電力設(shè)備在運(yùn)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(shí)有發(fā)生。由于電纜頭制作工藝問題,10kV環(huán)網(wǎng)柜在運(yùn)行中可能會(huì)因電纜頭發(fā)熱進(jìn)而引起局部放電或絕緣老化,可能會(huì)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(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)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(yùn)行和維護(hù)的復(fù)雜度也越來越高。傳統(tǒng)的運(yùn)維方式費(fèi)時(shí)、費(fèi)力,無法保證配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性,因而單一依賴于傳統(tǒng)的人工運(yùn)維模式難以滿足未來發(fā)展需求。蘇東、馬仲能等人對(duì)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(gè)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(shí)現(xiàn)配電設(shè)備狀態(tài)感知、運(yùn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)獲取、故障信息主動(dòng)預(yù)警,降低運(yùn)營(yíng)成本,是落實(shí)“數(shù)字南網(wǎng)"的具體舉措。本文設(shè)計(jì)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(cè)溫傳感器,從而實(shí)時(shí)掌控環(huán)網(wǎng)柜溫度變化趨勢(shì),該方法可以為智能運(yùn)維提供決策依據(jù),解決環(huán)網(wǎng)柜電纜頭測(cè)溫難題。
1無線測(cè)溫系統(tǒng)解決方案
無線測(cè)溫系統(tǒng)按三層架構(gòu)設(shè)計(jì),感知層主要包括布置于環(huán)網(wǎng)柜的無線測(cè)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(jì)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(jì)算平臺(tái)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(jì)算平臺(tái);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(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能化服務(wù)應(yīng)用。
1.1無線測(cè)溫硬件架構(gòu)
無線測(cè)溫監(jiān)控硬件系統(tǒng)主要由測(cè)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(jī)、云服務(wù)器和移動(dòng)應(yīng)用終端等組成。通過傳感器實(shí)時(shí)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(yùn)算分析后在本地顯示測(cè)量溫度值,同時(shí)通過RS48總線或以太網(wǎng)接口,將數(shù)據(jù)傳輸工控機(jī),并保存在云服務(wù)器,客戶可通過監(jiān)控主站或移動(dòng)應(yīng)用客戶端查閱溫度信息。
圖1環(huán)網(wǎng)柜無線測(cè)溫系統(tǒng)架構(gòu)
1.2數(shù)據(jù)無線傳輸方案
無線測(cè)溫裝置直接測(cè)量環(huán)網(wǎng)柜高壓電纜頭關(guān)鍵位置溫度,長(zhǎng)期處于高壓磁場(chǎng)中,既要解決電磁干擾問題,同時(shí)需解決絕緣以及數(shù)據(jù)傳輸問題,這是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。為解決上述問題,本測(cè)溫系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),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(chǎng)的干擾,同時(shí)便于今后運(yùn)行與維護(hù)。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(gè)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(jiǎn)單易實(shí)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(cè)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中器的功能,接收、上傳、運(yùn)算所在范圍內(nèi)溫度傳感模塊的數(shù)據(jù),從而實(shí)時(shí)、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(qiáng)的可擴(kuò)展性,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)中的通信功能。
2無線傳感器設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)
2.1微功率感應(yīng)取能傳感器設(shè)計(jì)
無線測(cè)溫傳感器是利用壓感應(yīng)取能,熱電阻接觸式測(cè)溫與無線傳輸技術(shù)原理,實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜電纜頭的溫度實(shí)時(shí)采集。測(cè)溫傳感器是將測(cè)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(jì)如圖3所示。當(dāng)電纜運(yùn)行時(shí),在傳感器高壓導(dǎo)電端內(nèi)部產(chǎn)生交變電場(chǎng),由金屬屏蔽罩和電纜芯線之間的懸浮電容C1形成電勢(shì)差,該電勢(shì)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(cè)量此處溫度。MCU核心模塊監(jiān)測(cè)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(yùn)算,并將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控后臺(tái)或移動(dòng)客戶端,測(cè)溫原理如圖4所示。
圖3傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖4無線測(cè)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(jì)
