陳本彬，陳明華，莊志堅(jiān)，謝靈利

(1.廈門理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361024；2.ABB(中國(guó))有限公司中壓產(chǎn)品技術(shù)中心，福建 廈門 361006)

0 引言

開關(guān)柜在電力系統(tǒng)中承擔(dān)著保護(hù)電氣設(shè)備以及人員安全、保證供電可靠性等重要任務(wù)。隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，工業(yè)和居民的用電負(fù)荷也飛速增長(zhǎng)，開關(guān)柜工作在較大負(fù)荷時(shí)容易發(fā)生過熱故障。其主要的發(fā)熱位置有三處，分別為開關(guān)柜的母排接頭、電纜接頭和斷路器的觸指。這三處位置長(zhǎng)期處于高電壓和極強(qiáng)的電磁干擾環(huán)境中，由于設(shè)備制造，環(huán)境污染，觸點(diǎn)氧化等原因，可能造成接觸電阻增大。當(dāng)通過較大的電流時(shí)容易發(fā)熱并導(dǎo)致設(shè)備的絕緣損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)斷路器爆炸[1]。因此，有必要在開關(guān)柜內(nèi)對(duì)這三處主回路的連接點(diǎn)進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

目前，許多溫度無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)終端采用電池供電方案。這類方案不利于無線溫度監(jiān)測(cè)終端的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，而且，絕大多溫度警報(bào)系統(tǒng)采用一個(gè)固定的報(bào)警閾值。該報(bào)警方式在溫度值較高時(shí)才能發(fā)出警報(bào)，此時(shí)的開關(guān)柜絕緣性能可能已經(jīng)在高溫下被破壞[2-9]。其他溫度報(bào)警方案，如文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[6]中應(yīng)用的溫度預(yù)測(cè)算法，則需要進(jìn)行復(fù)雜的微分計(jì)算，且只能預(yù)測(cè)短期內(nèi)的溫度趨勢(shì)，在較低溫度時(shí)仍然無法發(fā)現(xiàn)潛在的故障，所以這類溫度報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值還有待提高。

基于上述情況，為了提高開關(guān)柜無線監(jiān)測(cè)終端的應(yīng)用價(jià)值，本文提出了一種基于動(dòng)態(tài)溫升預(yù)警模型的開關(guān)柜無線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)中的無線溫度監(jiān)測(cè)終端采用電流互感器(current transformer,CT)取電的方式從測(cè)量點(diǎn)獲取電源，使用數(shù)字溫度傳感器監(jiān)測(cè)溫度，并通過ZigBee模塊向上位機(jī)發(fā)溫度數(shù)據(jù)。上位機(jī)集成了溫度傳感器和霍爾電流傳感器，分別監(jiān)測(cè)柜內(nèi)環(huán)境溫度和主回路電流，再通過網(wǎng)關(guān)將所有數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。服務(wù)器中采用動(dòng)態(tài)溫升預(yù)警模型結(jié)合以上采集得到的數(shù)據(jù)，可以在監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度較低時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的熱缺陷故障并發(fā)出警報(bào)，提醒運(yùn)行人員采取相應(yīng)措施。

1 無線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作要求，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)由監(jiān)控站服務(wù)器、站級(jí)網(wǎng)關(guān)和各個(gè)開關(guān)柜的溫度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)組成的開關(guān)柜動(dòng)態(tài)預(yù)警無線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)由位于柜中各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的無線溫度監(jiān)測(cè)終端和位于開關(guān)柜低壓室中的上位機(jī)組成，上位機(jī)負(fù)責(zé)收集本臺(tái)開關(guān)柜的數(shù)據(jù)，并通過RS-485總線和Modbus協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)作為一個(gè)中繼站，通過工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控站的服務(wù)器中。在監(jiān)控站服務(wù)器中，應(yīng)用動(dòng)態(tài)溫升預(yù)警模型對(duì)各個(gè)開關(guān)柜的運(yùn)行狀況進(jìn)行診斷。一旦開關(guān)柜的溫度超過模型中設(shè)定的動(dòng)態(tài)閾值，則報(bào)警系統(tǒng)向運(yùn)維人員發(fā)出警報(bào)。

2 無線溫度監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)

2.1 無線溫度監(jiān)測(cè)終端硬件設(shè)計(jì)

無線溫度監(jiān)測(cè)終端的任務(wù)是監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)溫度，并通過ZigBee將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)中。因此，綜合考慮硬件需求和可靠性，設(shè)計(jì)了如圖2所示的無線溫度監(jiān)測(cè)終端硬件結(jié)構(gòu)。

