智能变电站温度监测主站系统的设计与实现

刘 琦 ，程 春 ，吴 健 ，胡 炎 ，邰能灵 ，袁 成

（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）

0 引言

在电力系统中，电力设备的温度变化是一个非常重要的指标，它关系到电力设备能否安全稳定运行[1-2]。在变电站运行过程中，一次设备的电接点由于设备制造、触电氧化、电弧冲击等原因，会导致电接点的接触电阻增大，使其温度上升。当温度上升到一定程度后，设备的机械强度和电气强度将会出现下降，严重时会导致电气设备的短路，甚至造成设备的损毁，严重威胁电网的安全稳定运行。对电气设备的温度进行实时监测，可以帮助值班人员尽早发现问题，消除隐患，确保电力系统的安全运行。

传统的变电站温度监测技术有红外测温法[3]和蜡片法[4]，这些方法都需要人工参与进行设备的检测，容易出现错报、漏报，无法进行长时间测量，监测的准确度和实时性较差。无线测温方式是利用无线网络，如ZigBee无线网络[5-6]，将传感器测量到的温度数据发送到数据接受主机上，实现温度的测量。无线传感器体积小，可以方便地安装在变电站设备的表面，尤其是设备上容易发热出现故障的地方。因此无线传感器能较准确地反映设备运行时的温度信息，并使测量到的温度数据具有很强的实时性。通过观察监控机的监测页面，变电站运行人员能够及时全面的了解变电站内设备的实时温度信息。

本文以某220 kV无人值守变电站为原型，提出了一种无人值守变电站无线温度监测系统设计方案，能够全自动地实现变电站运行设备的实时温度监测与实时温度告警功能。

1 变电站温度监测系统结构

变电站温度监测系统结构如图1所示，根据系统中各功能模块的作用，将整个系统划分为无线测温模块和在线监测模块。

图1 变电站温度监测系统结构图Fig. 1 System structure of temperature monitor system for substation

1）无线测温模块

无线测温模块包含测温网络的结构设计、数据采集与存储的实现。测温网络的无线网络基于ZigBee通讯协议，通过RS485总线将数据传输至控制室主机。数据存储与采集部分说明了设备温度信息存储模型的设计。

2）在线监测模块

在线监测模块基于B/S（Browser/Server）网络结构进行设计[7]，能够有效简化在线监测客户端的接入。在线监测功能通过基于SVG的实时监测图实现。

2 无线测温模块的设计

2.1 无线协议

无线传输协议有很不同的种类。在各类应用中，无线传输协议以蓝牙与ZigBee协议为典型代表，表1给出了蓝牙与ZigBee协议之间的比较。

表1 蓝牙与ZigBee协议比较Table 1 Comparison between Bluetooth and ZigBee

在变电站中，测温传感器的安装数量是不容忽视的问题。本系统虽仅涉及母联支路与1条主变支路，但仍需安装44个测温传感器，如果监视全部2条主变支路、2条负载支路与母联支路，则至少需要安装100个测温传感器，如果再考虑支路末端的分段与其他辅助电气设备，测温传感器的数量将进一步提升。从这个角度出发，使用ZigBee协议能够有效降低测温模块的系统成本。

在无线测温模块中，传输的数据以控制信息、文本数据信息为主体，对通讯速率要求不高，和蓝牙传输相比，ZigBee虽然速率较低，但能够很好地满足该系统的数据传输要求。

同时 ZigBee拥有更好的抗干扰特性并能够支持AES加密技术，保证传输数据的安全。综合以上考虑，ZigBee协议在该温度监测系统的构建中具有更好的经济性和适用性。

2.2 测温网络结构

无线测温模块使用RS485总线来完善无线测温网络中的不足。表2给出了RS485与ZigBee无线协议的特点。

表2 RS485与ZigBee协议比较Table 2 Comparison between RS485 and ZigBee

无线通信具有信号随距离衰减的特性，当进行长距离通信时，需要设立无线中继装置，保证无线信号的有效覆盖。在较大规模的变电站中，被监测设备分布较广，如要保证所有设备的正常监测，将需要大量的无线中继装置来保证无线信号的有效覆盖，无形中增加了系统成本。当出现穿墙的无线传输情形时，将需要更多的无线中继节点。为此考虑加入有线网络来解决这一问题，在图1中，即在变电站测温区域与控制室主机之间使用RS485总线。

在每个ZigBee无线测温网络中，使用星型网络拓扑，便于网络的监控与管理。如果设备数量种类较多时，可以增设中间路由节点，扩展成簇状网络拓扑。并根据一定的方式将温度传感器进行分组，如按照设备类型分组等，能进一步加强网络中传感器的识别与管理，从而能使上述无线测温网络适用于不同规模的测温区域。

