变电站无线温度监测系统设计与实现

第３１卷第２期２　０　１　３年２月水　电　能　源　科　学Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　ＰｏｗｅｒＶｏｌ．３１Ｎｏ．１３Ｆｅｂ．２　０　１　３文章编号：１０００－７７０９（２０１３）０２－０２０７－０５变电站无线温度监测系统设计与实现朱　文１，袁　成２，张　甦２，孟　晓１，胡　炎１，邰能灵１（１．上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海２００２４０；２．上海市电力公司超高压输变电公司，上海２０００６３）摘要：为实现对变电站设备关键部位的温度全天候实时自动采集和告警，采用无线通信技术，设计了一套变电站无线温度监测系统。

数据采集模块利用基于ＺｉｇＢｅｅ无线通信协议和Ｍｏｄｂｕｓ总线通信协议的通信网络将传感器采集到的数据传入工控机中，数据存储与告警模块负责对不同类型的数据分析归类并对其进行合理的建模，数据应用模块通过客户端将温度与告警信息展示。

该系统已在变电站现场成功运行，验证了系统设计的合理有效性。

关键词：变电站；温度监测系统；无线通信；数据建模；ＺｉｇＢｅｅ协议；温度告警中图分类号： 文献标志码：Ａ收稿日期：２０１２－０７－０９，修回日期：２０１２－０７－３１作者简介：朱文（１９８８－），男，硕士研究生，研究方向为电力系统保护与控制，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｕｗｅｎ１２３＠ｓｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ通讯作者：邰能灵（１９７２－），男，教授、博导，研究方向为电力系统继电保护及智能电网输配电技术，Ｅ－ｍａｉｌ：ｕｌｔａｉ＠ｓｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 为保证电力系统的安全稳定运行，降低由于设备温度过高造成的生产和经营损失，对变电站关键和易于发热的设备温度进行实时监测十分必要。

传统方法有远红外测温法［１］、温蜡片法［２］等，其中远红外测温法效果最好，但成本高，需人工进行检测，而温蜡片法测温也需人工定期巡视蜡片的颜色以判断温度，这两种方法显然无法满足自动测温的需求。

近年来，随着微机技术和网络技术的发展，变电站温度监测技术也在不断发展，但大多着力于某一模块的改进，缺乏对其系统性和后续扩展性等考虑［３，４］。

鉴此，本文设计了一种新型的自动化程度高、全天候实时监测、扩展性强的无线测温系统，可实现对变电站关键设备的温度进行全自动、全天候实时监测，并在异常时发出告警。

!　系统框架构建了一个包含数据采集、传输、存储和处理的温度告警系统，并充分考虑了各模块的扩展性，便于系统后续功能的增加和改进。

综合运用多种先进技术手段，包括ＺｉｇＢｅｅ无线通信技术、Ｍｏｄｂｕｓ总线通信技术、内存库技术、Ｗｅｂ技术等，构建了变电站无线温度监测系统，见图１。

"　数据采集模块该模块是温度监测系统的基础，系统正常运行依赖于数据采集模块所采集的数据。

因此，数图１　系统框架图Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ据采集模块选用合适温度传感器及合理设计测温点和数据传输方式等，以保证数据采集的实时性、可靠性及扩展性。

"$!　温度传感器温度传感器的性能直接决定了系统的测量精度、可靠性和稳定性。

本系统（图２）采用的无线温度传感器是由数字式温度传感器、控制电路、无线通信接口和高性能电池组成，温度测量范围－５０．０～１２５．０℃，测量精度０．５℃，分辨率０．００７　８℃，满足变电站温度测量的精度与范围的要求。

同时，其使用年限超过８年，具备电量告警功能，当电池电压过低时告警，提示及时更换电池。

图２　温度传感器系统原理图Ｆｉｇ．２　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ"$"　测温点布置温度传感器安装于变电站中各关键和易于发热设备的表面，主要包括变压器、断路器、隔离开关、主变／换流变汇控柜、高压电缆接头、高压开关柜动静接头等。

