基于PI實時數(shù)據(jù)庫的變電站無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

孫富連，章 璋

（1.華北電力大學(xué)，北京 102206；2.國網(wǎng)浙江省電力公司培訓(xùn)中心湖州分中心，浙江 湖州 313000）

0 引言

變電站是電力系統(tǒng)的重要節(jié)點，變電站設(shè)備的運行情況直接關(guān)系到整個電網(wǎng)的安全運行。在設(shè)備的長期運行中，變電站內(nèi)的母排、隔離開關(guān)、高壓開關(guān)柜、斷路器與電纜的連接部位由于過載、接觸不良、觸頭老化會引起接觸電阻過大而發(fā)熱，如果這些發(fā)熱部位的溫度無法監(jiān)測、設(shè)備得不到及時檢修，可能會因溫升過高而發(fā)生燒毀等嚴(yán)重事故。因此，為了保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，必須對運行設(shè)備的溫度進(jìn)行監(jiān)視和測量。傳統(tǒng)的變電站設(shè)備紅外測溫方式，如定期采用紅外熱成像儀遠(yuǎn)距離測量或人工觀察連接部位的測溫蠟片，均不能滿足全面系統(tǒng)地實時監(jiān)測、實時告警和即時處理的要求。

國網(wǎng)德清縣供電公司多年來一直按周期開展變電站設(shè)備紅外測溫工作，實現(xiàn)了對運行設(shè)備溫度的周期監(jiān)視和測量，但是也暴露出以下問題：

（1）傳統(tǒng)溫度測量采用的紅外線熱像儀和測溫蠟片方式存在精度低、實時性差的問題。

（2）目前在變電站中大量采用35kV和10kV封閉式開關(guān)柜，開關(guān)柜內(nèi)的設(shè)備不易巡視、測溫困難，無法及時發(fā)現(xiàn)、消除發(fā)熱事故隱患，形成監(jiān)控盲區(qū)。

（3）傳統(tǒng)的定期紅外測溫制度容易造成同一設(shè)備無法形成連續(xù)的溫度歷史記錄，也沒有條件進(jìn)行設(shè)備發(fā)熱趨勢分析，無法滿足設(shè)備狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)運行數(shù)據(jù)積累要求。

（4）隨著縣局輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修、設(shè)備全壽命周期管理工作的開展，運行設(shè)備的信息采集量越來越大、要求越來越高，人工工作量大，人工成本很高。

針對上述情況，有必要采取更準(zhǔn)確、覆蓋面更廣、更容易監(jiān)測及管理的新方式。無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)變電站設(shè)備溫度管理，及時發(fā)現(xiàn)及消除設(shè)備發(fā)熱隱患，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，提高設(shè)備的健康水平。鑒于紅外測溫的管理現(xiàn)狀，開發(fā)設(shè)計了基于PI實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)的變電站無線測溫系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)簡介

變電站設(shè)備無線測溫在線監(jiān)測主要通過在開關(guān)柜內(nèi)的設(shè)備、主變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電容器、低壓大電流電纜、保護裝置等設(shè)備上安裝無線溫度傳感器，對變電站設(shè)備連接部位的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比對和查詢分析，實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)視。

1.1 設(shè)計思路

系統(tǒng)采用2.4GHz數(shù)字無線技術(shù)，由無線溫度傳感器和無線數(shù)據(jù)傳輸基站組成無線溫度測量模塊，由站控主機分析處理采集數(shù)據(jù)后報警和顯示，同時將需要的數(shù)據(jù)通過光纖上傳遠(yuǎn)方，數(shù)據(jù)存儲采用PI數(shù)據(jù)庫，并基于PI系統(tǒng)軟件進(jìn)行開發(fā)，建立統(tǒng)一的管理平臺，實現(xiàn)運行設(shè)備實時溫度/歷史數(shù)據(jù)曲線生成、變化趨勢分析、實時報警、報警記錄查詢、日報表等功能。

1.2 功能配置

（1）變電設(shè)備溫度和溫升實時數(shù)據(jù)采集和顯示，將溫度傳感器直接置于發(fā)熱處（直接接觸式測溫），在設(shè)備附近配置無線數(shù)據(jù)傳送基站，接受無線溫度傳感器發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)將所有溫度數(shù)據(jù)實時傳輸至站控主機，實現(xiàn)站級溫度實時監(jiān)測。

（2）通過現(xiàn)有變電站光纖通信網(wǎng)絡(luò)，將所有實時數(shù)據(jù)傳輸至主站PI系統(tǒng)，利用PI系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)設(shè)備溫度在線監(jiān)測和分析，形成溫度實時曲線并具有超溫告警功能，顯示實時報表、統(tǒng)計報表、趨勢圖、日報表、波形圖等，畫面直觀清晰。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 PI實時數(shù)據(jù)庫

PI實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是由美國OSI Software公司開發(fā)的基于C/S的商品化軟件應(yīng)用平臺，能以數(shù)據(jù)原形的方式在線存儲動態(tài)數(shù)據(jù)。目前國網(wǎng)德清縣供電公司PI數(shù)據(jù)庫存儲了電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)、電能量采集系統(tǒng)等大量數(shù)據(jù)，可根據(jù)需要通過PI客戶端工具取用所需數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)就是利用PI-Process Book獲取所需的實時及歷史數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對變電站設(shè)備溫度的監(jiān)測。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國際上備受關(guān)注的多學(xué)科交叉的新興前沿研究熱點，是由大量部署在監(jiān)控區(qū)域的智能節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)，廣泛運用于環(huán)境監(jiān)控、工業(yè)應(yīng)用、交通控制等領(lǐng)域。

