任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：采集關(guān)鍵電力設(shè)備接電的實(shí)時溫度，克服有線溫度監(jiān)測系統(tǒng)存在的諸如線路多，布線復(fù)雜，維護(hù)困難等不足，將無線無源傳感器與Zigbee無線通信技術(shù)相結(jié)合，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及移動互聯(lián)網(wǎng)云端與電力自動化 技術(shù)相結(jié)合，云邊協(xié)同，實(shí)現(xiàn)智能化無線測溫系統(tǒng)方案。無線測溫系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單可靠，擴(kuò)展性好，布點(diǎn)靈活等特點(diǎn),可以結(jié)合行業(yè)深層需求及其他技術(shù)，進(jìn)一步在電廠推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無線測溫；Zigbee；物聯(lián)網(wǎng)；云端；無線無源傳感器

0引言

發(fā)電行業(yè)是個龐大復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，大量使用中低壓開關(guān)柜、高壓電動機(jī)、變壓器等電氣設(shè)備，對自動化程度和連續(xù)生產(chǎn)的高要求，不僅對其供電可靠性要求越來越高，而且對發(fā)電行業(yè)系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵的配電及高壓電動機(jī)設(shè)備的穩(wěn)定可靠性也提 出了更高的要求。電氣設(shè)備在長期運(yùn)行過程中，電氣一次模塊觸點(diǎn)和連接等部位因老化或接觸電阻過大而發(fā)熱，進(jìn)而導(dǎo)致接頭異常升溫甚至引發(fā)燃爆事故。電廠電氣設(shè)備安裝密集，電動機(jī)也都是各工藝段的關(guān)鍵設(shè)備，此類設(shè)備損壞及引起的事故可能會引發(fā)下游大范圍供電線路或重要用電設(shè)備突然 停電,造成巨大的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失。

近年來，傳感器及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)備的在線監(jiān)測，及大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的快速發(fā)展，結(jié)合發(fā)電行業(yè)的特點(diǎn)及需求，新技術(shù)的研究與應(yīng)用對解決此類問題提供了新的方案

1關(guān)鍵新技術(shù)的研究

針對上述提出的問題，結(jié)合溫度傳感器,Zig- bee 無線傳輸，云應(yīng)用及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)現(xiàn)狀，提出了多種新技術(shù)的解決方案，并結(jié)合實(shí)際需求提出應(yīng)用方案。

1.1溫度傳感器選擇

傳統(tǒng)的測溫方法包括通過熱電偶、熱電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器等測溫，溫度傳感器與測溫儀之間采用金屬導(dǎo)線傳輸溫度信號。由于溫度傳感器直接安裝于高壓接點(diǎn)、觸點(diǎn)上，其傳輸溫度信號的金屬導(dǎo)線的絕緣性能無法保證，同時，對于改造類項(xiàng)目，實(shí)施難度較大。目前無線測溫方法包括感應(yīng)供電無線測溫、CT取電測溫、電池供電無線測溫方式及紅外在線測溫方式。各無線測溫技術(shù)性能比較如表1所示。

相比其他測溫方式，感應(yīng)供電測溫具有測溫速度快，周期短,免維護(hù)，使用壽命長，故障率低等特點(diǎn)。

1.2無線傳輸技術(shù)選用

無線通信是利用電磁波信號在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式，其中應(yīng)用較為廣泛及具有較好發(fā)展前景的短距離無線通信標(biāo)準(zhǔn)有Zigbee,藍(lán)牙(Bluetooth)、無線寬帶(Wi-Fi)、超寬帶(UWB)和近場通信（NFC）。

其中，Zigbee技術(shù)是一種具有低速率、近距離、低功耗、低復(fù)雜度、通信可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)的無線通信技術(shù)。Zigbee協(xié)議由IEEE802.15.4任務(wù)小組與Zigbee聯(lián)盟共同制定，其PHY層和MAC層采用IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層由Zigbee聯(lián)盟制定，應(yīng)用層則允許根據(jù)用戶的應(yīng)用需求進(jìn)行開發(fā)。