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(chǎng)中,為確保傳感器運(yùn)行時(shí)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(jì)取能裝置時(shí)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(jì)方面通過在傳感器電路板外設(shè)計(jì)了金屬屏蔽罩,用于均勻內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)分布,并通過ANSYS仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)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(diǎn)之一,本設(shè)計(jì)采用電壓感應(yīng)取能,傳感器采用低功耗電路設(shè)計(jì),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(yùn)行時(shí)的工作電流為微安級(jí),通訊瞬時(shí)電流15mA。同時(shí),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(yùn)行,150℃時(shí)數(shù)據(jù)能正常測(cè)量,280℃時(shí)傳感器內(nèi)部元器件不發(fā)生形變或損壞。無線信號(hào)傳輸采取抗干擾措施,在元器件選擇上采用抗干擾力強(qiáng),溫度范圍廣的器件。同時(shí),在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)根據(jù)規(guī)則充分考慮EMC特性。*后,傳感器信號(hào)傳輸采用ZigBee協(xié)議進(jìn)行無線傳輸,ZigBee采用O-QPSK信號(hào)調(diào)制方式,自身具有很強(qiáng)的抗干擾和糾錯(cuò)能力。
2.3提高絕緣與避免局放
由于測(cè)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(qiáng)度,避免局放產(chǎn)生是設(shè)計(jì)的核心要素之一。測(cè)溫傳感器優(yōu)化電路板設(shè)計(jì),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(huì)因?yàn)閭鞲衅鞯拇嬖诙档铜h(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(chǎng)中會(huì)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(jī)制
3.1軟件抗干擾設(shè)計(jì)
測(cè)溫傳感器與采集器之間采用無線傳輸方式,無線信號(hào)在傳輸中,易收到外界干擾而造成誤傳、誤收和信號(hào)無法接收等情況。為提高可靠性,載軟件設(shè)計(jì)方面,通過以下幾種措施解決:CRC循環(huán)冗余校驗(yàn):循環(huán)冗余校驗(yàn)對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn),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(yàn)碼,填充在幀的CRC部分發(fā)送給接收方。若接收方對(duì)接收到數(shù)據(jù)和CRC算法進(jìn)行計(jì)算,得到16比特的CRC校驗(yàn)碼如果和數(shù)據(jù)傳輸部分的CRC吻合,則發(fā)送時(shí)沒有出現(xiàn)比特錯(cuò)誤;若不吻合,則發(fā)送時(shí)出現(xiàn)比特錯(cuò)誤,丟棄該數(shù)據(jù)。防碰撞與無線信道監(jiān)測(cè)機(jī)制:ZigBee采用的是CSMA/CA(載波多路訪問)的防碰撞機(jī)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(shí)間后,再等待一段隨機(jī)的時(shí)間后依然沒有人使用,才送出數(shù)據(jù)。由于每個(gè)設(shè)備采用的隨機(jī)時(shí)間不同,所以可以減少?zèng)_突的機(jī)會(huì)?;蛘咚统鰯?shù)據(jù)前,先送一段小小的請(qǐng)求傳送報(bào)文給目標(biāo)端,等待目標(biāo)端回應(yīng)報(bào)文后,才開始傳送。
3.2數(shù)據(jù)儲(chǔ)存
數(shù)據(jù)采集終端收到傳感器數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲(chǔ)。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上,按照隊(duì)列的先進(jìn)先出法制進(jìn)行存儲(chǔ),支持3年的歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
3.3告警與防誤報(bào)機(jī)制
圖5告警與防誤報(bào)程序邏輯
無線測(cè)溫系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與處理后的數(shù)據(jù),在就地或通過后臺(tái)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(bào),系統(tǒng)將根據(jù)傳感器采集的溫度值、溫差、相對(duì)溫差(三相不平衡)、歷史趨勢(shì)這五項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析,發(fā)出報(bào)警信號(hào)或閉鎖報(bào)警。數(shù)據(jù)采集終端針對(duì)每個(gè)測(cè)溫傳感器進(jìn)行告警設(shè)置,通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)定的閾值進(jìn)行比較判斷。具體邏輯如圖5所示,當(dāng)狀態(tài)處于正常時(shí),監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)突然超出允許波動(dòng)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(shí),裝置發(fā)出告警信號(hào),否則進(jìn)入休眠狀態(tài);當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過波動(dòng)范圍時(shí)間持續(xù)達(dá)到時(shí)間閾值時(shí),產(chǎn)生告警信息并發(fā)送。這種多次超限統(tǒng)計(jì)判斷告警模式,可避免周邊電磁干擾帶來的誤報(bào)問題。
圖6G01柜溫度監(jiān)測(cè)曲線圖
4現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