同时，还需对变电站的环境温度进行监测，以作为后续告警的参考值。

表１为本系统布置于某变电站中＃２主变２２０ｋＶ开关Ｃ相的测温点。

由表可看出，测温点分三大类：①带电流型测温点。

测温点的温度受电流影响较大，需综合考虑电流的影响，如主变２２０ｋＶ套管侧的测温点；②无电流型测温点。

测温点无电流或受电流影响可忽略的测温点，如主变２２０ｋＶ侧避雷器的测温点；③环境温度测温点。

该设备周围环境的温度监测点，如主变开关Ｃ相采集箱内的测温点。

表１　＃２主变２２０ｋＶ开关Ｃ相的测温点Ｔａｂ．１　Ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ｉｎ＃２Ｃ　ｐｈａｓｅ　ｍａｉｎ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　２２０ｋＶ　ｓｗｉｔｃｈ测温点类型传感器安装点带电流型主变２２０ｋＶ套管侧Ａ相主变２２０ｋＶ套管侧Ｂ相主变２２０ｋＶ套管侧Ｃ相２２０ｋＶ副母刀闸Ａ相开关侧２２０ｋＶ副母刀闸Ｂ相开关侧２２０ｋＶ副母刀闸Ｃ相开关侧２２０ｋＶ副母刀闸Ａ相母线侧２２０ｋＶ副母刀闸Ｂ相母线侧２２０ｋＶ副母刀闸Ｃ相母线侧主变开关进线端Ａ相主变开关进线端Ｂ相主变开关进线端Ｃ相无电流型主变２２０ｋＶ侧避雷器Ａ相主变２２０ｋＶ侧避雷器Ｂ相主变２２０ｋＶ侧避雷器Ｃ相环境温度型＃２主变开关Ｃ相采集箱内"$#　数据传输由于测温点分布于变电站易于发热的关键设备，致使温度传感器的布置非常分散，若采用有线方式收集温度传感器的数据将导致布线异常复杂，同时布线环境也非常恶劣；若采用无线方式汇总传感器数据，则需考虑通信的可靠性、能耗和成本等问题。

对此，本文采用低功耗、高可靠性、低成本且易于组网的ＺｉｇＢｅｅ无线通信协议构建无线传感器网络［５，６］，以简化现场布线、降低维护难度。

同时，布置数据集中器解决基于ＺｉｇＢｅｅ的无线通信距离较短的问题。

数据集中器通过基于Ｍｏｄｂｕｓ协议的ＲＳ４８５总线进行通信，将采集到的温度数据完整及时有效地传输到工控机上。

图３为采集模块的数据采集传输示意图。

本系统数据传输可分为无线传输和总线通信两部分。

（１）基于Ｚｉｇｂｅｅ的无线传感器网络。

无线传输部分是基于ＺｉｇＢｅｅ通信协议的无线传感器网图３　数据采集模块示意图Ｆｉｇ．３　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ络。

