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韓歡慶
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(wǎng)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(shù),難以滿足數(shù)字配電網(wǎng)發(fā)展需求。為有效解決這些問題,實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)感知,設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線測溫系統(tǒng)。該方法采用高壓感應(yīng)取能、基于Zigbee協(xié)議的無線傳輸通信方式,可實現(xiàn)10kV環(huán)網(wǎng)柜關(guān)鍵位置溫度狀態(tài)感知,為智能電網(wǎng)運行維護提供可靠的管理方案。
關(guān)鍵詞:電力物聯(lián)網(wǎng);無線測溫傳感器;感應(yīng)取能;無線傳輸;狀態(tài)感知
0引言
電力設(shè)備在運行中,由于過負(fù)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(wǎng)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(dǎo)致環(huán)網(wǎng)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(jīng)濟的快速增長和配電網(wǎng)規(guī)模的迅速發(fā)展,設(shè)備數(shù)量與種類越來越多,但相關(guān)設(shè)備的智能化程度卻較低,運行和維護的復(fù)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(wǎng)運行的經(jīng)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(wǎng)開關(guān)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(wǎng)開關(guān)柜的巡檢成本高達(dá)327萬,而故障成本高達(dá)120.44萬[2]。因此,實現(xiàn)配電設(shè)備狀態(tài)感知、運行數(shù)據(jù)的自動獲取、故障信息主動預(yù)警,降低運營成本,是落實“數(shù)字南網(wǎng)"的具體舉措。本文設(shè)計了集成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、無線通信等技術(shù),通過在環(huán)網(wǎng)柜電纜頭植入無線測溫傳感器,從而實時掌控環(huán)網(wǎng)柜溫度變化趨勢,該方法可以為智能運維提供決策依據(jù),解決環(huán)網(wǎng)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(gòu)設(shè)計,感知層主要包括布置于環(huán)網(wǎng)柜的無線測溫傳感器、數(shù)據(jù)采集終端,負(fù)責(zé)底層數(shù)據(jù)采集和邊緣計算;網(wǎng)絡(luò)層由網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、有線或無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、云計算平臺等組成,負(fù)責(zé)將采集終端的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)安全加密后傳輸給云計算平臺;應(yīng)用層物聯(lián)網(wǎng)與用戶的接口,與用戶的業(yè)務(wù)需求相結(jié)合,實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能化服務(wù)應(yīng)用。
1.1無線測溫硬件架構(gòu)
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(shù)據(jù)采集終端、通信總線或以太網(wǎng)口、工控機、云服務(wù)器和移動應(yīng)用終端等組成。通過傳感器實時采集環(huán)網(wǎng)柜電纜頭位置的溫度,以無線通信形式傳輸給數(shù)據(jù)采集終端,經(jīng)數(shù)據(jù)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(wǎng)接口,將數(shù)據(jù)傳輸工控機,并保存在云服務(wù)器,客戶可通過監(jiān)控主站或移動應(yīng)用客戶端查閱溫度信息。
圖1環(huán)網(wǎng)柜無線測溫系統(tǒng)架構(gòu)
1.2數(shù)據(jù)無線傳輸方案
無線測溫裝置直接測量環(huán)網(wǎng)柜高壓電纜頭關(guān)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(shù)據(jù)傳輸問題,這是本系統(tǒng)設(shè)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(shè)計,傳感器澆注于高壓電纜堵頭中,數(shù)據(jù)采集終端安裝于環(huán)網(wǎng)柜的低壓二次小室,傳感器與數(shù)據(jù)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(wǎng)柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu),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(shù)據(jù)傳輸基于Zigbee協(xié)議,Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的個域網(wǎng)協(xié)議[3-4],基于Zigbee協(xié)議的通訊技術(shù)是一種功耗低、距離較近且簡單易實現(xiàn)的無線通訊技術(shù),能夠很好地應(yīng)用于變配電站內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸。
圖2測溫裝置無線數(shù)據(jù)傳輸原理框圖
如圖2所示,傳感器中集成了無線數(shù)據(jù)傳輸發(fā)射模塊,數(shù)據(jù)采集終端中集成了接收模塊,接收端實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中器的功能,接收、上傳、運算所在范圍內(nèi)溫度傳感模塊的數(shù)據(jù),從而實時、可靠地收集范圍內(nèi)的有效數(shù)據(jù)。該模塊采用樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),具有較強的可擴展性,從而實現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)中的通信功能。