本系統(tǒng)經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試,并在廣州某智能配電房項(xiàng)目中開展了掛網(wǎng)運(yùn)行。該智能配電房?jī)?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(jìn)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(cè)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)?/span>某***主站,系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。經(jīng)過3個(gè)月的掛網(wǎng)試運(yùn)行和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析,數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確可靠,能在后臺(tái)實(shí)時(shí)掌握環(huán)網(wǎng)柜的溫度變化,為該運(yùn)行單位減少了線下運(yùn)維工作量。圖1摘取該房G01柜2019年10-12月監(jiān)測(cè)溫度繪制的曲線圖,運(yùn)行人員能準(zhǔn)確掌握開關(guān)柜的運(yùn)行溫度變化趨勢(shì),運(yùn)行期間未曾發(fā)生數(shù)據(jù)誤報(bào)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(yàn)認(rèn)證,并且均通過嚴(yán)格的EMC電磁兼容試驗(yàn),保證了該系列產(chǎn)品在低壓配電系統(tǒng)中的安全正常運(yùn)行,現(xiàn)均已批量生產(chǎn)并在全國(guó)得到廣泛地應(yīng)用。該系統(tǒng)通過對(duì)剩余電流、過電流、過電壓、溫度和故障電弧等信號(hào)的采集與監(jiān)視,實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣火災(zāi)的早期預(yù)防和報(bào)警,當(dāng)必要時(shí)還能聯(lián)動(dòng)切除被檢測(cè)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(tái)或火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享。
5.2應(yīng)用場(chǎng)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(guó)家重點(diǎn)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(tái)探測(cè)器的剩余電流、溫度信息,報(bào)警時(shí)發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào),同時(shí)設(shè)備上紅色“報(bào)警"指示燈亮,顯示屏指示報(bào)警部位及報(bào)警類型,記錄報(bào)警時(shí)間,聲光報(bào)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(duì)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)復(fù)位。對(duì)于聲音報(bào)警信號(hào)也可以使用觸摸屏“消聲"按鍵手動(dòng)消除。
2)當(dāng)被監(jiān)測(cè)回路報(bào)警時(shí),控制輸出繼電器閉合,用于控制被保護(hù)電路或其他設(shè)備,當(dāng)報(bào)警消除后,控制輸出繼電器釋放。
3)通訊故障報(bào)警:當(dāng)監(jiān)控設(shè)備與所接的任一臺(tái)探測(cè)器之間發(fā)生通訊故障或探測(cè)器本身發(fā)生故障時(shí),監(jiān)控畫面中相應(yīng)的探測(cè)器顯示故障提示,同時(shí)設(shè)備上的黃色“故障"指示燈亮,并發(fā)出故障報(bào)警聲音。電源故障報(bào)警:當(dāng)主電源或備用電源發(fā)生故障時(shí),監(jiān)控設(shè)備也發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)并顯示故障信息,可進(jìn)入相應(yīng)的界面查看詳細(xì)信息并可解除報(bào)警聲響。
4)當(dāng)發(fā)生剩余電流、超溫報(bào)警或通訊、電源故障時(shí),將報(bào)警部位、故障信息、報(bào)警時(shí)間等信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中,當(dāng)報(bào)警解除、排除故障時(shí),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(chǎng)合 | 型號(hào) | 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(gè)探測(cè)器,可適用于壁掛安裝的場(chǎng)所。 |
Acrel-6000/Q |
| 適用于大型組網(wǎng),壁掛式監(jiān)控主機(jī)數(shù)量較多且需集中查看的場(chǎng)所,主要監(jiān)測(cè)壁掛主機(jī)信息。 | |
一、二級(jí) 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(jì)量,單回路剩余電流監(jiān)測(cè),4路溫度監(jiān)測(cè),2路繼電器輸出,4路開關(guān)量輸入,事件記錄,內(nèi)置時(shí)鐘,點(diǎn)陣式LCD顯示,2路獨(dú)立RS485/Modbus通訊 |
ARCM200L-J8 | 8路剩余電流監(jiān)測(cè),2路繼電器輸出,4路開關(guān)量輸入,事件記錄,內(nèi)置時(shí)鐘,點(diǎn)陣式LCD顯示,1路RS485/Modbus通訊 | ||
ARCM300-J1 |
| 1路剩余電流監(jiān)測(cè),4路溫度監(jiān)測(cè),1路繼電器輸出,事件記錄,LCD顯示,1路RS485/Modbus通訊 | |
AAFD-□ |
| 檢測(cè)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(hù)、過載保護(hù)、內(nèi)部超溫限流保護(hù)、過欠壓保護(hù)、漏電監(jiān)測(cè)、線纜溫度監(jiān)測(cè),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(hù)、過載保護(hù)、內(nèi)部超溫限流保護(hù)、過欠壓保護(hù)、漏電監(jiān)測(cè)、線纜溫度監(jiān)測(cè),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(cè)量型互感器,采集交流電流信號(hào) |
AKH-0.66/L |
| 剩余電流互感器,采集剩余電流信號(hào) | |
ARCM-NTC |
| 溫度傳感器,采集線纜或配電箱體溫度 |
6結(jié)束語(yǔ)
隨著數(shù)字電網(wǎng)與配電物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,實(shí)現(xiàn)配電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)感知、數(shù)字化以及可觀、可測(cè)、可控是配電物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。開關(guān)柜的電連接處溫度過高或者升高過快,對(duì)開關(guān)柜的安全可靠運(yùn)行的影響十分重大,而基于Zigbee通信的高壓感應(yīng)取電測(cè)溫技術(shù),具有測(cè)量精度高、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、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(yùn)維單位實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維,進(jìn)一步提高運(yùn)維工作效率和供電可靠性。
參考文獻(xiàn)
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