Zigbee有三個工作頻段,本項(xiàng)目采用的無源測溫傳感器采用2.4 GHz頻段,該頻段的數(shù)據(jù)傳輸速率為250 Kbps,其分為16個信道，目前為全球通用，且免申請免付費(fèi)。在通信上，采用免沖突多載波信道接入(CSMA-CA)方式，有效避免了無線電載波間的沖突，并采用密鑰長度為128位的加密算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，確保了通信數(shù)據(jù)的安全保密性。并且，Zigbee設(shè)備能耗低，發(fā)射輸出為0~3.6 dBm[3IoZigbee支持星形和網(wǎng)格對等兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。實(shí)際應(yīng)用可將兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合，使用混合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，簇樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示。

簇樹狀網(wǎng)絡(luò)中，采用分布式地址分配方案來分配網(wǎng)絡(luò)地址,即為每一個父設(shè)備分配一個有限的網(wǎng)絡(luò)地址段，并由父設(shè)備分配給其自身。對于給定深度的節(jié)點(diǎn),作為父設(shè)備所能分配的自區(qū)段地址數(shù)為Cskip(d),計(jì)算公式為

利用Cskip(d)作為偏移，向子設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址。父設(shè)備為它的第一個子簇頭設(shè)備分配一個比自己大1的地址，隨后分配給子簇頭設(shè)備的地址將以Cskip(d)為間隔，以此類推為所有的子簇頭分配地址。

1.3移動互聯(lián)網(wǎng)與云技術(shù)選用

傳統(tǒng)的系統(tǒng)監(jiān)控及運(yùn)行一般以集中式或者分布式的SCADA系統(tǒng)應(yīng)用為主，并在控制室內(nèi)由操作員及工程師使用。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)及智能手機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，通過傳感器監(jiān)測到的關(guān)鍵設(shè)備的各種實(shí)時數(shù)據(jù)也可以通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)方云服務(wù)器，特別是對于區(qū)域廣，布線困難的區(qū)段,數(shù)據(jù)的獲取將會變得更加方便和容易。其二，傳輸?shù)皆品?wù)器上的數(shù)據(jù)比起傳統(tǒng)專門的服務(wù)器存儲，成本更低，可靠性更高，供不同用戶使用更方便。其三，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆品?wù)器的數(shù)據(jù)，可以通過智能手機(jī)的APP顯示出來,并通過不同的功能模塊定制

化實(shí)現(xiàn)。其四，根據(jù)不同用戶的需求和設(shè)備使用情況，可以對存儲的數(shù)據(jù)按照既定算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，及早通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，并給予用戶提示或者告警信息，減少及降低設(shè)備故障甚至事故的發(fā)生。

2具體應(yīng)用方案

常見的兩臺60 MW或者100 MW機(jī)組的火電廠，一般使用數(shù)百臺中低壓開關(guān)柜及使用大量的輔機(jī)電動機(jī)，對開關(guān)柜及高壓電動機(jī)關(guān)鍵部位進(jìn)行智能測溫改造。經(jīng)過技術(shù)對比,使用無線無源“溫度傳感器+Zigbee"溫度監(jiān)測系統(tǒng)，準(zhǔn)確地采集關(guān)鍵設(shè)備及設(shè)備關(guān)鍵部位的溫度信號，通過智能網(wǎng)關(guān)，可以接入既有的光纖通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)共享，通過控制中心的無線測溫監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫度信號的實(shí)時監(jiān)測，超溫部位及設(shè)備定位，超溫報(bào)警，保證關(guān)鍵設(shè)備壽命及生產(chǎn)連續(xù)性，減少及避免潛在事故的風(fēng)險(xiǎn)。并且，依靠云服務(wù)及邊緣系統(tǒng)的云邊協(xié)同，實(shí)現(xiàn)了測溫信號的移動運(yùn)維，不僅可以通過智能手機(jī)監(jiān)測到關(guān)鍵設(shè)備的溫度信號，并能 在超溫時自動發(fā)出報(bào)警信號，及時推送到具體負(fù)責(zé) 人員的智能手機(jī)終端，實(shí)現(xiàn)高效的問題處理，較大地降低配電柜設(shè)備事故風(fēng)險(xiǎn)，保證供電可靠性、生產(chǎn)連續(xù)性及安全生產(chǎn)。初設(shè)應(yīng)用方案的基本架構(gòu)如圖2所示。

2.1無線無源“溫度傳感器+Zigbee"

經(jīng)過技術(shù)對比，選定Easergy TH110溫度傳感器,其主要性能參數(shù)如表2所示。

Easergy TH110自供電基于網(wǎng)絡(luò)電流，與測量點(diǎn)直接接觸可以確保高性能的、準(zhǔn)確的溫度監(jiān)測。并且,TH110非常小巧不占用空間，便于安裝調(diào)試及后期維護(hù)。

