淺談關于物聯(lián)網技術的水電廠電氣開關柜測溫系統(tǒng)設計應用及產品選型

摘要：針對洪江水電廠電氣開關柜溫度無法在線監(jiān)測的問題,本文提出了一種基于物聯(lián)網技術的水電廠開關柜溫度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)部署簡單高效，能快速采集設備溫度數(shù)據(jù)，通過4G或者WiFi無線信號將數(shù)據(jù)送入物聯(lián)網云平臺，實現(xiàn)開關柜溫度遠程實時監(jiān)測，為開關柜狀態(tài)診斷提供決策依據(jù)。此外，該系統(tǒng)解決了人工巡檢成本高、數(shù)據(jù)及時率低、作業(yè)風險高等難題，消除設備潛在的隱患，保障了水電廠設備的安全穩(wěn)定運行，在水電場景中具有特定地應用價值，并為智能電廠運行維護提供可靠的解決方案。

關鍵詞：物聯(lián)網技術;云平臺；無線信號

0引言

洪江水力發(fā)電廠為燈泡貫流式機組,位于湖南省懷化市洪江區(qū)上游，在沅水干流的中上游河段, 是沅水干流開發(fā)規(guī)劃中的重要梯級工程。電廠共裝機6臺單機45 MW的水輪發(fā)電機組，總裝機容量270 MW,年設計發(fā)電量為10.17億kW?h,是一座具有發(fā)電、航運、灌溉、供水等綜合利用效益的水電廠。

本文基于洪江水電廠開關柜設備的實際測溫需求，探索獨立于傳統(tǒng)溫度采集系統(tǒng)之外的測溫方案，提出一種基于物聯(lián)網技術的水電廠電氣開關柜溫度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)在電廠開關柜中實施并成功應用,包括廠用配電系統(tǒng)開關柜和抽屜柜、高壓斷路器等設備，取得良好的實踐，實現(xiàn)了溫度在移動APP與WEB應用端在線監(jiān)測，減少了重要電氣設備運行風險，提高了安全運行指數(shù)。

1概述

電力行業(yè)經常發(fā)生因電力電纜和設備過熱而引起的火災事件，導致大面積的電纜燒損和設備損壞而被迫停機,短時間內無法恢復生產,從而造成重大經濟損失。據(jù)國家電力安全事故通報統(tǒng)計,每年發(fā)生在電站的電力事故中40%是由電氣設備過熱所致鐵各電廠高低壓設備連接部位如母線連接點、開關、斷路器動觸頭等由于氣候冷熱變化、材料老化、銹蝕、松動等原因易造成接觸不良、接觸電阻增大，長期運行造成的斷路器觸頭過熱、絕緣燒穿、設備起火。為了消除安全隱患,提高設備使用性能，因此開展基于物聯(lián)網的電氣開關柜遠程監(jiān)測與應用設計，解決電廠巡檢人員作業(yè)風險大、數(shù)據(jù)共享難等問題，實現(xiàn)溫度遠程在線監(jiān)測功能，進一步提高設備運行的可靠性和安全性。

2系統(tǒng)技術架構

系統(tǒng)技術架構由溫度傳感器及溫度匯聚主機、智能網關RTU、物聯(lián)網云平臺、移動APP端和WEB應用端五大模塊組成,利用物聯(lián)網技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、匯聚、上傳、存儲、應用五大功能。其中智能網關RTU和物聯(lián)網云平臺為本系統(tǒng)的兩大核心模塊，該智能網關具有多種采集接口、兼顧常用的工業(yè)通信協(xié)議,具有較高的數(shù)據(jù)采集及運算能力鐵系統(tǒng)技術架構圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)技術架構圖

