#智能變電站溫度監(jiān)測主站系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1、智能變電站溫度監(jiān)測主站系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)引言 在電力系統(tǒng)中，電力設(shè)備的溫度變化是一個非常重要的指標(biāo)，它關(guān)系到電力設(shè) 備能否安全穩(wěn)定運行。在變電站運行過程中，一次設(shè)備的電接點因為設(shè)備制 造、觸電氧化、電弧沖擊等原因，會導(dǎo)致電接點的接觸電阻增大，使其溫度上 升。當(dāng)溫度上升到一定程度后，設(shè)備的機械強度和電氣強度將會出現(xiàn)下降，嚴(yán) 重時會導(dǎo)致電氣設(shè)備的短路，甚至造成設(shè)備的損毀，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定 運行。對電氣設(shè)備的溫度進行實時監(jiān)測，可以幫助值班人員盡早發(fā)現(xiàn)問題，消 除隱患，確保電力系統(tǒng)的安全運行。 傳統(tǒng)的變電站溫度監(jiān)測技術(shù)有紅外測溫法和蠟片法，這些方法都需要人工參與 進行設(shè)備的檢測，容易出現(xiàn)錯報、漏報

2、，無法進行長時間測量，監(jiān)測的準(zhǔn)確度 和實時性較差。無線測溫方式是利用無線網(wǎng)絡(luò)，如 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)，將傳感 器測量到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)接受主機上，實現(xiàn)溫度的測量。無線傳感器體 積小，可以方便地安裝在變電站設(shè)備的表面，尤其是設(shè)備上容易發(fā)熱出現(xiàn)故障 的地方。因此無線傳感器能較準(zhǔn)確地反映設(shè)備運行時的溫度信息，并使測量到 的溫度數(shù)據(jù)具有很強的實時性。通過觀察監(jiān)控機的監(jiān)測頁面，變電站運行人員 能夠及時全面的了解變電站內(nèi)設(shè)備的實時溫度信息。本文以某 220 kV 無人值守變電站為原型，提出了一種無人值守變電站無線溫 度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案，能夠全自動地實現(xiàn)變電站運行設(shè)備的實時溫度監(jiān)測與實 時溫度告警功

3、能。變電站溫度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變電站溫度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，根據(jù)系統(tǒng)中各功能模塊的作用，將 整個系統(tǒng)劃分為無線測溫模塊和在線監(jiān)測模塊。/ 10圖 1 變電站溫度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1 ）無線測溫模塊 無線測溫模塊包含測溫網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)采集與存儲的實現(xiàn)。測溫網(wǎng)絡(luò)的 無線網(wǎng)絡(luò)基于 ZigBee 通訊協(xié)議，通過 RS485 總線將數(shù)據(jù)傳輸至控制室主機。 數(shù)據(jù)存儲與采集部分說明了設(shè)備溫度信息存儲模型的設(shè)計。）在線監(jiān)測模塊在線監(jiān)測模塊基于 B/SBrowser/Server ）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，能夠有效簡 化在線監(jiān)測客戶端的接入。在線監(jiān)測功能通過基于 SVG 的實時監(jiān)測圖實現(xiàn)。 2 無線測溫模塊的設(shè)

4、計無線協(xié)議 無線傳輸協(xié)議有很不同的種類。在各類應(yīng)用中，無線傳輸協(xié)議以藍牙與 ZigBee 協(xié)議為典型代表，表 1 給出了藍牙與 ZigBee 協(xié)議之間的比較。表 1 藍牙與 ZigBee 協(xié)議比較/ 10在變電站中，測溫傳感器的安裝數(shù)量是不容忽視的問題。本系統(tǒng)雖僅涉及母聯(lián) 支路與 1 條主變支路，但仍需安裝 44 個測溫傳感器，如果監(jiān)視全部 2條主變 支路、 2 條負(fù)載支路與母聯(lián)支路，則至少需要安裝 100 個測溫傳感器，如果再 考慮支路末端的分段與其他輔助電氣設(shè)備，測溫傳感器的數(shù)量將進一步提升。 從這個角度出發(fā)，使用 ZigBee 協(xié)議能夠有效降低測溫模塊的系統(tǒng)成本。 在無線測溫模塊中，傳輸