TH110采用Zigbee節(jié)能型通信協(xié)議，Easergy TH110確保有可靠和強(qiáng)大的通信能力，可以用來創(chuàng)建共享的操作解決方案的圖片及在項(xiàng)目應(yīng)用中的場景如圖3所示。

建議比較重要的工藝段相關(guān)配電室開關(guān)柜及高壓電動機(jī)都安裝TH110的溫度傳感器，包括各類水泵、風(fēng)機(jī)、漿液循環(huán)泵、氧化風(fēng)機(jī)等區(qū)間。

2.2測溫系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

由于測溫傳感器分布區(qū)域廣，數(shù)量多，測溫系統(tǒng)架構(gòu)采用以太網(wǎng)作為主要架構(gòu)，并可使用既有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，節(jié)省成本及較大地降低施工難度。

——現(xiàn)場的各TH110溫度傳感器通過Zigbee協(xié)議無線傳輸?shù)綔囟冉邮昭b置。

——溫度接收裝置通過Modbus RTU通信協(xié)議將溫度信號傳輸?shù)礁鱾€現(xiàn)場的網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)將協(xié)議轉(zhuǎn)換為Modbus TCP規(guī)約，并經(jīng)現(xiàn)場的以太網(wǎng)交換機(jī)，通過光纖通道傳輸?shù)娇刂浦行牡墓ぷ髡局小?/p>

——現(xiàn)場的千里眼服務(wù)器也接入通信網(wǎng)絡(luò)，將各TH110的測溫?cái)?shù)據(jù)上傳到云平臺，以供智能手機(jī)的千里眼APP使用。

2.3測溫監(jiān)測系統(tǒng)SCADA的設(shè)計(jì)

測溫監(jiān)測系統(tǒng)SCADA操作員工作站可以置于控制中心內(nèi)，通過既有網(wǎng)絡(luò)由現(xiàn)場測溫接收裝置上傳的溫度數(shù)據(jù)。監(jiān)測工作站可以通過簡潔明了的—次系統(tǒng)，清晰地顯示各監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時溫度數(shù)據(jù),及各個區(qū)間的具體架構(gòu)。所有區(qū)間測溫傳感器的歷史數(shù)據(jù)都可以通過SCADA系統(tǒng)顯示出來，便于用戶與常規(guī)溫度數(shù)據(jù)相比較。當(dāng)傳感器測溫?cái)?shù)據(jù)高于設(shè)定的報(bào)警值，SCADA系統(tǒng)會發(fā)出報(bào)警指示給操作員，并可以定位到具體的設(shè)備及安裝部位， 方便工程師去現(xiàn)場進(jìn)行查看及風(fēng)險(xiǎn)評估，消除潛在故障的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4云平臺“千里眼"系統(tǒng)的應(yīng)用

IOT由IT信息技術(shù)和OT運(yùn)營技術(shù)深度融合，千里眼APP系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)QT技術(shù)的應(yīng)用體現(xiàn)之一。圖4為千里眼APP在其他行業(yè)的應(yīng)用截圖。

設(shè)計(jì)方案中，通過既有電力設(shè)備關(guān)鍵部位加裝測溫傳感器，獨(dú)立測溫SCADA系統(tǒng)及千里眼APP 云邊端協(xié)同應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步透明化,并提高系統(tǒng)管理水平。將電廠內(nèi)各安裝TH110溫度傳感器的開關(guān)柜、變壓器及高壓電動機(jī)關(guān)鍵部位的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，為配電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān) 視、運(yùn)行維護(hù)作業(yè)管理和設(shè)備資產(chǎn)管理提供“互聯(lián)網(wǎng)+"靈活應(yīng)用方案。而且，千里眼可以提供報(bào)警管理，可以根據(jù)嚴(yán)重程度區(qū)分不同等級的報(bào)警，并通過短信通知用戶，讓用戶在獲取報(bào)警信息，并可以通過手機(jī)APP確認(rèn)和記錄報(bào)警事件，篩

