Acre1-6000電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)，是根據中心的消防電子產品試驗認證，并且均通過嚴格的EMC電磁兼容試驗，保證了該系列產品在低壓配電系統(tǒng)中的安全正常運行，現均已批量生產并在全國得到廣泛地應用。該系統(tǒng)通過對剩余電流、過電流、過電壓、溫度和故障電弧等信號的采集與監(jiān)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余電流、溫度和故障電弧等超標的配電回路;并根據用戶的需求，還可以滿足與AcreIEMS企業(yè)微電網管理云平臺或火災自動報警系統(tǒng)等進行數據交換和共享。

5.2應用場合

適用于智能樓宇、醫(yī)院、高層公寓、賓館、飯店、商廈、工礦企業(yè)、國家重點消防單位以及石油化工、文教衛(wèi)生、金融、電信等領域。

5.3系統(tǒng)結構

5.4系統(tǒng)功能

1）監(jiān)控設備能接收多臺探測器的剩余電流、溫度信息，報警時發(fā)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“復位”按鈕或觸摸屏的“復位”按鍵遠程對探測器實現復位。對于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(jiān)測回路報警時，控制輸出繼電器閉合，用于控制被保護電路或其他設備，當報警消除后，控制輸出繼電器釋放。

3）通訊故障報警：當監(jiān)控設備與所接的任一臺探測器之間發(fā)生通訊故障或探測器本身發(fā)生故障時，監(jiān)控畫面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，并發(fā)出故障報警聲音。電源故障報警：當主電源或備用電源發(fā)生故障時，監(jiān)控設備也發(fā)出聲光報警信號并顯示故障信息，可進入相應的界面查看詳細信息并可解除報警聲響。

4）當發(fā)生剩余電流、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在數據庫中，當報警解除、排除故障時，同樣予以記錄。歷史數據提供多種便捷、快速的查詢方法。

5.5配置方案

應用場合	型號	產品照片	功能
消防控制室	Acrel-6000/B		適用于1~4條通信總線*多可連接256個探測器，可適用于壁掛安裝的場所。
	Acrel-6000/Q		適用于大型組網，壁掛式監(jiān)控主機數量較多且需集中查看的場所，主要監(jiān)測壁掛主機信息。
一、二級 低壓配電	ARCM200L-Z2		三相(I、U、kW、Kvar、kWh、Kvarh、Hz、cos中)，視在電能、四象限電能計量，單回路剩余電流監(jiān)測，4路溫度監(jiān)測，2路繼電器輸出，4路開關量輸入，事件記錄，內置時鐘，點陣式LCD顯示，2路獨立RS485/Modbus通訊
	ARCM200L-J8		8路剩余電流監(jiān)測，2路繼電器輸出，4路開關量輸入，事件記錄，內置時鐘，點陣式LCD顯示，1路RS485/Modbus通訊
	ARCM300-J1		1路剩余電流監(jiān)測，4路溫度監(jiān)測，1路繼電器輸出，事件記錄，LCD顯示，1路RS485/Modbus通訊
	AAFD-□		檢測末端線路的故障電弧，485通訊，導軌式安裝。
	ASCP200-□		短路限流保護、過載保護、內部超溫限流保護、過欠壓保護、漏電監(jiān)測、線纜溫度監(jiān)測，1路RS485通訊，1路GPRS或NB無線通訊，額定電流為0-40A可設。
			短路限流保護、過載保護、內部超溫限流保護、過欠壓保護、漏電監(jiān)測、線纜溫度監(jiān)測，1路RS485通訊，1路NB或4G無線通訊，額定電流為0-63A可設。
配套附件	AKH-0.66		測量型互感器，采集交流電流信號
	AKH-0.66/L		剩余電流互感器，采集剩余電流信號
	ARCM-NTC		溫度傳感器，采集線纜或配電箱體溫度

6結束語

隨著數字電網與配電物聯網的快速發(fā)展，實現配電設備運行狀態(tài)感知、數字化以及可觀、可測、可控是配電物聯網發(fā)展的必然趨勢。開關柜的電連接處溫度過高或者升高過快，對開關柜的安全可靠運行的影響十分重大，而基于Zigbee通信的高壓感應取電測溫技術，具有測量精度高、體積小、抗干擾能力強、成本低，可以更準確的掌握環(huán)網柜的溫度變化曲線和健康狀況。后續(xù)工作還可以結合人工智能技術，為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。

參考文獻

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[5]氣火災監(jiān)控系統(tǒng)選型手冊.2022.05版

審核編輯 黃宇