2.1溫度傳感器

根據(jù)電氣柜設備的結構和測量方式，本系統(tǒng)的溫度傳感器由接觸式傳感器和非接觸式傳感器組成。其中廠用配電系統(tǒng)抽屜柜采用非接觸式紅外溫度傳感器,將測溫銅箔貼片粘貼在抽屜柜的三相觸頭上，安裝紅外傳感器IR52讀取銅箔溫度，因為銅箔導熱性好、耐熱性強。因此溫度讀取速度快、準確率高。數(shù)據(jù)匯聚后統(tǒng)一發(fā)送到MT562測溫主機中，對外以RS485接口進行數(shù)據(jù)傳輸，紅外傳感器的安裝示意如圖2所示

圖2 紅外溫度傳感器安裝示意圖

針對廠用配電系統(tǒng)開關柜進出線銅排和母排電纜接線端的溫度監(jiān)測，由于開關柜斷路器銅排寬度達5cm,運行電流大,因此選用接觸式無線無源溫度傳感器WT01,該傳感器體積小、安裝方便、組網靈活可靠,并且通過開關柜銅排的運行電流自感應取電。因此解決了傳統(tǒng)溫度傳感器需更換電池的痛點，降低了作業(yè)風險和運維成本。WT01溫度傳感器通過無線射頻（Zigbee協(xié)議）將數(shù)據(jù)發(fā)送至溫度匯聚主機，匯聚主機使用MT565進行數(shù)據(jù)采集，并提供RS485接口進行數(shù)據(jù)通信,無線傳感器的安裝示意如圖3所示。

圖3 無線測溫傳感器安裝示意圖

2.2智能網關RTU

本系統(tǒng)采用自研的電力智能網關RTU,該網關裝置具有多種數(shù)據(jù)接入方式，兼容modbusRTU、modbusTCP等主流通信協(xié)議,并支持有線接入和無線接入方式，能實現(xiàn)局部區(qū)域內大量傳感器或智能終端數(shù)據(jù)采集。網關內置4G與WIFI無線信號信模塊,能實現(xiàn)現(xiàn)場端設備與遠方物聯(lián)網云平臺的數(shù)據(jù)通信和信息互聯(lián)。將網關RTU與溫度主機連接,采用標準的modbusRTU通信協(xié)議，能快速便捷地對電氣開關柜的溫度進行采集。以無線網絡為傳輸載

體，根據(jù)溫度標準物模型將數(shù)據(jù)進行封裝,包括屬性、事件、服務，采用MQTT通訊協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至物聯(lián)網云平臺，云平臺接受數(shù)據(jù)后自動解析,實現(xiàn)數(shù)據(jù)一體化采集、存儲、傳輸及解析。

2.3物聯(lián)網云平臺

物聯(lián)網云平臺是物聯(lián)網生態(tài)系統(tǒng)中重要部分，通過多種的網絡連接手段將設備狀態(tài)信息與互聯(lián)網連通，實現(xiàn)對設備智能化感知、識別和管理，是各類設備連接到場景應用的關鍵“橋梁”。本系統(tǒng)物聯(lián)網云平臺負責接收網關RTU上報的溫度數(shù)據(jù)、并向網關RTU下發(fā)指令，實現(xiàn)數(shù)據(jù)進行讀取、計算和顯示。除此之外,云平臺對網關設備進行統(tǒng)一認證和管理，提供可視化的安全管理。接入云平臺的溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)一進行編碼和治理,為移動APP端和WEB應用端提供數(shù)據(jù)服務。

2.4移動APP端和WEB應用端

移動APP端和WEB應用端是基于物聯(lián)網云平臺進行開發(fā),通過調用云平臺存儲的溫度數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給用戶，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化應用。應用端主要包括溫度綜合展示、趨勢預警、越限告警、報表導出等功能模塊，實現(xiàn)對電氣開關柜狀態(tài)的綜合顯示及智能預警,保障設備安全運行。