当无线网络中的路由节点发生故障时，路由节点的子节点，如终端的温度传感器节点，虽然能够正常采集数据，但是无法将数据传递给网络中的数据集中器。此时可以借助ZigBee的自组网特性，将这些子节点连接到附近其他正常工作的路由节点，通过新的路由节点将测量到的设备温度数据传输到网络协调器中，保证温度数据的连贯性。

2.3 数据模型设计

对于同一个电气设备，可能存在多个温度监测点，在进行传感器ID与设备ID关联时，采用了面向对象的方式进行关联，把被监测设备作为一个对象来看待。以隔离开关为例，由于隔离开关具有两个动触点，因此安装有2个温度传感器分别进行监测，但这两个传感器对应同一个设备，如果进行一一对应，那么在数据转储的时候会出现数据覆盖与丢失，而一对多的结构却违背数据库的关联原则。因此按照传感器的安装位点，将被监测设备进行拆分，分解成多个设备对象，作为程序处理与数据存储的实体，并根据设备是否具有 ABC三相来进行不同设备类型的划分。

图2为220 kV副母刀闸的模型结构，该刀闸母线侧与开关侧的两个动触点附近分别装有无线温度传感器。可以先将该设备分解为“220 kV副母刀闸母线侧”与“220 kV副母刀闸开关侧”两个设备对象。再将每个设备对象对应的三相传感器，设定为设备实体属性。通过以上两层结构，实现同一设备与多个温度传感器的对应，并实现设备模型的通用化。

图2 物理设备的分解Fig. 2 Decomposition of the physical device

3 在线监测平台设计

3.1 监测平台结构

在线监测平台采用B/S（Browser/Server）结构进行设计，即浏览器和服务器结构。B/S结构与传统的C/S（Client/Server）结构相比具有以下优势。

客户端的简化与接入：客户端计算机只需通过浏览器即可访问监测系统，无需安装客户端系统。因此任何接入服务器网络的电脑都能访问监测平台，避免当指定客户端出现不可抗力的故障时，不能进行在线监测的问题。同时，监测平台中使用的用户管理系统，避免了非授权人员对系统的访问，并允许按权限访问系统功能。

多服务器部署与网络接入：在线监测平台能够同时部署在两台或多台服务器上，供不同的用户进行访问。其中不同的服务器还可以接入不同的网络，能够让多个独立网络用户的访问同一资源。

3.2 实时监测图原理

实时监测功能基于 SVG（Scalable Vector Graphics）图形格式的图片来设计。SVG即可缩放矢量图形，是基于可扩展标记语言（XML），具有强动态交互性的图形格式[8-9]，并且是IEC61970中图形交换的标准。在线监测平台的实时监测图是一张基于变电站一次接线图绘制的SVG图片。

实时监测图的温度数据显示需要后台数据服务的支持，图3给出了实时监测图的通信结构。

图3 实时监测图通信结构Fig. 3 Communication structure of real-time monitoring diagram

由图3可知，SVG显示的温度数据全部来源于数据库，WEB平台承担着数据查询与读取的功能。但数据库和SVG两个模块相对独立，当数据从数据库向SVG界面进行传输时，需要将传感器ID和温度信息进行一一对应，即每一条“ID-温度”信息都需要在 SVG模型中查询到对应 ID再进行数据更新。为了提高SVG的数据更新效率，可以在WEB平台的数据读取过程中，对读取的数据按照 SVG需求进行排序。

排序信息以XML配置文件的形式进行描述，图4为XML文件示意图。图中Temperature节点下的equipLabel子节点分别与SVG中的数据节点对应，实现数据的排序。

经过排序之后的数据信息，不需要再按照 ID在SVG模型中进行查询对应，可以将纯数据信息一次性直接存储在SVG模型中。当增加监测设备的数量时，只需要在 Temperature节点下新增一个equipLabel节点，并在SVG图形上增加对应的节点，即可实现新增数据的监测。

SVG所需数据信息通过XML配置文件进行描述，与监测平台和数据库模型无关，便于系统的移植与扩展。移植时，SVG图可以由变电站一次接线图得到，因此只需要修改上述排序配置文件，即可实现系统的移植，使系统具有较好的通用性。

图4 SVG的排序结构图Fig. 4 Structure of reordering in XML file for SVG

3.3 实时监测图数据表现

实时监测图的数据表现直接影响监测效果的直观性与准确性。图5为实时监测图的初期效果（图中的数据为测试数据，并非现场数据）。

图5实时监测图数据表现初期效果Fig. 5 The earlier version of the example of data lay-out in real-time monitor diagram

图5 中，灰色方块表示无线测温传感器，传感器附近文字标注了对应传感器的安装位置，带颜色的数据表示设备温度信息。当设备温度处于正常范围时，用绿色表示温度正常；当温度超过预警阈值而低于告警阈值时，用紫色表示温度预警；当温度超过告警温度阈值时，用红色表示温度告警。