圖2 終端硬件結(jié)構(gòu)圖

無線溫度監(jiān)測(cè)終端的電源模塊采用CT從主回路中取得電源，電源模塊原理如圖3所示。CT電流經(jīng)端口AC1和AC2流入，通過由D2、D3、R1、R2和Q1組成的電壓限位電路再連接到整流橋和儲(chǔ)能電容C1，最后連接到線性穩(wěn)壓芯片AMS1117，輸出3.3 V直流電源為各個(gè)模塊供電。考慮到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境嚴(yán)酷，終端的可靠性要求較高，本方案采用PIC16F18446微控制器作為微控制器單元(micro controller unit,MCU)。它的工作溫度范圍為-40～+125 ℃，有11個(gè)輸入/輸出(input/output，I/O)接口，且?guī)в?2位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-digital converter，ADC)接口和足夠多的外設(shè)接口可供使用。

圖3 終端電源模塊原理圖

在目前的開關(guān)柜在線監(jiān)測(cè)設(shè)備中，常用的溫度傳感器為三種，分別為光纖、紅外線和數(shù)字溫度傳感器，少數(shù)使用聲表面波傳感器。其中，光纖傳感器只能以有線方式安裝在母線側(cè)，不能安裝在斷路器的觸指上，而且光纖質(zhì)地脆弱，長(zhǎng)期工作在高壓下表面容易積灰并產(chǎn)生爬電隱患。紅外線成像技術(shù)則難以適應(yīng)開關(guān)柜結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜緊湊的情況。聲表面波傳感器相互之間容易產(chǎn)生同頻信號(hào)的干擾，并且斷路器動(dòng)作時(shí)的振動(dòng)將導(dǎo)致它的相位發(fā)生變化，精度降低。經(jīng)綜合考慮，本方案中采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器監(jiān)測(cè)溫度。它體積小，與微處理器之間僅需要一條線就能實(shí)現(xiàn)雙向通信，并直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)。同時(shí)，它可傳送循環(huán)冗余碼校驗(yàn)(cyclic redundancy check，CRC)校驗(yàn)碼，有極強(qiáng)的抗干擾能力，穩(wěn)定性和精度都能滿足要求，已被廣泛應(yīng)用于各類開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中[2-7]。

ZigBee模塊則由無線射頻收發(fā)芯片CC2520和板載天線組成。CC2520支持封包處理、數(shù)據(jù)緩沖、數(shù)據(jù)驗(yàn)證等功能具有較好的穩(wěn)定性。同時(shí)，其與MCU之間通過串行外設(shè)接口(serial peripheral interface，SPI)傳輸數(shù)據(jù)，使用方便，通信可靠性高。

2.2 無線溫度監(jiān)測(cè)終端程序設(shè)計(jì)

子系統(tǒng)程序流程如圖4所示。

圖4 子系統(tǒng)程序流程圖

在變電站中，開關(guān)柜之間的距離很近，彼此之間容易產(chǎn)生通信干擾，它是程序設(shè)計(jì)中需要解決的關(guān)鍵問題。區(qū)別于普通的ZigBee無線監(jiān)測(cè)終端，為了提高通信的穩(wěn)定性，本文提出了一種增強(qiáng)通信穩(wěn)定性的方法。在每次溫度監(jiān)測(cè)終端完成報(bào)文發(fā)送后，終端會(huì)進(jìn)入等待上位機(jī)回復(fù)的階段。若在設(shè)定時(shí)間內(nèi)沒有收到回復(fù)，則進(jìn)入另一段程序。在這段程序中定義了一個(gè)全局變量對(duì)無回復(fù)次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)報(bào)文發(fā)送后沒收到回復(fù)則此變量值加1再進(jìn)入休眠。一旦超過3次沒有收到回復(fù)說明此時(shí)通信出現(xiàn)故障，MCU將重啟ZigBee模塊再次嘗試通信。