3系統(tǒng)總體架構

本系統(tǒng)總體架構按照縱向分層的原則開展整體建設，包括感知層、支撐層和應用層三個層次。感知層以洪江電廠現(xiàn)場電氣柜溫度監(jiān)測為數(shù)據(jù)來源，包括各配電系統(tǒng)的開關柜銅排和抽屜柜觸頭溫度。系統(tǒng)以物聯(lián)網技術為傳輸手段,連接感知層和支撐層。支撐層主要由物聯(lián)網平臺組成，負責系統(tǒng)開發(fā)所需的關鍵資源與技術。物聯(lián)網平臺提供設備接入、設備管理、數(shù)據(jù)解析等服務，并提供數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)治理等功能，同時為其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)調用提供支撐。應用層實現(xiàn)對洪江電廠電氣柜溫度監(jiān)測可視化展示與應用，涵蓋了 WEB應用與移動APP兩個部分。系統(tǒng)總體架構圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體架構圖

4系統(tǒng)功能架構

本系統(tǒng)功能架構根據(jù)電廠電氣柜實際業(yè)務需求進行設計，系統(tǒng)功能包括區(qū)域溫度綜合展示、趨勢預警、越限告警、報表導出四大模塊。

溫度綜合展示模塊實現(xiàn)對監(jiān)測設備及監(jiān)測情況的統(tǒng)一概覽，包括開關柜位置、網關在線狀態(tài)、溫度數(shù)值、實時統(tǒng)計等功能,以圖表的方式對監(jiān)測區(qū)域、監(jiān)測點位、監(jiān)測時長、監(jiān)測類型等信息進行綜合展示；以區(qū)域為劃分,實時顯示該區(qū)域內溫度,實時統(tǒng)計可對當前設備在線數(shù)量、預警、告警等情況進行展示。

趨勢預警模塊對周期內溫度發(fā)展趨勢進行分析預警,包括狀態(tài)曲線、狀態(tài)分析、趨勢預警等功能,狀態(tài)曲線可根據(jù)不同周期對溫度信息進行可視化展示,狀態(tài)分析可結合實時/歷史數(shù)據(jù)進行均值、極值、方差等計算分析，趨勢預警可根據(jù)監(jiān)測值的異常變動進行實時預警。

越限告警模塊對溫度越限進行多路徑告警，包括越限彈窗、消息推送、短信提醒等功能，越限彈窗指當溫度超過預設范圍時，系統(tǒng)通過強制彈窗以醒目的方式在前端進行警報。

報表導出模塊用于實現(xiàn)電廠運行人員制定日常報表,包括報表生成、定時任務、數(shù)據(jù)分析等功能。報表生成通過自主組合設備點位和監(jiān)測屬性進行報表自動導出;定時任務可通過設置時間實現(xiàn)報表導出功能，數(shù)據(jù)分析可根據(jù)周期內監(jiān)測情況對區(qū)域狀態(tài)進行評估。系統(tǒng)功能架構圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)功能架構圖

5系統(tǒng)應用

利用電氣開關柜檢修間隙安裝測溫傳感器和智能網關RTU,在廠用配電系統(tǒng)開關柜實行掛網試點。每個開關柜A、B、C三相電纜觸頭分布安裝3個紅外測溫傳感器和1個溫度匯聚主機，每段母線安裝2個智能網關RTU采集終端，傳感器與溫度匯聚主機采用Zigbee協(xié)議自組網通信,溫度匯聚主機與網關RTU采集終端之間采用RS485總線連接, 數(shù)據(jù)經網關RTU采集終端傳輸?shù)轿锫?lián)網云平臺，基于云平臺開展APP應用功能開發(fā)，整體系統(tǒng)架構如圖1所示。經過一個月的系統(tǒng)試運行，測溫數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，告警及時有效,并在APP上準確顯示,實現(xiàn)對開關柜測溫數(shù)據(jù)遠程監(jiān)測，減少設備運維工作量。圖6為2D7-Q5開關柜三相觸頭1個月內溫度曲線圖，圖7為APP端開關柜實時數(shù)據(jù)顯示頁面。