5、的數(shù)據(jù)以控制信息、文本數(shù)據(jù)信息為主體，對通訊速 率要求不高，和藍牙傳輸相比， ZigBee 雖然速率較低，但能夠很好地滿足該系 統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求。同時 ZigBee 擁有更好的抗干擾特性并能夠支持 AES 加密技術(shù)，保證傳輸 數(shù)據(jù)的安全。綜合以上考慮， ZigBee 協(xié)議在該溫度監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建中具有更好 的經(jīng)濟性和適用性。測溫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無線測溫模塊使用 RS485總線來完善無線測溫網(wǎng)絡(luò)中的不足。表 2 給出了 RS485 與 ZigBee 無線協(xié)議的特點。表 2 RS485 與 ZigBee 協(xié)議比較無線通信具有信號隨距離衰減的特性，當(dāng)進行長距離通信時，需要設(shè)立無線中繼裝置，保證無線信號的有效覆

6、蓋。在較大規(guī)模的變電站中，被監(jiān)測設(shè)備分/ 10 布較廣，如要保證所有設(shè)備的正常監(jiān)測，將需要大量的無線中繼裝置來保證無 線信號的有效覆蓋，無形中增加了系統(tǒng)成本。當(dāng)出現(xiàn)穿墻的無線傳輸情形時， 將需要更多的無線中繼節(jié)點。為此考慮加入有線網(wǎng)絡(luò)來解決這一問題，在圖 1 中，即在變電站測溫區(qū)域與控制室主機之間使用 RS485 總線。在每個 ZigBee 無線測溫網(wǎng)絡(luò)中，使用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，便于網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控與管理。如果設(shè)備數(shù)量 種類較多時，可以增設(shè)中間路由節(jié)點，擴展成簇狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹２⒏鶕?jù)一定的方 式將溫度傳感器進行分組，如按照設(shè)備類型分組等，能進一步加強網(wǎng)絡(luò)中傳感 器的識別與管理，從而能使上述無線測溫網(wǎng)絡(luò)適用于

7、不同規(guī)模的測溫區(qū)域。 當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點發(fā)生故障時，路由節(jié)點的子節(jié)點，如終端的溫度傳感 器節(jié)點，雖然能夠正常采集數(shù)據(jù)，但是無法將數(shù)據(jù)傳遞給網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)集中 器。此時可以借助 ZigBee 的自組網(wǎng)特性，將這些子節(jié)點連接到附近其他正常 工作的路由節(jié)點，通過新的路由節(jié)點將測量到的設(shè)備溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào) 器中，保證溫度數(shù)據(jù)的連貫性。數(shù)據(jù)模型設(shè)計 對于同一個電氣設(shè)備，可能存在多個溫度監(jiān)測點，在進行傳感器 ID 與設(shè)備 ID 關(guān)聯(lián)時，采用了面向?qū)ο蟮姆绞竭M行關(guān)聯(lián)，把被監(jiān)測設(shè)備作為一個對象來看 待。以隔離開關(guān)為例，因為隔離開關(guān)具有兩個動觸點，因此安裝有 2 個溫度傳 感器分別進行監(jiān)測，但這兩個傳感

