無線測溫系統(tǒng)在變壓器溫度監(jiān)測中的應(yīng)用

安科瑞 鮑靜君

　　摘要：變壓器的油溫和繞組溫度是反映變壓器運行狀態(tài)的重要指標(biāo)，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計實現(xiàn)了變壓器溫度監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對變壓器油溫和繞組表面溫度的監(jiān)測。該系統(tǒng)利用鉑電阻進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集，采用Zigbee無線通信模塊CC2430實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的無線傳輸，基于Labview設(shè)計實現(xiàn)了監(jiān)控中心監(jiān)控界面。該系統(tǒng)對于變壓器溫度的實時監(jiān)測有重要的應(yīng)用價值。

　　關(guān)鍵詞：變壓器；溫度；無線傳感網(wǎng)絡(luò)

　　0  引言

　　電力變壓器是電力系統(tǒng)中用以改變電壓的主要電氣設(shè)備，長期工作在高電壓、大電流、強(qiáng)磁場的環(huán)境中，使得熱量聚集。變壓器的溫升既影響帶負(fù)荷能力又影響使用年限，還會增加電力系統(tǒng)的損耗，如果散熱不良還會危及設(shè)備的正常運行，甚至?xí)斐晒收稀榱吮ＷC變壓器安全運行，迫切需要能及時、準(zhǔn)確地判斷變壓器的運行狀況，實時監(jiān)測變壓器的溫度變化，以及時采取適當(dāng)措施，保證變壓器安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行。變壓器油溫度是變壓器安全運行的重要指標(biāo)之一，按GB1094電力變壓器標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的油浸式電力變壓器，在GB/T15164—9d(油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則)中規(guī)定其熱點溫度基準(zhǔn)值98℃，即在此溫度下絕緣的相對老化率為1。在80～140℃范圍內(nèi)，溫度每增加6K，老化率就增加1倍。在油浸式變壓器中［1］，變壓器油起著散熱和絕緣的作用。當(dāng)油溫超過一定溫度時，變壓器油的氧化就會加速，并吸收更多水分。帶有水分和雜質(zhì)的變壓器油，會縮短變壓器的壽命，成為變壓器可靠運行的隱患，嚴(yán)重時會導(dǎo)致電力事故的發(fā)生，因此運行時需要保證變壓器的油溫在規(guī)定范圍內(nèi)。

　　為了保證電力變壓器安全運行，需要實時監(jiān)測油溫和繞組溫度。關(guān)于變壓器溫度的在線監(jiān)測，目前已經(jīng)提出了多種方法，如上海電力學(xué)院開發(fā)的電力變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)，使用氣體傳感器、電流傳感器和紅外線傳感器分別監(jiān)視變壓器的氫氣和一氧化碳含量、局部放電和溫度變化。其他還有基于單片機(jī)的變壓器繞組溫度測控系統(tǒng)，基于DSP的變壓器溫度監(jiān)控系統(tǒng)，干式變壓器無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)都能實現(xiàn)對變壓器溫度的在線監(jiān)測，但都存在著同樣的問題:使用有線連接方式，由于受供電電源、安裝場所、運行和維修環(huán)境等條件的限制，系統(tǒng)布設(shè)復(fù)雜;監(jiān)測變壓器狀態(tài)的傳感器位置固定，很難更改，而且監(jiān)測點少，不便于擴(kuò)展，不能保證數(shù)據(jù)的實時性和完整性，限制了對設(shè)備運行狀態(tài)的正確評估、判斷和決策。為了克服這些問題，本文提出使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)測變壓器運行中的溫度變化，以保證變壓器的安全運行。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)是由許許多多功能相同或不同的無線傳感終端(或稱為節(jié)點)組成，是以嵌入式技術(shù)為核心的數(shù)據(jù)采集與通信系統(tǒng)。每一個無線傳感終端由數(shù)據(jù)采集模塊(傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器)、數(shù)據(jù)處理和控制模塊(微處理器、存儲器)、通信模塊(無線收發(fā)器)和供電模塊等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)對于多路溫度傳感器數(shù)據(jù)的實時采集，能夠很方便地實現(xiàn)變壓器的繞組溫度和油溫的檢測。

　　1、系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

　　變壓器運行時會產(chǎn)生鐵心損耗、繞組銅損耗及其他的附加損耗，這些損耗轉(zhuǎn)變成熱量會使變壓器的有關(guān)部分溫度升高。為了了解監(jiān)測變壓器的溫度，識別高溫點的位置，采用單個傳感器是不夠的，在變壓器的多個位置布設(shè)多個傳感器，更有利于掌握變壓器的溫度狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)變壓器的溫度異常并識別高溫點位置，才能進(jìn)行相應(yīng)的處理。由于需要使用多傳感器監(jiān)測多個監(jiān)測點的溫度，為了便于靈活布設(shè)本系統(tǒng)采用的無線傳感器不需事先安裝在變壓器的某個固定位置上而是可以在現(xiàn)場安裝布設(shè)時再確定監(jiān)測位置，然后在監(jiān)控端設(shè)置溫度監(jiān)視點為對應(yīng)位置，實現(xiàn)對該點溫度的監(jiān)視。圖1是變壓器溫度無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