圖6 2D7-Q5開關柜溫度監(jiān)測曲線圖

圖7 APP端開關柜實時數(shù)據(jù)顯示頁面

6安科瑞溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)解決方案

6.1概述

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

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)通過RS485總線或以太網與間隔層的設備直接進行通訊，系統(tǒng)設計遵循國際標準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、遙設、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能，可以監(jiān)控無線測溫系統(tǒng)的設備運行狀況，實現(xiàn)快速報警響應，預防嚴重故障發(fā)生。

6.2應用場所

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

6.3系統(tǒng)結構

溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

6.4系統(tǒng)功能

測溫系統(tǒng)主機Acrel-2000T安裝于值班監(jiān)控室，可以遠程監(jiān)視系統(tǒng)內所有開關設備運行溫度狀態(tài)。系統(tǒng)具有以下主要功能：

溫度顯示：顯示配電系統(tǒng)內每個測溫點的實時值，也可實現(xiàn)電腦WEB/手機APP遠程查看數(shù)據(jù)。

溫度曲線：查看每個測溫點的溫度趨勢曲線。

運行報表：查詢及打印各測溫點時間的溫度數(shù)據(jù)。

實時告警：系統(tǒng)能夠對各測溫點異常溫度發(fā)出告警。系統(tǒng)具有實時語音報警功能，能夠對所有事件發(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。

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

6.5系統(tǒng)硬件配置

溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由設備層的溫度傳感器和溫度采集/顯示單元，通訊層的邊緣計算網關以及站控層的測溫系統(tǒng)主機組成，實現(xiàn)變配電系統(tǒng)關鍵電氣部位的溫度在線監(jiān)測。

名稱	外形	型號	參數(shù)說明
系統(tǒng)組態(tài)軟件		Acrel-2000/T	硬件：內存4G，硬盤500G，以太網口。 顯示器：21寸，分辨率1280*1024。 操作系統(tǒng)：Windows764位簡體中文旗艦版。 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：MicrosoftSQLServer2008R2。 通訊協(xié)議：IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、ModbusRTU、ModbusTCP等國際標準通信規(guī)約
智能通信 管理機		Anet-2E4SM	通用網關，2路網口，4路RS485，可選配1路LORA，帶電告警功能，支持485，4G從模塊擴展。
無線測溫集中采集設備		Acrel-2000T/A	壁掛式安裝 標配一路485接口、一路以太網口 自帶蜂鳴器告警 柜體尺寸480*420*200（單位mm）
	Acrel-2000T/B	硬件：內存4G，硬盤128G，以太網口 顯示器：12寸，分辨率800*600 操作系統(tǒng)：Windows7 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：MicrosoftSQLServer2008R2 可選Web平臺/APP服務器 柜體尺寸為480*420*200（單位mm)
顯示終端		ATP007 ATP010	DC24V供電；一路上行RS485接口；一路下行RS485接口；可接收20個ATC200/1個ATC400/1個ATC450-C。
	ARTM-Pn	面框96*96*17mm，深度65mm；開孔92*92mm； AC85-265V或DC100-300V供電； 一路上行RS485接口，Modbus協(xié)議； 可接收60個ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。
	ASD320 ASD300	面框237.5*177.5*15.3mm，深度67mm；開孔220*165mm； AC85-265V或DC100-300V供電； 一路上行RS485接口，Modbus協(xié)議； 可接收12個ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。
智能溫度 巡檢儀		ARTM-8	開孔88*88mm嵌入式按照； AC85-265V或DC100-300V供電； 一路上行RS485接口，Modbus協(xié)議； 可接入8路PT100傳感器，適用于低壓開關柜電氣接點、變壓器繞組、點擊繞組等場合的測溫；
	ARTM-24	35MM導軌安裝； AC85-265V或DC100-300V供電； 一路上行RS485接口，Modbus協(xié)議； 24路NTC或PT100、1路溫濕度測溫、2路繼電器告警輸出，用于低壓電氣接點、變壓器繞組、點擊繞組等場所測溫；
無線收發(fā)器		ATC450-C	可接收60個ATE100/ATE100M/ATE200/ATC400/ATE100P/ATE200P傳感器數(shù)據(jù)。
	ATC600	ATC600有兩種規(guī)格；ATC600-C可接收240個ATE100/ATE100M/ATE200/ATC400/ATE100P/ATE200P傳感器數(shù)據(jù)。ATC600-Z做中繼透傳。
電池型無線測溫傳感器		ATE100M	電池供電，壽命≥5年；-50℃~+125℃； 精度±1℃；470MHz，空曠距離150米； 32.4*32.4*16mm(長*寬*高)。
	ATE200	電池供電，壽命≥5年；-50℃~+125℃； 精度±1℃；470MHz，空曠距離150米； 35*35*17mm，L=330mm(長*寬*高，三色表帶)。
	ATE200P	電池供電，壽命≥5年；-50℃~+125℃； 精度±1℃；470MHz，空曠距離150米,防護等級IP68；35*35*17mm，L=330mm(長*寬*高，三色表帶)。
CT取電型無線測溫傳感器		ATE400	CT感應取電，啟動電流≥5a； -50℃~125℃；精度±1℃470MHz，空曠距離150米； 合金片固定、取電；三色外殼；25.82*20.42*12.8mm(長*寬*高)。
有線溫度 傳感器		PT100	用于低壓接點測溫時，具體封裝、精度、線制、線材、線長與供應商聯(lián)系； 用于變壓器、電機繞組測溫時，建議變壓器或電機內部預埋好Pt100
	NTC	用于低壓接點測溫時，具體封裝、精度、線制、線材、線長與供應商聯(lián)系；