本系統(tǒng)采用的無線傳感器方案有以下特點：

（1）通信距離：一般的微功耗無線溫度傳感器由于功耗限制而難以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)在基站側(cè)采用了高增益天線，實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離通信（大于200 m）。

（2）傳感器的電池使用壽命：系統(tǒng)采用DWT100-WS100無線溫度傳感器，其使用壽命可達(dá)10年以上。

（3）高效率的無線路由算法：高效、可靠的路由算法是所有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的技術(shù)難題。本系統(tǒng)采用一級路由轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)、智能間歇搜索技術(shù)、動態(tài)鏈接技術(shù)，可保證網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)調(diào)工作。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

變電站無線測溫系統(tǒng)由站端數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)、主站監(jiān)控報警系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 變電站無線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 終端數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)

終端數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)由管理中心（控制主機）、數(shù)據(jù)傳輸基站和無線溫度傳感器組成。無線溫度傳感器定時測量監(jiān)測點的運行溫度，環(huán)境溫度傳感器自動測量環(huán)境溫度，這些溫度數(shù)據(jù)通過2.4GHz無線信道傳輸?shù)交具M(jìn)行保存和記錄。

主機定時通過RS-485總線（或CAN）輪詢各基站，各基站將收到的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C進(jìn)行處理并保存。

主機通過比較設(shè)備與環(huán)境的相對溫升、室內(nèi)與室外大氣的相對溫升，分析可能的過熱情況，發(fā)出預(yù)警信號，提醒管理人員進(jìn)行處理。主機與集控站可以通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，或采用自定義溫度模型按IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信。

3.2 主站軟件應(yīng)用界面

利用PI數(shù)據(jù)庫PI-Process Book軟件進(jìn)行系統(tǒng)界面二次開發(fā)，用戶通過軟件應(yīng)用管理界面，實時監(jiān)測測溫點的運行狀態(tài)，如測溫點越限、彈出告警畫面，歷史數(shù)據(jù)查詢和管理等。

（1）主界面由安裝有溫/濕度傳感器的110kV開關(guān)室、10kV開關(guān)室、蓄電池室、電容器室及電纜層等構(gòu)成。主界面功能包括：實時顯示當(dāng)時的溫/濕度數(shù)據(jù)，溫/濕度越線時，對應(yīng)模擬溫/濕度傳感器元素圖樣變色，并自動在界面上彈出越線報警框，顯示報警越線內(nèi)容。可通過點擊報警預(yù)覽按鈕調(diào)出歷史報警記錄，以便查詢、分析和判斷。主界面如圖2所示。

圖2 變電站無線測溫系統(tǒng)主界面

（2）子界面功能：簡單顯示對應(yīng)室內(nèi)傳感器的大致位置，并通過顏色變化來判斷越線狀態(tài)；表格整體實時直觀顯示室內(nèi)溫/濕度數(shù)據(jù)；點擊標(biāo)簽按鈕，在下方趨勢圖中顯示對應(yīng)測點在當(dāng)時時間及當(dāng)時時間前8 h時間段內(nèi)的趨勢變化；通過在趨勢圖上的操作，可以選取當(dāng)時時間及之前的任意一段時間，查看所選測點的變化情況，以便更好地分析判斷。子界面如圖3所示。

圖3 變電站無線測溫系統(tǒng)子界面

4 功能特點

（1）采用無線溫度測量。無線溫度傳感器與終端傳輸基站之間采用2.4GHz無線信道，不需要在變電站復(fù)雜的電磁環(huán)境下增加額外的二次線纜，體積小，使用壽命長，傳輸距離遠(yuǎn)，采集溫度點多，安裝維護方便，性價比高。

（2）實現(xiàn)連續(xù)在線測溫。無線溫度傳感器每隔1～3 s自動采集監(jiān)測點溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度發(fā)生變化時立即向外發(fā)送。既能實現(xiàn)設(shè)備的歷史溫度變化曲線記錄，又能提高無線溫度傳感器的使用壽命。

（3）多種溫度報警功能。實現(xiàn)高溫報警、超溫報警、溫升報警和組內(nèi)溫差報警（相間溫差）等溫度報警功能應(yīng)用。

（4）實現(xiàn)設(shè)備趨勢分析。能對指定溫度傳感器的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，還提供多個測溫點的比對模式，對溫度變化異常點進(jìn)行預(yù)警，為狀態(tài)檢修積累歷史數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

目前，變電站運行設(shè)備的溫度測量大多采用測溫蠟片和紅外線非接觸測溫，但蠟片只能定性測溫，而且必須通過人工定期巡查，才能根據(jù)不同熔化溫度蠟片的熔化情況確定是否過熱，是否發(fā)生故障。而紅外線非接觸測溫的精度較高，但多數(shù)場合必須以目視方式檢測，使用場合受到很大限制，設(shè)備成本高，實時性差。

數(shù)字無線溫度在線監(jiān)測裝置可實時在線監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)，大大減輕了設(shè)備巡視的頻度，可以提前預(yù)警設(shè)備故障，從而避免故障的發(fā)生和擴散。設(shè)備發(fā)生故障后可以迅速定位故障點，為設(shè)備搶修贏得寶貴時間，從而大大節(jié)省設(shè)備的維修費用和故障的直接、間接損失，有效提升社會滿意度。

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