8、器對應(yīng)同一個設(shè)備，如果進行一一對應(yīng)，那 么在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲的時候會出現(xiàn)數(shù)據(jù)覆蓋與丟失，而一對多的結(jié)構(gòu)卻違背數(shù)據(jù)庫的 關(guān)聯(lián)原則。因此按照傳感器的安裝位點，將被監(jiān)測設(shè)備進行拆分，分解成多個 設(shè)備對象，作為程序處理與數(shù)據(jù)存儲的實體，并根據(jù)設(shè)備是否具有 ABC 三相來 進行不同設(shè)備類型的劃分。圖 2 為 220 kV 副母刀閘的模型結(jié)構(gòu)，該刀閘母線側(cè)與開關(guān)側(cè)的兩個動觸 點附近分別裝有無線溫度傳感器?？梢韵葘⒃撛O(shè)備分解為 “220 kV 副母刀閘母 線側(cè)”與“220 kV 副母刀閘開關(guān)側(cè) ”兩個設(shè)備對象。再將每個設(shè)備對象對應(yīng)的三 相傳感器，設(shè)定為設(shè)備實體屬性。通過以上兩層結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)同一設(shè)備與多個溫 度傳感器的

9、對應(yīng)，并實現(xiàn)設(shè)備模型的通用化。/ 10圖 2 物理設(shè)備的分解在線監(jiān)測平臺設(shè)計監(jiān)測平臺結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測平臺采用 B/SBrowser/Server ）結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，即瀏覽器和服務(wù)器結(jié) 構(gòu)。 B/S 結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的 C/SClient/Server ）結(jié)構(gòu)相比具有以下優(yōu)勢?？蛻舳?的簡化與接入：客戶端計算機只需通過瀏覽器即可訪問監(jiān)測系統(tǒng)，無需安裝客 戶端系統(tǒng)。因此任何接入服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)的電腦都能訪問監(jiān)測平臺，避免當(dāng)指定客 戶端出現(xiàn)不可抗力的故障時，不能進行在線監(jiān)測的問題。同時，監(jiān)測平臺中使 用的用戶管理系統(tǒng)，避免了非授權(quán)人員對系統(tǒng)的訪問，并允許按權(quán)限訪問系統(tǒng) 功能。多服務(wù)器部署與網(wǎng)絡(luò)接入：在線監(jiān)測平臺能夠同

10、時部署在兩臺或多臺服務(wù) 器上，供不同的用戶進行訪問。其中不同的服務(wù)器還可以接入不同的網(wǎng)絡(luò)，能 夠讓多個獨立網(wǎng)絡(luò)用戶的訪問同一資源。實時監(jiān)測圖原理實時監(jiān)測功能基于 SVGScalable VectorGraphics ）圖形格式的圖片來設(shè)計。 SVG 即可縮放矢量圖形，是基于可擴展標(biāo)記語言 XML），具有強動態(tài)交互性的 圖形格式，并且是 IEC61970 中圖形交換的標(biāo)準(zhǔn)。在線監(jiān)測平臺的實時監(jiān)測圖 是一張基于變電站一次接線圖繪制的 SVG 圖片。實時監(jiān)測圖的溫度數(shù)據(jù)顯示需要后臺數(shù)據(jù)服務(wù)的支持，圖 3 給出了實時監(jiān) 測圖的通信結(jié)構(gòu)。/ 10圖 3 實時監(jiān)測圖通信結(jié)構(gòu) 由圖 3 可知， SVG 顯示

11、的溫度數(shù)據(jù)全部來源于數(shù)據(jù)庫， WEB平 臺承擔(dān)著數(shù)據(jù)查 詢與讀取的功能。但數(shù)據(jù)庫和 SVG 兩個模塊相對獨立，當(dāng)數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫向 SVG 界面進行傳輸時，需要將傳感器 ID 和溫度信息進行一一對應(yīng)，即每一條 “ID- 溫度”信息都需要在 SVG 模型中查詢到對應(yīng) ID 再進行數(shù)據(jù)更新。為了提高 SVG 的數(shù)據(jù)更新效率，可以在 WEB平臺的數(shù)據(jù)讀取過程中，對讀取的數(shù)據(jù)按照 SVG需求進行排序。排序信息以 XML 配置文件的形式進行描述，圖 4 為 XML 文件示意圖。圖中 Temperature 節(jié)點下的 equipLabel 子節(jié)點分別與 SVG 中 的數(shù)據(jù)節(jié)點對應(yīng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的排序。 經(jīng)過排序之