采用ＺｉｇＢｅｅ通信协议相比于蓝牙等其他无线通信协议有较多显著的优点［５～７］：①功耗很低，传感器可在非工作状态时休眠，大大延长了电源的使用时间和传感器寿命。

②高可靠性和安全性保证了数据的完整和安全。

③较大的网络容量为系统新的温度节点扩展提供了方便。

④高频通信信号侵入电气设备并不会引起电能质量的恶化，因此可在电力系统中安全使用。

但基于ＺｉｇＢｅｅ的无线通信传输路径在有遮挡物时，通信距离将大大降低，因此本系统在测温点的集中分布的几个区域设置数据集中器用于接收该区域的传感器数据。

这样，分散于各个测温点的传感器和用于接收传感器数据的数据集中器就构成无线传感器网络，而这些传感器和数据集中器就是无线传感器网络的节点。

同时，系统为各个传感器分配ｉｄ，每个传感器ｉｄ由所对应的数据集线器编号和自身的编号组成。

数据集中器仅采集自身所对应的传感器数据，保证了数据的无重复性。

ｉｄ设计保留了大量的地址，可供系统后续的测温点扩展使用。

传感器周期性地将数据传送至数据集中器，数据包括温度、时间和传感器的ｉｄ。

另一端，工控机则周期性与数据集中器进行通信，将数据传送到工控机中。

（２）基于Ｍｏｄｂｕｓ的总线通信。

工控机与数据集中器的通信是基于实时性优越的和侦错能力强的Ｍｏｄｂｕｓ协议的ＲＳ４８５串口总线通信［８］。

工控机作为主机，多个数据集中器作为从机，波特率为２　４００ｂｐｓ。

软件上，通讯分为下行通讯和上行通讯：下行通讯，即工控机向无线数据集中器请求信号；上行通讯，即无线数据集中器向工控机发出应答信号。

每过一个周期，工控机进行一次请求，若请求被无线数据集中器接受并校检成功，则进行应答；若应答被工控机接收并校验成功，则完成一次通讯，数据完成采集。

两个工序中，任何一次失败，则本通讯失败，系统等待到下一周期重新重复上述通讯过程。

#　数据存储与告警处理模块该模块是系统和数据加工的核心，可整合与·８０２·水　电　能　源　科　学 ２０１３年第３１卷第２期朱　文等：变电站无线温度监测系统设计与实现处理采集获得的数据，并为后续的数据应用模块提供强大的支持。

图４为数据存储与告警处理模块的示意图。

图４　数据存储与告警处理模块Ｆｉｇ．４　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｄａｔａ　ｓｔｏｒａｇｅ　ａｎｄａｌａｒｍ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｍｏｄｕｌｅ数据存储与告警模块主要功能为：①存储功能。

对实时数据建模并将其存储于数据库中，也包括告警处理后产生的告警信息。

②告警处理功能。

对实时数据进行告警建模，并及时判断数据是否符合设定的告警条件。

合理设计前置采集数据建模、数据告警处理建模功能和数据库的设计及发挥不同数据库的优点是数据存储与告警处理模块设计的关键。

#$!　前置采集数据建模与实时数据库前置采集数据建模即是对采集模块等获取的实时数据进行建模（图５），以便于数据库对其进行存储管理和处理。

工控机采集的数据包括温度数据、从变电站控制室获取的电流数据及浮动变化的阈值数据。

这些数据进入实时数据库前，需通过前置模块的处理，对不同数据进行整合与建模，以便后续处理和存储，提高系统的效率和准确率。

图５　前处理数据建模Ｆｉｇ．５　Ｄａｔａ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ｐｒｅ－ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｍｏｄｕｌｅ进入前置处理建模的数据有温度数据、电流数据及为后续告警所设置的阈值及阈值分析数据等数据类型。

根据系统对测温点的分类，将数据整合为三种类型：①带电流型。

其特点具有温度、电流、阈值、带电流阈值、阈值平均值、带电流阈值平均值等数据，如表１中的＃２主变２２０ｋＶ套管侧Ａ相数据。

②无电流型。

其特点具有温度、阈值、阈值平均值等数据。

与带电流型数据的区别在于无电流和带电流阈值的数据，如表１中的＃２主变２２０ｋＶ侧避雷器Ａ相数据。

③环境温度型。

其特点具有温度数据，而无电流、阈值、带电流阈值、阈值平均值等数据，如表１中的＃２主变开关Ｃ相采集箱内数据。

本系统中仅有室内和室外两个环境温度值。

数据按设定类型建模后，将被存储入实时数据库中。

实时数据库以“电压等级－间隔－设备－模拟量”四级层级结构存储数据，如“２２０ｋＶ－＃２主变２２０ｋＶ侧－＃２主变２２０ｋＶ套管侧－Ａ相”，见图６。

建模好的数据按传感器ｉｄ所对应的“电压等级－间隔－设备－模拟量”四级层级结构存入数据表中，结构清晰，保证每个数据均由唯一对应的存储字段，提高了系统的扩展性。

系统新增加一个测温点，仅需在数据表中增加对应的设备及模拟量即可。

同时，实时数据库就是一个内存数据库，快速的读写能力和并行操作处理能力满足了系统实时性的要求［９］。