圖1 變壓器溫度無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　由于變壓器運行時的主要損耗來源于鐵心和繞組，并且只有達(dá)到一定的溫差后才能向外散熱，所以變壓器的各部位的溫度不一樣。一般地，繞組溫度很高，鐵芯次之，對每一部分來說，溫度是自下部到上部逐漸升高的。為了能實現(xiàn)實時溫度數(shù)據(jù)采集和分析，本系統(tǒng)采用智能化的溫度分析方法，以識別溫度的變化趨勢，及時進(jìn)行溫度預(yù)測。本系統(tǒng)主要包括無線傳感溫度采集節(jié)點和監(jiān)控中心主節(jié)點兩個主要部分，每臺變壓器都可布設(shè)4或6個無線傳感溫度采集節(jié)點，對稱安裝在變壓器的各面，以實現(xiàn)對變壓器溫度的監(jiān)測和分析。監(jiān)控中心主節(jié)點由無線傳感中心節(jié)點和監(jiān)測分析計算機(jī)構(gòu)成，可實時監(jiān)視多個變壓器的溫度狀態(tài)，并根據(jù)溫度歷史數(shù)據(jù)預(yù)測溫度的變化，同時對同一變壓器的多個溫度傳感器的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，識別高溫點的位置，及時發(fā)現(xiàn)故障征兆，實現(xiàn)智能溫度監(jiān)測。

　　2、無線傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點

　　無線傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點由基于Zigbee技術(shù)的無線傳感節(jié)點及無線數(shù)據(jù)采集終端組成，為了便于傳感器的布設(shè)和更換，傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點使用變壓器表面安裝方式。每個無線傳感器節(jié)點都是一個集成了Zigbee通信模塊的無線傳感器，每個無線傳感節(jié)點將其采集的數(shù)據(jù)通過Zigbee通信傳輸給變電站監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心的計算機(jī)上進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的分析和顯示以及報警處理。

　　系統(tǒng)使用鉑電阻測溫元件進(jìn)行溫度的檢測，各Zigbee無線傳感節(jié)點硬件的基本結(jié)構(gòu)是*一樣的。Zigbee無線傳感節(jié)點的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過傳感器檢測溫度狀態(tài)數(shù)據(jù);并將采集的數(shù)據(jù)送到信號調(diào)理模塊，進(jìn)行信號的放大、濾波處理;由多路復(fù)用實現(xiàn)對同一變壓器的多點溫度檢測，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號;然后送到Zigbee通信模塊。

圖2 Zigbee無線傳感溫度采集節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

　　系統(tǒng)使用的鉑電阻測溫傳感器是霍尼韋爾公司的薄膜鉑電阻HEL2700的Pt1000系列，在0℃時具有1000Ω的標(biāo)準(zhǔn)阻值，且電阻值隨溫度的變化而變化，可用于對油溫和變壓器繞組表面溫度的檢測。它具有較大的溫度－電阻系數(shù)(3.8Ω/℃)，可以減小導(dǎo)線電阻對溫度的影響。由于鉑電阻的熱電阻與溫度的關(guān)系存在非線性，在高溫區(qū)表現(xiàn)更明顯，因此需要對鉑電阻的非線性進(jìn)行校正。無線傳感節(jié)點中的調(diào)理電路可以實現(xiàn)電阻與溫度關(guān)系的校正補(bǔ)償，獲得線性的溫度—電阻關(guān)系，并將鉑電阻傳感器的阻值變化轉(zhuǎn)化為0～5V的電壓，通過A/D轉(zhuǎn)換之后，送入Zigbee通信模塊進(jìn)行處理。本系統(tǒng)的Zigbee通信模塊采用TI公司的CC2430，CC2430的傳輸距離大概為50～70m，適合構(gòu)建一般小型變電站變壓器的狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)用于遠(yuǎn)距離監(jiān)測時，可增加使用射頻功放，監(jiān)測距離可達(dá)1km，該芯片內(nèi)部集成了一個高性能和低功耗的8051微控制器，通過該芯片可以控制溫度數(shù)據(jù)的采集和射頻發(fā)射，集成符合IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的ＲF無線電收發(fā)模塊，在待機(jī)模式時僅0.6μA的流耗。CC2430的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 功能結(jié)構(gòu)圖

　　3、監(jiān)控中心設(shè)計

　　監(jiān)控中心是變壓器溫度無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)的核心，它能實現(xiàn)對來自各變壓器的溫度傳感數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲、查詢與融合分析。整個系統(tǒng)的功能框圖如圖4所示，它由Zigbee中心節(jié)點、數(shù)據(jù)處理、實時數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、數(shù)據(jù)查詢與分析終端等部分組成。