7安科瑞AMB300系列母線槽紅外測溫解決方案

安科瑞AMB300系列母線槽紅外測溫解決方案，這是一款非接觸式紅外測溫裝置，能夠解決母線槽溫升過高的問題，實時把連接器中每相溫度數(shù)據(jù)上傳后臺，提示管理人員應對報警點予以重視或采取必要的預防措施。

此母線槽紅外測溫解決方案由人機HMI觸摸屏，紅外測溫模塊，紅外采集器，電源模塊組成。該系統(tǒng)通過RS485線與本地觸摸屏和后臺監(jiān)控進行通信（如下圖），系統(tǒng)設計遵循際標準Modbus-RTU傳輸規(guī)約，安全性、可靠性和開放性都得到了很大地提高。RS-485作為一種串行通信的接口具有傳輸距離長、速度較高、電平兼容性好、使用靈活方便、成本低廉和可靠度高等特點，與無線通信方式相比，具有價格低、抗共模干擾能力強等優(yōu)點。

AMB300紅外測溫組網示意圖

AMB300紅外測溫系統(tǒng)拓撲圖

AMB300紅外測溫原理示意圖

AMB300-D4 AMB300-D1 AMB300-Z

AMB300紅外測溫管理軟件界面

安科瑞系統(tǒng)平臺界面

8結論

本文針對洪江水電廠電氣開關柜溫度在線監(jiān)測需求問題，設計了一種基于物聯(lián)網的水電廠開關柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對電廠配電系統(tǒng)電氣開關柜的溫度快速采集，并在APP應用端實時監(jiān)測。該系統(tǒng)采用物聯(lián)網技術開展數(shù)據(jù)采集、傳輸和計算，大大地減少了現(xiàn)場施工量及人工成本，快速實現(xiàn)了開關柜測溫系統(tǒng)建設和應用,為開關柜智能診斷提供決策基礎。因此該系統(tǒng)在技術和功能上設計完整、適用性強，提升了水電廠設備安全管理水平，具有較高的推廣價值。

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審核編輯 黃宇