基于红外测温和无线传输技术的电力设备温度在线监测系统设计

魏可刚，房祥龙，林楚乔，陈厚合

(1.国网吉林省电力有限公司通化供电公司，吉林 通化 134001； 2.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012)

基于红外测温和无线传输技术的电力设备温度在线监测系统设计

魏可刚1，房祥龙1，林楚乔2，陈厚合2

(1.国网吉林省电力有限公司通化供电公司，吉林 通化 134001； 2.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012)

摘要：设计了一种基于非接触式红外测温和GPRS组网的电力设备温度监测系统。采用高精度的非接触式红外温度传感器获取高压电气设备运行时的温度，保证了电气安全，克服了传统接触式测温的不足；采用软件校准的方法，进一步提高红外传感器的测量精度和对不同电气设备温度采集的适应性。采用GPRS组建无线数据传输网络，实现一个控制中心对大范围内电气设备的温度在线监测。设计的分布式温度监测系统，保证了温度监测的准确性和实时性；不需要对高压设备停电就能够完成温度采集终端的现场安装。

关键词：红外测温;无线传输;在线监测;分布式

0引言

高压电气设备是电力系统的重要组成部分，其安全运行是保证电力系统安全和保证供电可靠性的基础。对电气设备的运行状态进行监测，当设备运行状态恶化或异常时，提前有计划的安排检修和更换，是防止非计划停电和防止电力恶性事故的有效手段[1-2]。设备的劣化和缺陷的发展具有统计性，发展的速度也有快有慢，但大多数具有一定的发展期，在这期间会产生各种前期征兆，表现为电气、物理、化学等特性发生少量渐进性的变化。

温度是表征电气设备运行状态的一个重要参数。实际运行经验和理论分析表明，母排、电缆接头处发生的各类故障并不是一个突发的过程，因为设备局部温度不断升高，使绝缘逐步老化、泄漏电流逐渐增加，到达一定程度后再发生击穿，是一个由量变到质变的过程。因此，连续地监测设备温度的变化，就可以掌握其运行状况，根据情况适时进行停电检修。通过电气设备实时在线监测，对电气设备运行状态进行监控和评估，是保证电气设备安全运行的有效手段之一。

国内外对电气设备温度监测进行了大量研究，研制开发了一系列电气设备温度监测系统，主要应用于发电厂、变电站等小的范围内[3-5]；监测模式主要有定期的人工巡监和在线监测方式，目前的在线监测主要采用接触式的温度传感器进行温度变换，这种方式在电气设备电压等级较高时具有一定的安全隐患。也有采用测温光纤、光栅进行温度监测，这种模式现场施工量较大，费用较高。这些接触式的温度监测方式都需要对高压电气设备进行停电后才能够施工安装。采用红外点温仪、红外热成像仪等人工巡监的方式，只适合于对特殊设备进行特定的分析时使用。

本文设计了基于非接触式红外测温和GPRS组网[6]的电力设备温度监测系统。采用高精度的非接触式红外温度传感器获取高压电气设备运行时的温度，采用GPRS组建无线数据传输网络，实现大范围内电气设备的温度在线监测[7-8]。所设计的系统能够在电气设备不间断供电的情况下进行安装施工、能够对各种高压电气设备(如母排、电缆接头、变压器本体等)进行监测；系统具有很强的扩展性。

1系统总体结构设计

系统由现场监测装置(下位机)、无线通信网络、和上位机管理系统组成，采用分布式控制结构，“集中监控,分散采集”的工业控制方式。在各监测区域安装一个温度监测装置，通过连接红外温度传感器监测各监测点的温度。监测装置负责对各监测点温度实时监测，超过警戒温度则自动发送报警信号到集控中心上位机管理系统。上位机管理系统通过无线通信与各监测装置进行数据交互，可实时显示各监测点的温度信息；并对监测的数据进行处理，完成报警、历史运行温度曲线生成、设备状态评估、数据存储、打印报表等功能。系统总体结构如图1所示。

图1　系统总体结构图

2红外温度监测采集终端设计

2.1　采集终端硬件结构设计

红外温度监测采集终端监测装置通红外温度传感器，采集各电缆接头的温度数据并传送到微处理器；微处理器对数据进行处理，当发现接头温度超过设定的温度限值时，控制GPRS模块发送报警信息到上位机；通过GPRS模块无线通信响应上位机的各种命令。根据需要，将某些时刻的温度数据作为历史数据存储并传送至上位机，使得上位机管理系统能够对历史数据进行分析，从而判断电缆接头的运行状态。采集终端监测装置硬件结构图如图2所示。

