淺談無(wú)線(xiàn)測溫系統在電廠(chǎng)的研究和應用

摘要：采集關(guān)鍵電力設備接電的實(shí)時(shí)溫度，克服有線(xiàn)溫度監測系統存在的諸如線(xiàn)路多，布線(xiàn)復雜，維護困難等不足，將無(wú)線(xiàn)無(wú)源傳感器與Zigbee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相結合，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)云端與電力自動(dòng)化 技術(shù)相結合，云邊協(xié)同，實(shí)現智能化無(wú)線(xiàn)測溫系統方案。無(wú)線(xiàn)測溫系統具有結構簡(jiǎn)單可靠，擴展性好，布點(diǎn)靈活等特點(diǎn),可以結合行業(yè)深層需求及其他技術(shù)，進(jìn)一步在電廠(chǎng)推廣應用。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)測溫；Zigbee；物聯(lián)網(wǎng)；云端；無(wú)線(xiàn)無(wú)源傳感器

0引言

發(fā)電行業(yè)是個(gè)龐大復雜的工業(yè)生產(chǎn)系統，大量使用中低壓開(kāi)關(guān)柜、高壓電動(dòng)機、變壓器等電氣設備，對自動(dòng)化程度和連續生產(chǎn)的高要求，不僅對其供電可靠性要求越來(lái)越高，而且對發(fā)電行業(yè)系統內關(guān)鍵的配電及高壓電動(dòng)機設備的穩定可靠性也提 出了更高的要求。電氣設備在長(cháng)期運行過(guò)程中，電氣一次模塊觸點(diǎn)和連接等部位因老化或接觸電阻過(guò)大而發(fā)熱，進(jìn)而導致接頭異常升溫甚至引發(fā)燃爆事故。電廠(chǎng)電氣設備安裝密集，電動(dòng)機也都是各工藝段的關(guān)鍵設備，此類(lèi)設備損壞及引起的事故可能會(huì )引發(fā)下游大范圍供電線(xiàn)路或重要用電設備突然 停電,造成巨大的直接和間接經(jīng)濟損失。

近年來(lái)，傳感器及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設備的在線(xiàn)監測，及大數據分析等技術(shù)的快速發(fā)展，結合發(fā)電行業(yè)的特點(diǎn)及需求，新技術(shù)的研究與應用對解決此類(lèi)問(wèn)題提供了新的方案

1關(guān)鍵新技術(shù)的研究

針對上述提出的問(wèn)題，結合溫度傳感器,Zig- bee 無(wú)線(xiàn)傳輸，云應用及大數據分析技術(shù)現狀，提出了多種新技術(shù)的解決方案，并結合實(shí)際需求提出應用方案。

1.1溫度傳感器選擇

傳統的測溫方法包括通過(guò)熱電偶、熱電阻、半導體溫度傳感器等測溫，溫度傳感器與測溫儀之間采用金屬導線(xiàn)傳輸溫度信號。由于溫度傳感器直接安裝于高壓接點(diǎn)、觸點(diǎn)上，其傳輸溫度信號的金屬導線(xiàn)的絕緣性能無(wú)法保證，同時(shí)，對于改造類(lèi)項目，實(shí)施難度較大。目前無(wú)線(xiàn)測溫方法包括感應供電無(wú)線(xiàn)測溫、CT取電測溫、電池供電無(wú)線(xiàn)測溫方式及紅外在線(xiàn)測溫方式。各無(wú)線(xiàn)測溫技術(shù)性能比較如表1所示。

相比其他測溫方式，感應供電測溫具有測溫速度快，周期短,免維護，使用壽命長(cháng)，故障率低等特點(diǎn)。

1.2無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)選用

無(wú)線(xiàn)通信是利用電磁波信號在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式，其中應用較為廣泛及具有較好發(fā)展前景的短距離無(wú)線(xiàn)通信標準有Zigbee,藍牙(Bluetooth)、無(wú)線(xiàn)寬帶(Wi-Fi)、超寬帶(UWB)和近場(chǎng)通信（NFC）。

其中，Zigbee技術(shù)是一種具有低速率、近距離、低功耗、低復雜度、通信可靠、網(wǎng)絡(luò )容量大等特點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。Zigbee協(xié)議由IEEE802.15.4任務(wù)小組與Zigbee聯(lián)盟共同制定，其PHY層和MAC層采用IEEE802.15.4協(xié)議標準，網(wǎng)絡(luò )層由Zigbee聯(lián)盟制定，應用層則允許根據用戶(hù)的應用需求進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