12、后的數(shù)據(jù)信息，不需要再按照 ID 在 SVG 模型中進行查詢對應(yīng)，可 以將純數(shù)據(jù)信息一次性直接存儲在 SVG 模型中。當(dāng)增加監(jiān)測設(shè)備的數(shù)量時，只 需要在 Temperature 節(jié)點下新增一個 equipLabel 節(jié)點，并在 SVG 圖形上增加 對應(yīng)的節(jié)點，即可實現(xiàn)新增數(shù)據(jù)的監(jiān)測。SVG 所需數(shù)據(jù)信息通過 XML 配置文件進行描述，與監(jiān)測平臺和數(shù)據(jù)庫模型 無關(guān)，便于系統(tǒng)的移植與擴展。移植時， SVG 圖可以由變電站一次接線圖得 到，因此只需要修改上述排序配置文件，即可實現(xiàn)系統(tǒng)的移植，使系統(tǒng)具有較 好的通用性。/ 10圖 4 SVG 的排序結(jié)構(gòu)圖3.3實時監(jiān)測圖數(shù)據(jù)表現(xiàn)實時監(jiān)測圖的數(shù)據(jù)表現(xiàn)直接

13、影響監(jiān)測效果的直觀性與準(zhǔn)確性。圖 5 為實時 監(jiān)測圖的初期效果 圖中的數(shù)據(jù)為測試數(shù)據(jù)，并非現(xiàn)場數(shù)據(jù)）。圖 5 實時監(jiān)測圖數(shù)據(jù)表現(xiàn)初期效果圖 5 中，灰色方塊表示無線測溫傳感器，傳感器附近文字標(biāo)注了對應(yīng)傳感器的 安裝位置，帶顏色的數(shù)據(jù)表示設(shè)備溫度信息。當(dāng)設(shè)備溫度處于正常范圍時，用 綠色表示溫度正常；當(dāng)溫度超過預(yù)警閾值而低于告警閾值時，用紫色表示溫度 預(yù)警；當(dāng)溫度超過告警溫度閾值時，用紅色表示溫度告警。考慮到實時監(jiān)測圖 的傳輸數(shù)據(jù)量，只傳輸一組處理后的數(shù)據(jù)，即三相平均值或三相最大值，進行/ 10溫度的顯示與監(jiān)測。這一設(shè)計雖然傳輸數(shù)據(jù)量變少，但是存在信息不完整的問 題。使用平均值顯示時，當(dāng)某一相溫度

14、過高，如 A 相，而另外兩相溫度正常時，因 為加權(quán)平均的效果，會讓顯示的平均溫度處在溫度告警的區(qū)間之外，但實際上 A 相溫度可能達到了告警溫度，而監(jiān)測系統(tǒng)卻不能正確給出告警。使用最大值 時，能夠讓變電站監(jiān)測人員準(zhǔn)確了解設(shè)備的預(yù)警和告警信息，但是這種顯示方 式無法體現(xiàn)各個相序的溫度數(shù)據(jù)，必須再借助其他方式進行查詢。同時，當(dāng)有 兩相或三相溫度同時出現(xiàn)異常時，監(jiān)測畫面只能顯示故障最嚴(yán)重的一相，故障 信息出現(xiàn)嚴(yán)重缺失。上述方式都大大降低了實時監(jiān)測圖的功能效果。圖 6 為完整信息的實時監(jiān)測圖數(shù)據(jù)表現(xiàn) 圖中的數(shù)據(jù)為測試數(shù)據(jù)，并非現(xiàn) 場數(shù)據(jù)），監(jiān)測圖同時顯示了三相的溫度數(shù)據(jù)。為了區(qū)分相位，通過在溫度數(shù) 據(jù)之