ZigBee協(xié)議在2.4 GHz頻段定義了16個(gè)不同頻率的信道，在進(jìn)行無線溫度監(jiān)測(cè)終端配網(wǎng)時(shí)必須為相鄰的開關(guān)柜的設(shè)備設(shè)置不同的網(wǎng)絡(luò)信道。另外，ZigBee協(xié)議中定義了一個(gè)名為個(gè)人域網(wǎng)標(biāo)志符(personal area network identifier，PAN_ID)的參數(shù)，同一個(gè)局域網(wǎng)中的所有設(shè)備擁有相同PAN_ID，上位機(jī)通過它判斷終端是否屬于本網(wǎng)絡(luò)，因此必須為相鄰開關(guān)柜配置不同的PAN_ID。同時(shí)，因?yàn)榻K端周期性地工作和休眠，為了防止終端同時(shí)工作時(shí)產(chǎn)生的通信阻塞，各個(gè)終端的工作周期設(shè)置也需不同。表1所示為一臺(tái)開關(guān)柜中的無線監(jiān)測(cè)終端工作周期設(shè)置示例。至此，方案分別從物理通道和程序上隔離了不同開關(guān)柜的局域網(wǎng)，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力。

表1 監(jiān)測(cè)終端的工作周期示例

3 無線溫度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

無線溫度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)上位機(jī)的任務(wù)是收集各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上傳的溫度，同時(shí)監(jiān)測(cè)開關(guān)柜內(nèi)的環(huán)境溫度和主回路電流，并將所有數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)關(guān)。根據(jù)其功能，方案中設(shè)計(jì)了如圖5所示的上位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)。

圖5 上位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖

其中，溫度傳感器和ZigBee模塊同樣采用DS18B20和CC2520芯片，霍爾電流傳感器通過采集開關(guān)柜低壓室中的電纜電流互感器的出線電流，間接地監(jiān)測(cè)主回路電流。其輸出為模擬量，需經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路的處理再輸入MCU。MCU則采用STM32F103微控制器。

上位機(jī)的溫度數(shù)據(jù)接收是一個(gè)被動(dòng)過程。當(dāng)完成ZigBee模塊的初始化后，其可以自動(dòng)接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行回復(fù)，然后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在其自身緩存中，MCU只需要定時(shí)讀取數(shù)據(jù)即可。當(dāng)網(wǎng)關(guān)查詢上位機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，上位機(jī)將環(huán)境溫度、終端上傳的溫度和主回路電流等信息一同打包上傳至站級(jí)網(wǎng)關(guān)中。子系統(tǒng)上位機(jī)程序流程如圖6所示。

圖6 子系統(tǒng)上位機(jī)程序流程圖

4 開關(guān)柜動(dòng)態(tài)預(yù)警模型

開關(guān)柜動(dòng)態(tài)預(yù)警模型以健康開關(guān)柜的溫升數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度與主回路電流和通電時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。預(yù)警時(shí)，系統(tǒng)利用在線監(jiān)測(cè)得到的電流和通電時(shí)間，結(jié)合該函數(shù)關(guān)系計(jì)算溫升報(bào)警閾值，通過動(dòng)態(tài)變化的閾值，自動(dòng)判斷監(jiān)測(cè)點(diǎn)是否存在熱缺陷故障。

模型的建立首先需要得到正常開關(guān)柜的溫升隨電流的變化關(guān)系。根據(jù)參考文獻(xiàn)[11]中的有開關(guān)柜溫升計(jì)算公式：

(1)

式中：I為實(shí)時(shí)的最大相電流；Iref為開關(guān)柜的額定電流；Tref為額定電流下的穩(wěn)定溫升；Tstable為實(shí)時(shí)最大相電流的穩(wěn)定溫升；指數(shù)a可調(diào)節(jié)，此處可取值1.6～2.0[11]。

在式(1)中代入實(shí)時(shí)最大相電流，可以計(jì)算出開關(guān)柜在該電流值下的正常溫升。式(1)中的已知參數(shù)只有Iref，而額定電流下的穩(wěn)定溫升Tref需要通過試驗(yàn)獲得。實(shí)際上在開關(guān)柜的運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)，Tref受制造誤差和環(huán)境的影響不是一個(gè)確定的值，而是在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)。在這種情況下，很難使用一個(gè)確切的數(shù)學(xué)公式去計(jì)算Tref，因此需要采用概率與統(tǒng)計(jì)的方法來得到它。根據(jù)中心極限定理，在工業(yè)生產(chǎn)中一些現(xiàn)象受到許多相互獨(dú)立的隨機(jī)因素的影響。當(dāng)每個(gè)因素所產(chǎn)生的影響都很微小時(shí)，總的影響可以看作是服從正態(tài)分布的；而實(shí)際上的開關(guān)柜溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)也基本符合這個(gè)結(jié)論，因此可以采用正態(tài)分布來統(tǒng)計(jì)Tref。12 kV/3 150 A開關(guān)柜額定溫升的概率分布如圖7所示，經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)以X～(73.2，3)的正態(tài)分布模型擴(kuò)展Tref，能剛好覆蓋其變化范圍。