Zigbee有三個(gè)工作頻段,本項目采用的無(wú)源測溫傳感器采用2.4 GHz頻段,該頻段的數據傳輸速率為250 Kbps,其分為16個(gè)信道，目前為全球通用，且免申請免付費。在通信上，采用免沖突多載波信道接入(CSMA-CA)方式，有效避免了無(wú)線(xiàn)電載波間的沖突，并采用密鑰長(cháng)度為128位的加密算法對數據進(jìn)行加密，確保了通信數據的安全保密性。并且，Zigbee設備能耗低，發(fā)射輸出為0~3.6 dBm[3IoZigbee支持星形和網(wǎng)格對等兩種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。實(shí)際應用可將兩種拓撲結構結合，使用混合型網(wǎng)絡(luò )結構，簇樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )結構，其網(wǎng)絡(luò )示意圖如圖1所示。

簇樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )中，采用分布式地址分配方案來(lái)分配網(wǎng)絡(luò )地址,即為每一個(gè)父設備分配一個(gè)有限的網(wǎng)絡(luò )地址段，并由父設備分配給其自身。對于給定深度的節點(diǎn),作為父設備所能分配的自區段地址數為Cskip(d),計算公式為

利用Cskip(d)作為偏移，向子設備分配網(wǎng)絡(luò )地址。父設備為它的第一個(gè)子簇頭設備分配一個(gè)比自己大1的地址，隨后分配給子簇頭設備的地址將以Cskip(d)為間隔，以此類(lèi)推為所有的子簇頭分配地址。

1.3移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與云技術(shù)選用

傳統的系統監控及運行一般以集中式或者分布式的SCADA系統應用為主，并在控制室內由操作員及工程師使用。隨著(zhù)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及智能手機的發(fā)展和應用，通過(guò)傳感器監測到的關(guān)鍵設備的各種實(shí)時(shí)數據也可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸到遠方云服務(wù)器，特別是對于區域廣，布線(xiàn)困難的區段,數據的獲取將會(huì )變得更加方便和容易。其二，傳輸到云服務(wù)器上的數據比起傳統專(zhuān)門(mén)的服務(wù)器存儲，成本更低，可靠性更高，供不同用戶(hù)使用更方便。其三，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸到云服務(wù)器的數據，可以通過(guò)智能手機的APP顯示出來(lái),并通過(guò)不同的功能模塊定制

化實(shí)現。其四，根據不同用戶(hù)的需求和設備使用情況，可以對存儲的數據按照既定算法進(jìn)行數據分析，及早通過(guò)數據對比發(fā)現異常數據，并給予用戶(hù)提示或者告警信息，減少及降低設備故障甚至事故的發(fā)生。

2具體應用方案

常見(jiàn)的兩臺60 MW或者100 MW機組的火電廠(chǎng)，一般使用數百臺中低壓開(kāi)關(guān)柜及使用大量的輔機電動(dòng)機，對開(kāi)關(guān)柜及高壓電動(dòng)機關(guān)鍵部位進(jìn)行智能測溫改造。經(jīng)過(guò)技術(shù)對比,使用無(wú)線(xiàn)無(wú)源“溫度傳感器+Zigbee"溫度監測系統，準確地采集關(guān)鍵設備及設備關(guān)鍵部位的溫度信號，通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)，可以接入既有的光纖通信網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )及數據共享，通過(guò)控制中心的無(wú)線(xiàn)測溫監測系統，實(shí)現溫度信號的實(shí)時(shí)監測，超溫部位及設備定位，超溫報警，保證關(guān)鍵設備壽命及生產(chǎn)連續性，減少及避免潛在事故的風(fēng)險。并且，依靠云服務(wù)及邊緣系統的云邊協(xié)同，實(shí)現了測溫信號的移動(dòng)運維，不僅可以通過(guò)智能手機監測到關(guān)鍵設備的溫度信號，并能 在超溫時(shí)自動(dòng)發(fā)出報警信號，及時(shí)推送到具體負責 人員的智能手機終端，實(shí)現高效的問(wèn)題處理，較大地降低配電柜設備事故風(fēng)險，保證供電可靠性、生產(chǎn)連續性及安全生產(chǎn)。初設應用方案的基本架構如圖2所示。