考虑到实时监测图的传输数据量，只传输一组处理后的数据，即三相平均值或三相最大值，进行温度的显示与监测。这一设计虽然传输数据量变少，但是存在信息不完整的问题。

使用平均值显示时，当某一相温度过高，如A相，而另外两相温度正常时，由于加权平均的效果，会让显示的平均温度处在温度告警的区间之外，但实际上A相温度可能达到了告警温度，而监测系统却不能正确给出告警。使用最大值时，能够让变电站监测人员准确了解设备的预警和告警信息，但是这种显示方式无法体现各个相序的温度数据，必须再借助其他方式进行查询。同时，当有两相或三相温度同时出现异常时，监测画面只能显示故障最严重的一相，故障信息出现严重缺失。上述方式都大大降低了实时监测图的功能效果。

图6为完整信息的实时监测图数据表现（图中的数据为测试数据，并非现场数据），监测图同时显示了三相的温度数据。为了区分相位，通过在温度数据之后添加一个大写字母来表示对应的相位。如：数据“8.58A”表示2号主变35 kV套管侧A相温度为8.58 ℃。这种监测数据表现形式能够更全面更直观的给出整个系统的温度、告警信息，大大提高了监测图的展示效果，具有更好的应用价值。

图6 实时监测图数据表现示例Fig. 6 Example of data lay out in real-time monitor diagram

4 温度在线监测系统实现

4.1 传感器的安装

在安装传感器时，应该以少精准的原则确定安装点和安装数量。因此传感器的安装数量与测量的准确性决定了监测系统的效率与可靠性。变电站中隔离开关的触点，电容器与避雷器的接入点都是容易发热出现故障的地方；主变与母线长期负载运行，其套管与接触点易老化发热，而这些设备都是变电站的关键设备，都需要进行温度监测。

青香变电站在220 kV母联支路正母与副母的隔离刀闸两侧、主变支路的正母隔离刀闸两侧、主变220 kV与35 kV套管侧、220 kV母线压变避雷器接线处、主变35 kV的III段与IV段负载端等地方的 ABC三相均安装了无线温度传感器。同时在上述设备所在区域中安装了温度传感器，对环境温度进行监测，实现变电站内关键设备的全面温度监测。

4.2 数据采集与存储

青香220 kV无人值守变电站中，2号主变处于变电站室内，与其他室外设备相距较远且环境隔离明显，因此根据 2号主变的环境特点，划分出“2号主变室内区域”监测相关区域内的室内设备。而室外设备，诸如避雷器、隔离开关等需监测设备在地理上分布集中，因此根据集中型功能性区域划分的方式，划分为“220 kV母联支路区域”与“2号主变室外区域”。

每个区域单独设置一个数据集中器，构成星型无线网络。数据集中器负责收集该区域内所有传感器节点的测量数据，并通过RS485总线将数据以报文的形式传输至数据服务器，数据存储服务接收到数据报文后，将温度数据存储至服务器数据库中。

在线监测平台部署在青香220 kV无人值守变电站主控室的服务器上，变电站值班人员在集控中心的电脑上通过 IE浏览器直接登陆变电站机房部署的在线监测平台，实现变电站设备温度的实时监测。

4.3 实时监测图的演示

图7为在线监测系统的实时监测图中监测部分截图。其中虚线区域为安装有温度传感器的设备区域，实线区域表示2号主变室内环境；传感器的安装点在图中使用灰色方块表示，并在旁边辅助有文字说明，能够让值班人员准确知道传感器的测温位置。

图7 系统实时监测图Fig. 7 Overview of real-time monitoring diagram

图中显示的数据均为对应设备的实时温度值，大部分数据均为正常水平，温度数据均为绿色。其中“35 kV套管侧温度”明显高于其他设备的温度与环境温度，达到了43.4 ℃左右，满足了温度预警的条件，因此温度数据变成了紫色，区别正常工作时的颜色效果。如果温度继续升高，温度数据将变成红色，并进行温度告警。

2号主变当前处于工作状态，并向35 kV的III段与IV段负载进行供电，所有负载电流全部经过2号主变，因此在2号主变的低压侧出现了较大的负载电流，根据 Q=I2R，因此低压侧的套管部分发热量较大，使设备温度相对较高，因此产生了上述的温度预警。此温度预警能够有效提示变电站的值班人员来密切监视该设备的运行情况，避免事故的发生。

5 结语

变电站无线测温系统在线监测系统能够有效的提高变电站的智能化水平，减少了人工参与所造成的误判，并且使得监测系统具有很好的实时性。

本文提出了一种变电站无线温度监测系统的设计方案。系统使用ZigBee协议，有效降低了系统的构建成本。该无线网络对变电站测温区域规模具有较好的适应性，数据平台可扩展性与通用性强。该系统已在某无人值守变电站试运行，效果良好。

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