圖7 12 kV/3 150 A開關(guān)柜額定溫升的概率分布

圖7中，從左至右的第一條虛線左側(cè)內(nèi)的面積占正態(tài)分布總面積的80%，此范圍內(nèi)的溫度可以覆蓋到大多數(shù)的正常溫升狀況。將此虛線處的溫度作為Tref代入式(1)，計(jì)算得到的Tstable已經(jīng)能作為一個(gè)閾值。當(dāng)溫升超過Tstable時(shí)，可以認(rèn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)存在故障的可能性較高。而圖7中從左至右第二條虛線左側(cè)占正態(tài)分布總面積的95%，在此虛處選取另一個(gè)Tref進(jìn)行計(jì)算可以得到另一個(gè)完全覆蓋正常溫升情況的閾值，超過此閾值可認(rèn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)存在故障。仔細(xì)觀察式(1)可以發(fā)現(xiàn)，該式只引入了電流作為變量，而溫度的變化還與通電時(shí)間有關(guān)。通常在電流不變時(shí)，溫度隨時(shí)間變化大致呈指數(shù)形式增加。因此，考慮時(shí)間變量，還需根據(jù)文獻(xiàn)[12]再引入熱時(shí)間常數(shù)公式：

(2)

θstable=Tstable+θambient

(3)

式中：θn為實(shí)時(shí)溫度；θn-1為前一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度；θstable等于穩(wěn)定溫升Tstable加上環(huán)境溫度θambient；t為兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間的時(shí)間長(zhǎng)度；τ為熱時(shí)間常數(shù)。

式(2)原用于表示溫度計(jì)的溫度變化暫態(tài)過程，描述用溫度計(jì)溫度為θstable的某物時(shí)，經(jīng)過t時(shí)間后，讀數(shù)從θn-1變成θn的過程。顯然t=τ時(shí)式(2)等于e-1，τ即為溫度計(jì)的熱時(shí)間常數(shù)。這里同樣可以使用式(2)來計(jì)算開關(guān)柜的熱時(shí)間常數(shù)。取開關(guān)柜在額定電流下的試驗(yàn)溫升數(shù)據(jù)中兩個(gè)不同的溫度點(diǎn)和額定穩(wěn)定溫升代入式(2)，就可以計(jì)算出開關(guān)柜的熱時(shí)間常數(shù)τ。需要注意的是，斷路器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行環(huán)境等條件會(huì)影響τ的大小，不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)也不同，因此對(duì)于每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)需要單獨(dú)計(jì)算。最后，將式(2)變形為：

(4)

通過代入θstable和熱時(shí)間常數(shù)τ，可以計(jì)算得到隨電流以及時(shí)間變化的溫度報(bào)警閾值θn；而θ0可直接選取為當(dāng)前的溫度。在某廠家12 kV/3150A開關(guān)柜的母排接頭溫度曲線基礎(chǔ)上建立動(dòng)態(tài)溫升預(yù)警模型，其中的溫度報(bào)警閾值可以跟隨當(dāng)前電流值動(dòng)態(tài)變化。相較于固定報(bào)警閾值的方式，此模型在電流2 500 A、溫度不到80 ℃時(shí)，就能提醒運(yùn)行人員，有效提升了預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)用性。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的開關(guān)柜動(dòng)態(tài)預(yù)警無線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在常見的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上作出了許多改進(jìn)。對(duì)比常見的無線監(jiān)測(cè)終端，其在硬件上采用了CT取電的方式提高了終端的工作穩(wěn)定性；同時(shí)在軟件上考慮了實(shí)際運(yùn)行情況，提供了實(shí)用的防止通信干擾措施。為了使方案設(shè)計(jì)盡可能地貼合實(shí)際需求和現(xiàn)場(chǎng)情況，本文應(yīng)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了一個(gè)較準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)溫升預(yù)警模型，提高了報(bào)警系統(tǒng)的預(yù)警準(zhǔn)確性及其應(yīng)用價(jià)值。下一步的研究工作是盡可能地優(yōu)化設(shè)備提高穩(wěn)定性、可靠性，降低成本，拓展其應(yīng)用范圍，同時(shí)積累更多的數(shù)據(jù)以提高模型的精度。