2無線傳感器設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)
2.1微功率感應(yīng)取能傳感器設(shè)計
無線測溫傳感器是利用壓感應(yīng)取能,熱電阻接觸式測溫與無線傳輸技術(shù)原理,實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)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(shù)據(jù)發(fā)射模塊和MCU核心模塊澆注于環(huán)氧樹脂電纜堵頭內(nèi),結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。當(dāng)電纜運行時,在傳感器高壓導(dǎo)電端內(nèi)部產(chǎn)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(jīng)濾波、整流和穩(wěn)壓后為傳感器供能。傳感器電路板設(shè)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(shù)據(jù)經(jīng)無線的方式傳輸給數(shù)據(jù)采集終端,由采集終端完成數(shù)據(jù)采集、處理與運算,并將數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計
傳感器內(nèi)置于經(jīng)環(huán)氧樹脂澆注的電纜堵頭內(nèi),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(shè)計取能裝置時候充分考慮到杜絕間隙放電和介質(zhì)放電的問題。因此,結(jié)構(gòu)設(shè)計方面通過在傳感器電路板外設(shè)計了金屬屏蔽罩,用于均勻內(nèi)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(nèi)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(shè)計采用電壓感應(yīng)取能,傳感器采用低功耗電路設(shè)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(yīng)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(shù)據(jù)能正常測量,280℃時傳感器內(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計和電路設(shè)計根據(jù)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(diào)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(nèi)部,因此如何確保絕緣強度,避免局放產(chǎn)生是設(shè)計的核心要素之一。測溫傳感器優(yōu)化電路板設(shè)計,將所有的器件集成在很小的環(huán)型電路板內(nèi),確保電路板安裝在絕緣堵頭銅金屬件內(nèi),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(chǎn)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(chǎn)生。
3數(shù)據(jù)處理與告警機制
3.1軟件抗干擾設(shè)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(shè)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(shù)據(jù)進行校驗,根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)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(shù)據(jù)和CRC算法進行計算,得到16比特的CRC校驗碼如果和數(shù)據(jù)傳輸部分的CRC吻合,則發(fā)送時沒有出現(xiàn)比特錯誤;若不吻合,則發(fā)送時出現(xiàn)比特錯誤,丟棄該數(shù)據(jù)。防碰撞與無線信道監(jiān)測機制:ZigBee采用的是CSMA/CA(載波多路訪問)的防碰撞機制。送出數(shù)據(jù)前,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(shù)據(jù)。由于每個設(shè)備采用的隨機時間不同,所以可以減少沖突的機會?;蛘咚统鰯?shù)據(jù)前,先送一段小小的請求傳送報文給目標(biāo)端,等待目標(biāo)端回應(yīng)報文后,才開始傳送。
3.2數(shù)據(jù)儲存
數(shù)據(jù)采集終端收到傳感器數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進行分析和存儲。在數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù),在就地或通過后臺顯示溫度值,當(dāng)設(shè)備發(fā)生溫度異?;蛴捎诰€路中的諧波等干擾因素造成誤報,系統(tǒng)將根據(jù)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(biāo)進行分析,發(fā)出報警信號或閉鎖報警。數(shù)據(jù)采集終端針對每個測溫傳感器進行告警設(shè)置,通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)定的閾值進行比較判斷。具體邏輯如圖5所示,當(dāng)狀態(tài)處于正常時,監(jiān)測到數(shù)據(jù)突然超出允許波動范圍,裝置記錄次數(shù),若記錄次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)次數(shù)時,裝置發(fā)出告警信號,否則進入休眠狀態(tài);當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過波動范圍時間持續(xù)達(dá)到時間閾值時,產(chǎn)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(xiàn)場應(yīng)用