15、后添加一個大寫字母來表示對應(yīng)的相位。如：數(shù)據(jù) “8.58A ”表示 2 號主變 35 kV 套管側(cè) A 相溫度為 8.58 。這種監(jiān)測數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式能夠更全面更直觀 的給出整個系統(tǒng)的溫度、告警信息，大大提高了監(jiān)測圖的展示效果，具有更好的應(yīng)用價值。圖 6 實時監(jiān)測圖數(shù)據(jù)表現(xiàn)示例溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)4.1 傳感器的安裝 在安裝傳感器時，應(yīng)該以少精準(zhǔn)的原則確定安裝點和安裝數(shù)量。因此傳感器的安裝數(shù)量與測量的準(zhǔn)確性決定了監(jiān)測系統(tǒng)的效率與可靠性。變電站中隔離開關(guān) 的觸點，電容器與避雷器的接入點都是容易發(fā)熱出現(xiàn)故障的地方；主變與母線長期負(fù)載運行，其套管與接觸點易老化發(fā)熱，而這些設(shè)備都是變電站的關(guān)鍵設(shè)/ 10

16、備，都需要進行溫度監(jiān)測。青香變電站在 220 kV 母聯(lián)支路正母與副母的隔離刀閘兩側(cè)、主變支路的 正母隔離刀閘兩側(cè)、主變 220 kV 與 35 kV 套管側(cè)、 220 kV 母線壓變避雷器 接線處、主變 35 kV 的 III 段與 IV 段負(fù)載端等地方的 ABC 三相均安裝了無 線溫度傳感器。同時在上述設(shè)備所在區(qū)域中安裝了溫度傳感器，對環(huán)境溫度進 行監(jiān)測，實現(xiàn)變電站內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備的全面溫度監(jiān)測。數(shù)據(jù)采集與存儲青香 220 kV 無人值守變電站中， 2 號主變處于變電站室內(nèi)，與其他室外設(shè)備 相距較遠(yuǎn)且環(huán)境隔離明顯，因此根據(jù) 2 號主變的環(huán)境特點，劃分出 “2號主變室 內(nèi)區(qū)域 ”監(jiān)測相關(guān)區(qū)域內(nèi)的室

17、內(nèi)設(shè)備。而室外設(shè)備，諸如避雷器、隔離開關(guān)等需 監(jiān)測設(shè)備在地理上分布集中，因此根據(jù)集中型功能性區(qū)域劃分的方式，劃分為 “220 kV 母聯(lián)支路區(qū)域 ”與“2 號主變室外區(qū)域 ”。每個區(qū)域單獨設(shè)置一個數(shù)據(jù)集中器，構(gòu)成星型無線網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)集中器負(fù)責(zé) 收集該區(qū)域內(nèi)所有傳感器節(jié)點的測量數(shù)據(jù)，并通過 RS485 總線將數(shù)據(jù)以報文的 形式傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)存儲服務(wù)接收到數(shù)據(jù)報文后，將溫度數(shù)據(jù)存儲至 服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。在線監(jiān)測平臺部署在青香 220 kV 無人值守變電站主控室的 服務(wù)器上，變電站值班人員在集控中心的電腦上通過 IE 瀏覽器直接登陸變電 站機房部署的在線監(jiān)測平臺，實現(xiàn)變電站設(shè)備溫度的實時監(jiān)測。實時監(jiān)測圖的演示圖 7 為在線監(jiān)測系統(tǒng)的實時監(jiān)測圖中監(jiān)測部分截圖。其中虛線區(qū)域為安裝 有溫度傳感器的設(shè)備區(qū)域，實線區(qū)域表示 2 號主變室內(nèi)環(huán)境；傳感器的安裝點 在圖中使用灰色方塊表示，并在旁邊輔助有文字說明，能夠讓值班人員準(zhǔn)確知 道傳感器的測溫位置。/ 10圖 7 系統(tǒng)實時監(jiān)測圖圖中顯示的數(shù)據(jù)均為對應(yīng)設(shè)備的實時溫度值，大部分?jǐn)?shù)據(jù)均為正常水平，溫度 數(shù)據(jù)均為綠色。其中 “35 kV 套管側(cè)溫度 ”明顯高于其他設(shè)備的溫度與環(huán)境溫 度，達到了 43.4 左