图2　温度采集单元硬件结构框图

2.2　采集终端软件设计

采集终端的软件采用模块化程序结构设计，软件设计使用C语言进行编程。软件主流程图和命令接收中断流程图如图3(a)、(b)所示。

图3　温度采集单元软件流程图

程序包括以下几个模块。主程序：其主要功能是对微处理器以及外围接口器件进行初始化及程序流向控制等；时间处理子程序：对终端装置进行时间更新和读取时间值；温度采集子程序：采集各监测点温度值，并判断温度是否越限；显示处理子程序：循环显示各路电缆接头温度值，以便于现场观查；通讯接收子程序：接收上位机发送来的各种命令，包括对上位机手机号的设定、温度限值的设定、上位机读取当前温度值等；通讯发送子程序：发送报警信号或根据上位机的命令发送相应数据到上位机。

3上位机管理系统的设计

3.1　上位机管理系统总体结构及功能

上位机管理系统安装在监控中心内，实现对电气设备温度的远程监测、预警、报警与设备运行状态评估，以便更好地防止事故的发生。

软件系统采用VB开发，采用了多线程技术，使数据采集占用独立的线程，避免用户界面操作频繁导致运行缓慢和等待。数据库使用关系型数据库管理系统SQL Server 2000。上位机管理系统功能框图如图4所示。

图4　上位机管理系统功能结构图

3.2　设备运行状态评估方法

设备运行状态评估采取温度变化趋势、温升速率和三相温度差分析相结合的综合评估方法。

当监测的电气设备温度超过运行温度允许值时，进行及时报警，以便运行人员对设备采取措施避免事故的发生外，对非报警的监测设备采取运行状态评估，找出隐患并在停电检修时加以解决，这样提高了设备的运行可靠性和检修的针对性。

评估方法采用同线路三相接头温度差分析法和综合评判分析法。正常情况下，同线路三相电流有效值大小基本一致，三相各设备运行参数相同，所以同一电气位置的三相设备温度应基本一致。若其中某个设备温度明显偏高(一般认为高5 ℃-10 ℃以上)，则可认为该设备存在质量问题，应予以关注。

3.3　基于地理信息系统的设备监测管理

地理信息系统(GeograPhical Information Systetn，GlS) 是在计算机硬件、软件系统支持下，对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析和可视化表达的信息处理与管理系统。它作为一种先进的计算机技术，能够把图形管理系统和数据管理系统有机地结合起来。

本系统针对电力设备地理位置分散的特点，将GIS技术应用到上位机管理系统的功能开发和实现中，使运行人员基于电缆、电缆接头、箱式变压器母线及主变压器等分布地理信息图更直观的管理和监视。同时有利于事故的快速定位和处理。

4现场应用

该系统在某电力公司安装运行，对箱式变压器母排、电力电缆、电缆接头进行温度监测。通过现场安装调试及运行，表明该系统能够对多种电气设备进行温度实时在线监测；能够准确监测各设备的运行温度；系统在增加监控点时灵活方便。系统运行稳定可靠。如图5所示现场应用。

图5　现场应用

5结论

本文设计了基于非接触式红外测温和GPRS组网的电力设备温度监测系统。系统由温度监测终端、通信网络、上位机管理系统组成。所设计的系统能够实现大范围、多类型电气设备的温度实时在线监测，能够达到设备运行温度越线报警、设备运行状态评估、历史数据存储以及打印报表等功能。所设计的系统现场安装方便，扩展性强。

参考文献

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[7]王振浩，杜长军，李国庆，等.城区电力电缆接头温度在线监测与分析系统[J].电气应用，2010,29(01)：24-26.

[8]陈厚合，徐双，李国庆，等.直流调制对电力系统小扰动稳定性影响分析[J].东北电力大学学报，2011，31(4)：54-60.

The Design of Online Monitoring System for Power Equipment Based on Infrared Temperature Measurement and Wireless Transmission Technology

WEI Ke-gang1，FANG Xiang-long1，LIN Chu-qiao2，CHEN Hou-he2

(1.Tonghua power supply company,State grid Jilin electric power company limited,Tonghua 134001,Jilin;2.School of Electrical Engineering,Northeast Dianli University,Jilin Jilin 132012)

Abstract：This paper designs a power equipment temperature monitoring system based on non-contact infrared temperature measurement and GPRS networking.The high precision non-contact infrared temperature sensor is used to obtain the temperature of high voltage electrical equipment,which can ensure the electrical safety and overcome the shortcomings of traditional contact temperature measurement,and using the method of software calibration to improve the accuracy of infrared sensor and the adaptability of different electrical equipment.GPRS is used to set up wireless data transmission network,to achieve online monitoring of a large range of electrical equipment in a control center.Distributed temperature monitoring system is designed to ensure the accuracy and real-time performance of the temperature monitoring,and could complete the installation of temperature acquisition terminal without power failure of the high voltage equipment.

Key words：Infrared temperature measurement;Wireless transmission;On-line monitoring;Distributed

中图分类号：TM932

文献标识码：A

文章编号：1005-2992(2015)06-0017-04

作者简介：魏可刚(1975-)，男，吉林省通化市人，国网吉林省电力有限公司通化供电公司工程师，主要研究方向：输变电设备运行检修和运行状态监测.

基金项目：国网吉林省电力有限公司2015年科技发展计划项目(15GNZ0389)

收稿日期：2015-09-12