本系統(tǒng)經(jīng)過嚴(yán)格的測試,并在廣州某智能配電房項目中開展了掛網(wǎng)運行。該智能配電房內(nèi)安裝12面智能環(huán)網(wǎng)柜,分別由10kV南翔F20與10kV石橋F16進行環(huán)網(wǎng)型供電。在每面開關(guān)柜A、B、C三相電纜頭內(nèi)分別安裝1只無線測溫傳感器,每段母線安裝1套數(shù)據(jù)采集終端,傳感器與數(shù)據(jù)采集終端之間采用Zigbee協(xié)議自組網(wǎng)通信。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)經(jīng)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)侥?**主站,系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。經(jīng)過3個月的掛網(wǎng)試運行和現(xiàn)場測試結(jié)果對比分析,數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確可靠,能在后臺實時掌握環(huán)網(wǎng)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(zhǔn)確掌握開關(guān)柜的運行溫度變化趨勢,運行期間未曾發(fā)生數(shù)據(jù)誤報信息。
5.安科瑞電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)
5.1概述
Acre1-6000電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng),是根據(jù)中心的消防電子產(chǎn)品試驗認(rèn)證,并且均通過嚴(yán)格的EMC電磁兼容試驗,保證了該系列產(chǎn)品在低壓配電系統(tǒng)中的安全正常運行,現(xiàn)均已批量生產(chǎn)并在全國得到廣泛地應(yīng)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(xiàn)對電氣火災(zāi)的早期預(yù)防和報警,當(dāng)必要時還能聯(lián)動切除被檢測到剩余電流、溫度和故障電弧等超標(biāo)的配電回路;并根據(jù)用戶的需求,還可以滿足與AcreIEMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺或火災(zāi)自動報警系統(tǒng)等進行數(shù)據(jù)交換和共享。
5.2應(yīng)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(lǐng)域。
5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
5.4系統(tǒng)功能
1)監(jiān)控設(shè)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(shè)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(shè)備的“復(fù)位"按鈕或觸摸屏的“復(fù)位"按鍵遠(yuǎn)程對探測器實現(xiàn)復(fù)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(dāng)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(shè)備,當(dāng)報警消除后,控制輸出繼電器釋放。
3)通訊故障報警:當(dāng)監(jiān)控設(shè)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(yīng)的探測器顯示故障提示,同時設(shè)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(dāng)主電源或備用電源發(fā)生故障時,監(jiān)控設(shè)備也發(fā)出聲光報警信號并顯示故障信息,可進入相應(yīng)的界面查看詳細(xì)信息并可解除報警聲響。
4)當(dāng)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(shù)據(jù)庫中,當(dāng)報警解除、排除故障時,同樣予以記錄。歷史數(shù)據(jù)提供多種便捷、快速的查詢方法。
5.5配置方案
應(yīng)用場合 | 型號 | 產(chǎn)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(wǎng),壁掛式監(jiān)控主機數(shù)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(guān)量輸入,事件記錄,內(nèi)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(guān)量輸入,事件記錄,內(nèi)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(dǎo)軌式安裝。 | ||
ASCP200-□ | 短路限流保護、過載保護、內(nèi)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(shè)。 | ||
短路限流保護、過載保護、內(nèi)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(shè)。 | |||
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(jié)束語
隨著數(shù)字電網(wǎng)與配電物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,實現(xiàn)配電設(shè)備運行狀態(tài)感知、數(shù)字化以及可觀、可測、可控是配電物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。開關(guān)柜的電連接處溫度過高或者升高過快,對開關(guān)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(yīng)取電測溫技術(shù),具有測量精度高、體積小、抗干擾能力強、成本低,可以更準(zhǔn)確的掌握環(huán)網(wǎng)柜的溫度變化曲線和健康狀況。后續(xù)工作還可以結(jié)合人工智能技術(shù),為運維單位實現(xiàn)智能運維,進一步提高運維工作效率和供電可靠性。
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作者簡介
韓歡慶,女,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向為智能照明控制系統(tǒng)領(lǐng)域。