2.1無(wú)線(xiàn)無(wú)源“溫度傳感器+Zigbee"

經(jīng)過(guò)技術(shù)對比，選定Easergy TH110溫度傳感器,其主要性能參數如表2所示。

Easergy TH110自供電基于網(wǎng)絡(luò )電流，與測量點(diǎn)直接接觸可以確保高性能的、準確的溫度監測。并且,TH110非常小巧不占用空間，便于安裝調試及后期維護。

TH110采用Zigbee節能型通信協(xié)議，Easergy TH110確保有可靠和強大的通信能力，可以用來(lái)創(chuàng )建共享的操作解決方案的圖片及在項目應用中的場(chǎng)景如圖3所示。

建議比較重要的工藝段相關(guān)配電室開(kāi)關(guān)柜及高壓電動(dòng)機都安裝TH110的溫度傳感器，包括各類(lèi)水泵、風(fēng)機、漿液循環(huán)泵、氧化風(fēng)機等區間。

2.2測溫系統架構設計

由于測溫傳感器分布區域廣，數量多，測溫系統架構采用以太網(wǎng)作為主要架構，并可使用既有的視頻監控系統網(wǎng)絡(luò )設備，節省成本及較大地降低施工難度。

——現場(chǎng)的各TH110溫度傳感器通過(guò)Zigbee協(xié)議無(wú)線(xiàn)傳輸到溫度接收裝置。

——溫度接收裝置通過(guò)Modbus RTU通信協(xié)議將溫度信號傳輸到各個(gè)現場(chǎng)的網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)將協(xié)議轉換為Modbus TCP規約，并經(jīng)現場(chǎng)的以太網(wǎng)交換機，通過(guò)光纖通道傳輸到控制中心的工作站中。

——現場(chǎng)的千里眼服務(wù)器也接入通信網(wǎng)絡(luò )，將各TH110的測溫數據上傳到云平臺，以供智能手機的千里眼APP使用。

2.3測溫監測系統SCADA的設計

測溫監測系統SCADA操作員工作站可以置于控制中心內，通過(guò)既有網(wǎng)絡(luò )由現場(chǎng)測溫接收裝置上傳的溫度數據。監測工作站可以通過(guò)簡(jiǎn)潔明了的—次系統，清晰地顯示各監測點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度數據,及各個(gè)區間的具體架構。所有區間測溫傳感器的歷史數據都可以通過(guò)SCADA系統顯示出來(lái)，便于用戶(hù)與常規溫度數據相比較。當傳感器測溫數據高于設定的報警值，SCADA系統會(huì )發(fā)出報警指示給操作員，并可以定位到具體的設備及安裝部位， 方便工程師去現場(chǎng)進(jìn)行查看及風(fēng)險評估，消除潛在故障的風(fēng)險。

2.4云平臺“千里眼"系統的應用

IOT由IT信息技術(shù)和OT運營(yíng)技術(shù)深度融合，千里眼APP系統是物聯(lián)網(wǎng)QT技術(shù)的應用體現之一。圖4為千里眼APP在其他行業(yè)的應用截圖。

設計方案中，通過(guò)既有電力設備關(guān)鍵部位加裝測溫傳感器，獨立測溫SCADA系統及千里眼APP 云邊端協(xié)同應用，實(shí)現設備運行數據的進(jìn)一步透明化,并提高系統管理水平。將電廠(chǎng)內各安裝TH110溫度傳感器的開(kāi)關(guān)柜、變壓器及高壓電動(dòng)機關(guān)鍵部位的溫度數據進(jìn)行處理，為配電設備運行狀態(tài)監 視、運行維護作業(yè)管理和設備資產(chǎn)管理提供“互聯(lián)網(wǎng)+"靈活應用方案。而且，千里眼可以提供報警管理，可以根據嚴重程度區分不同等級的報警，并通過(guò)短信通知用戶(hù)，讓用戶(hù)在獲取報警信息，并可以通過(guò)手機APP確認和記錄報警事件，篩