　　實時監(jiān)控終端是變壓器溫度無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)重要的組成部分，Zigbee無線模塊接收到來自于各變壓器的實時溫度數(shù)據(jù)后，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理單元將數(shù)據(jù)幀拆分，得到對應(yīng)于各傳感器的實時數(shù)據(jù)，由實時監(jiān)控終端顯示系統(tǒng)顯示出來，并可對各無線傳感溫度采集節(jié)點的工作狀態(tài)、參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與查詢。實時監(jiān)控終端需要同時監(jiān)控顯示來自多個變壓器的參數(shù)，當(dāng)監(jiān)控變壓器較多時，可以使用多個終端同時顯示變壓器的溫度狀態(tài)參數(shù)。實時監(jiān)控終端顯示軟件采用了labview進(jìn)行開發(fā)。圖5為可同時監(jiān)控單個變壓器的油溫、變壓器上部和下部三個點的溫度時的監(jiān)控界面。

圖4 監(jiān)控中心結(jié)構(gòu)圖

圖5 變壓器溫度監(jiān)控界面

　　為了在變壓器溫度發(fā)生異常時及時發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行處理，在監(jiān)控終端中設(shè)計實現(xiàn)了實時分析預(yù)警功能。在接收、顯示變壓器溫度數(shù)據(jù)的同時，可自動對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在出現(xiàn)溫度偏離正常值時，及時通知監(jiān)控中心人員注意。監(jiān)護(hù)中心的智能診斷軟件主要基于信息融合的方法進(jìn)行溫度異常識別，通過對變壓器不同位置的傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析，判別變壓器溫度變化趨勢，根據(jù)需要及時發(fā)出警報信息以便監(jiān)控人員關(guān)注發(fā)生異常變化的變壓器。

　　數(shù)據(jù)庫服務(wù)器是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的中心，為了確保變壓器溫度數(shù)據(jù)的完整性，也為了方便數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析，監(jiān)護(hù)中心會將接收到的所有變壓器的溫度參數(shù)存儲起來，并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)回放和分析，以進(jìn)一步進(jìn)行變壓器溫度異常故障的診斷和分析。

　　4、安科瑞無線測溫產(chǎn)品介紹

　　a.電池供電型無線溫度傳感器

　　安裝于發(fā)熱部位，采集溫度量并通過無線方式傳輸?shù)膫鞲衅鳌?/p>

　　目前無線溫度傳感器有三款：

b.CT感應(yīng)取電無線溫度傳感器

　　安裝于斷路器觸頭、母排、電纜搭接點等大電流處，采集溫度量并通過無線方式傳輸?shù)膫鞲衅鳌?/p>

　　目前無線溫度傳感器有兩款：

安科瑞無線測溫就地顯示配置：

　　ASD300/320智能操控裝置可連接12路無線溫度傳感器，ARTM-Pn無線測溫裝置可以連接18路無線溫度傳感器，無源（CT取電）方式為ATE300（捆綁式安裝），有源（電池供電）方式為ATE100（螺栓式安裝，主要用于電纜/銅排等螺絲固定的搭接點）和ATE200（表帶式，主要用于斷路器觸頭等接點捆綁安裝，因安裝較ATE100更方便，電纜/銅排等搭接點也常選用）。

圖6 無線測溫帶操顯功能（就地顯示）

　　Acrel-2000T/B無線測溫壁掛式監(jiān)控設(shè)備，內(nèi)存4G,硬盤128G,以太網(wǎng)口，顯示器12寸，分辨率800*600，可選Web平臺/App服務(wù)器，柜體尺寸480*420*200（單位mm），配置IPAD,安裝ACREL-2000/T軟件。就地實時顯示溫度分布以及報警等詳細(xì)參數(shù)。

圖7 無線測溫采集設(shè)備配置方案

　　5、結(jié)論

　　由于技術(shù)產(chǎn)品成熟度和成本等原因，變壓器上普遍沒有安裝熱點監(jiān)測系統(tǒng)，從而使變電系統(tǒng)惡性事故的預(yù)測、預(yù)防和監(jiān)控缺乏可靠穩(wěn)定的技術(shù)手段?；赯igbee技術(shù)的變壓器溫度無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)利用設(shè)置在變壓器表面的多個傳感器，能實時監(jiān)測變壓器的溫度狀態(tài)，在溫度異常時進(jìn)行報警。相比于傳統(tǒng)的有線監(jiān)測方法，本系統(tǒng)不需布線，可按需貼裝在變壓器表面任何位置，更加方便靈活，便于更換。由于利用多傳感器數(shù)據(jù)推算變壓器中心溫度，推算結(jié)果更加可信，從而能夠保證變壓器的正常運行。該系統(tǒng)經(jīng)過試用，能夠正常監(jiān)測變壓器的溫度狀態(tài)，可用于變電站的變壓器油溫和繞組表面溫度監(jiān)控，有很重要的實用價值。