選和導(dǎo)出報(bào)警信息，形成專門的報(bào)告，預(yù)防事故及故障的發(fā)生。除了智能手機(jī)端顯示溫度型號及提供報(bào)警之外，千里眼還可提供資產(chǎn)快查及工單派工的功能，提高用戶的運(yùn)維效率及智能化程度。其他行業(yè)的試點(diǎn)應(yīng)用，監(jiān)測到了數(shù)次設(shè)備的異常溫度信號，并且及時檢修維護(hù)，成功避免了重大事故的發(fā)生。

3安科瑞溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)概述

電氣接點(diǎn)在線測溫裝置適用于高低壓開關(guān)柜內(nèi)電纜接頭、斷路器觸頭、刀閘開關(guān)、高壓電纜中間頭、干式變壓器、低壓大電流等設(shè)備的溫度監(jiān)測，防止在運(yùn)行過程中因氧化、松動、灰塵等因素造成接點(diǎn)接觸 電阻過大而發(fā)熱成為安全隱患，提高設(shè)備安全保障，及時、持續(xù)、準(zhǔn)確反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，降低設(shè)備事故率。

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)通過RS 485總線或以太網(wǎng)與間隔層的設(shè)備直接進(jìn)行通訊，系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循國際標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU、Modbus-TCP等傳輸規(guī)約，安全性、可靠性和開放性都得到了較大地提高。該系統(tǒng)具有遙信、遙測、遙控、遙調(diào)、遙設(shè)、事件報(bào)警、曲線、棒圖、報(bào)表和用戶管理功能，可以監(jiān)控?zé)o線測溫系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)快速報(bào)警響應(yīng)，預(yù)防嚴(yán)重故障發(fā)生。

3.1應(yīng)用場所

適合在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)、鋼廠、化工、水泥、數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院、機(jī)場、電廠、煤礦等廠礦企業(yè)、變配電所等電力設(shè)備的溫度監(jiān)測。

3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3系統(tǒng)功能

測溫系統(tǒng)主機(jī)Acrel-2000T安裝于值班監(jiān)控室，可以遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)所有開關(guān)設(shè)備運(yùn)行溫度狀態(tài)。系統(tǒng)具有以下主要功能：

3.3.1溫度顯示

顯示配電系統(tǒng)內(nèi)每個測溫點(diǎn)的實(shí)時值，也可實(shí)現(xiàn)電腦WEB/手機(jī)APP遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)。

3.3.2溫度曲線

查看每個測溫點(diǎn)的溫度趨勢曲線。

3.3.3運(yùn)行報(bào)表

查詢及打印各測溫點(diǎn)時間的溫度數(shù)據(jù)。

3.3.4實(shí)時告警

系統(tǒng)能夠?qū)Ω鳒y溫點(diǎn)異常溫度發(fā)出告警。系統(tǒng)具有實(shí)時語音報(bào)警功能，能夠?qū)λ惺录l(fā)出語音告警，告警方式有彈窗、語音告警等，還可以短信/APP推送告警消息，及時提醒值班人員。

3.3.5歷史事件查詢

能夠溫度越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析等。

3.4系統(tǒng)硬件配置

溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由設(shè)備層的溫度傳感器和溫度采集/顯示單元，通訊層的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)以及站控層的測溫系統(tǒng)主機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)變配電系統(tǒng)關(guān)鍵電氣部位的溫度在線監(jiān)測。

4總結(jié)及應(yīng)用

無線測溫系統(tǒng)在發(fā)電行業(yè)的應(yīng)用方案，配套管理系統(tǒng)及千里眼APP提供溫度異常告警、實(shí)時設(shè)備溫度采集、周期性溫度監(jiān)測及報(bào)表、設(shè)備狀態(tài)評估等功能，能減少及避免因溫度導(dǎo)致的重大故障的發(fā)生。其次，隨著技術(shù)的發(fā)展，其他傳感器的應(yīng)用，從不同角度獲得關(guān)鍵設(shè)備及系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，從而更客觀地進(jìn)行設(shè)備及系統(tǒng)監(jiān)測，可以作為下步研究工作方向之一。而且，智能化、萬物互聯(lián)等新技術(shù)的應(yīng)用， 會對運(yùn)維人員的能力及習(xí)慣提出更高的要求，智能化系統(tǒng)需要進(jìn)一步提高用戶的實(shí)際體驗(yàn)，開發(fā)更多更貼近用戶的功能，比如資產(chǎn)管理，工單處理，故障排除等，得到更多的應(yīng)用。

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作者簡介：任運(yùn)業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。