選和導出報警信息，形成專(zhuān)門(mén)的報告，預防事故及故障的發(fā)生。除了智能手機端顯示溫度型號及提供報警之外，千里眼還可提供資產(chǎn)快查及工單派工的功能，提高用戶(hù)的運維效率及智能化程度。其他行業(yè)的試點(diǎn)應用，監測到了數次設備的異常溫度信號，并且及時(shí)檢修維護，成功避免了重大事故的發(fā)生。

3安科瑞溫度在線(xiàn)監測系統概述

電氣接點(diǎn)在線(xiàn)測溫裝置適用于高低壓開(kāi)關(guān)柜內電纜接頭、斷路器觸頭、刀閘開(kāi)關(guān)、高壓電纜中間頭、干式變壓器、低壓大電流等設備的溫度監測，防止在運行過(guò)程中因氧化、松動(dòng)、灰塵等因素造成接點(diǎn)接觸 電阻過(guò)大而發(fā)熱成為安全隱患，提高設備安全保障，及時(shí)、持續、準確反映設備運行狀態(tài)，降低設備事故率。

Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測溫監控系統通過(guò)RS 485總線(xiàn)或以太網(wǎng)與間隔層的設備直接進(jìn)行通訊，系統設計遵循國際標準Modbus-RTU、Modbus-TCP等傳輸規約，安全性、可靠性和開(kāi)放性都得到了較大地提高。該系統具有遙信、遙測、遙控、遙調、遙設、事件報警、曲線(xiàn)、棒圖、報表和用戶(hù)管理功能，可以監控無(wú)線(xiàn)測溫系統的設備運行狀況，實(shí)現快速報警響應，預防嚴重故障發(fā)生。

3.1應用場(chǎng)所

適合在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)、鋼廠(chǎng)、化工、水泥、數據中心、醫院、機場(chǎng)、電廠(chǎng)、煤礦等廠(chǎng)礦企業(yè)、變配電所等電力設備的溫度監測。

3.2系統結構

溫度在線(xiàn)監測系統結構圖

3.3系統功能

測溫系統主機Acrel-2000T安裝于值班監控室，可以遠程監視系統內所有開(kāi)關(guān)設備運行溫度狀態(tài)。系統具有以下主要功能：

3.3.1溫度顯示

顯示配電系統內每個(gè)測溫點(diǎn)的實(shí)時(shí)值，也可實(shí)現電腦WEB/手機APP遠程查看數據。

3.3.2溫度曲線(xiàn)

查看每個(gè)測溫點(diǎn)的溫度趨勢曲線(xiàn)。

3.3.3運行報表

查詢(xún)及打印各測溫點(diǎn)時(shí)間的溫度數據。

3.3.4實(shí)時(shí)告警

系統能夠對各測溫點(diǎn)異常溫度發(fā)出告警。系統具有實(shí)時(shí)語(yǔ)音報警功能，能夠對所有事件發(fā)出語(yǔ)音告警，告警方式有彈窗、語(yǔ)音告警等，還可以短信/APP推送告警消息，及時(shí)提醒值班人員。

3.3.5歷史事件查詢(xún)

能夠溫度越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析等。

3.4系統硬件配置

溫度在線(xiàn)監測系統主要由設備層的溫度傳感器和溫度采集/顯示單元，通訊層的邊緣計算網(wǎng)關(guān)以及站控層的測溫系統主機組成，實(shí)現變配電系統關(guān)鍵電氣部位的溫度在線(xiàn)監測。

4總結及應用

無(wú)線(xiàn)測溫系統在發(fā)電行業(yè)的應用方案，配套管理系統及千里眼APP提供溫度異常告警、實(shí)時(shí)設備溫度采集、周期性溫度監測及報表、設備狀態(tài)評估等功能，能減少及避免因溫度導致的重大故障的發(fā)生。其次，隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，其他傳感器的應用，從不同角度獲得關(guān)鍵設備及系統的數據，從而更客觀(guān)地進(jìn)行設備及系統監測，可以作為下步研究工作方向之一。而且，智能化、萬(wàn)物互聯(lián)等新技術(shù)的應用， 會(huì )對運維人員的能力及習慣提出更高的要求，智能化系統需要進(jìn)一步提高用戶(hù)的實(shí)際體驗，開(kāi)發(fā)更多更貼近用戶(hù)的功能，比如資產(chǎn)管理，工單處理，故障排除等，得到更多的應用。

參考文獻

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