摘要：針對洪江水電廠(chǎng)電氣開(kāi)關(guān)柜溫度無(wú)法在線(xiàn)監測的問(wèn)題,本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水電廠(chǎng)開(kāi)關(guān)柜溫度測量系統。該系統部署簡(jiǎn)單高效，能快速采集設備溫度數據，通過(guò)4G或者WiFi無(wú)線(xiàn)信號將數據送入物聯(lián)網(wǎng)云平臺，實(shí)現開(kāi)關(guān)柜溫度遠程實(shí)時(shí)監測，為開(kāi)關(guān)柜狀態(tài)診斷提供決策依據。此外，該系統解決了人工巡檢成本高、數據及時(shí)率低、作業(yè)風(fēng)險高等難題，消除設備潛在的隱患，保障了水電廠(chǎng)設備的安全穩定運行，在水電場(chǎng)景中具有特定地應用價(jià)值，并為智能電廠(chǎng)運行維護提供可靠的解決方案。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);云平臺；無(wú)線(xiàn)信號

0引言

洪江水力發(fā)電廠(chǎng)為燈泡貫流式機組,位于湖南省懷化市洪江區上游，在沅水干流的中上游河段, 是沅水干流開(kāi)發(fā)規劃中的重要梯級工程。電廠(chǎng)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(chǎng)。

本文基于洪江水電廠(chǎng)開(kāi)關(guān)柜設備的實(shí)際測溫需求，探索獨立于傳統溫度采集系統之外的測溫方案，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水電廠(chǎng)電氣開(kāi)關(guān)柜溫度測量系統。該系統在電廠(chǎng)開(kāi)關(guān)柜中實(shí)施并成功應用,包括廠(chǎng)用配電系統開(kāi)關(guān)柜和抽屜柜、高壓斷路器等設備，取得良好的實(shí)踐，實(shí)現了溫度在移動(dòng)APP與WEB應用端在線(xiàn)監測，減少了重要電氣設備運行風(fēng)險，提高了安全運行指數。

1概述

電力行業(yè)經(jīng)常發(fā)生因電力電纜和設備過(guò)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(shí)間內無(wú)法恢復生產(chǎn),從而造成重大經(jīng)濟損失。據國家電力安全事故通報統計,每年發(fā)生在電站的電力事故中40%是由電氣設備過(guò)熱所致鐵各電廠(chǎng)高低壓設備連接部位如母線(xiàn)連接點(diǎn)、開(kāi)關(guān)、斷路器動(dòng)觸頭等由于氣候冷熱變化、材料老化、銹蝕、松動(dòng)等原因易造成接觸不良、接觸電阻增大，長(cháng)期運行造成的斷路器觸頭過(guò)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(kāi)展基于物聯(lián)網(wǎng)的電氣開(kāi)關(guān)柜遠程監測與應用設計，解決電廠(chǎng)巡檢人員作業(yè)風(fēng)險大、數據共享難等問(wèn)題，實(shí)現溫度遠程在線(xiàn)監測功能，進(jìn)一步提高設備運行的可靠性和安全性。

2系統技術(shù)架構

系統技術(shù)架構由溫度傳感器及溫度匯聚主機、智能網(wǎng)關(guān)RTU、物聯(lián)網(wǎng)云平臺、移動(dòng)APP端和WEB應用端五大模塊組成,利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現數據采集、匯聚、上傳、存儲、應用五大功能。其中智能網(wǎng)關(guān)RTU和物聯(lián)網(wǎng)云平臺為本系統的兩大核心模塊，該智能網(wǎng)關(guān)具有多種采集接口、兼顧常用的工業(yè)通信協(xié)議,具有較高的數據采集及運算能力鐵系統技術(shù)架構圖如圖1所示。

圖1系統技術(shù)架構圖

2.1溫度傳感器

根據電氣柜設備的結構和測量方式，本系統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(chǎng)用配電系統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。數據匯聚后統一發(fā)送到MT562測溫主機中，對外以RS485接口進(jìn)行數據傳輸，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(chǎng)用配電系統開(kāi)關(guān)柜進(jìn)出線(xiàn)銅排和母排電纜接線(xiàn)端的溫度監測，由于開(kāi)關(guān)柜斷路器銅排寬度達5cm,運行電流大,因此選用接觸式無(wú)線(xiàn)無(wú)源溫度傳感器WT01,該傳感器體積小、安裝方便、組網(wǎng)靈活可靠,并且通過(guò)開(kāi)關(guān)柜銅排的運行電流自感應取電。因此解決了傳統溫度傳感器需更換電池的痛點(diǎn)，降低了作業(yè)風(fēng)險和運維成本。WT01溫度傳感器通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻（Zigbee協(xié)議）將數據發(fā)送至溫度匯聚主機，匯聚主機使用MT565進(jìn)行數據采集，并提供RS485接口進(jìn)行數據通信,無(wú)線(xiàn)傳感器的安裝示意如圖3所示。

圖3 無(wú)線(xiàn)測溫傳感器安裝示意圖

2.2智能網(wǎng)關(guān)RTU

本系統采用自研的電力智能網(wǎng)關(guān)RTU,該網(wǎng)關(guān)裝置具有多種數據接入方式，兼容modbusRTU、modbusTCP等主流通信協(xié)議,并支持有線(xiàn)接入和無(wú)線(xiàn)接入方式，能實(shí)現局部區域內大量傳感器或智能終端數據采集。網(wǎng)關(guān)內置4G與WIFI無(wú)線(xiàn)信號信模塊,能實(shí)現現場(chǎng)端設備與遠方物聯(lián)網(wǎng)云平臺的數據通信和信息互聯(lián)。將網(wǎng)關(guān)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(kāi)關(guān)柜的溫度進(jìn)行采集。以無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )為傳輸載

體，根據溫度標準物模型將數據進(jìn)行封裝,包括屬性、事件、服務(wù)，采用MQTT通訊協(xié)議將數據發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)云平臺，云平臺接受數據后自動(dòng)解析,實(shí)現數據一體化采集、存儲、傳輸及解析。

2.3物聯(lián)網(wǎng)云平臺

物聯(lián)網(wǎng)云平臺是物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統中重要部分，通過(guò)多種的網(wǎng)絡(luò )連接手段將設備狀態(tài)信息與互聯(lián)網(wǎng)連通，實(shí)現對設備智能化感知、識別和管理，是各類(lèi)設備連接到場(chǎng)景應用的關(guān)鍵“橋梁"。本系統物聯(lián)網(wǎng)云平臺負責接收網(wǎng)關(guān)RTU上報的溫度數據、并向網(wǎng)關(guān)RTU下發(fā)指令，實(shí)現數據進(jìn)行讀取、計算和顯示。除此之外,云平臺對網(wǎng)關(guān)設備進(jìn)行統一認證和管理，提供可視化的安全管理。接入云平臺的溫度數據統一進(jìn)行編碼和治理,為移動(dòng)APP端和WEB應用端提供數據服務(wù)。

2.4移動(dòng)APP端和WEB應用端

移動(dòng)APP端和WEB應用端是基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺進(jìn)行開(kāi)發(fā),通過(guò)調用云平臺存儲的溫度數據,將數據呈現給用戶(hù)，實(shí)現數據的可視化應用。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(shí)現對電氣開(kāi)關(guān)柜狀態(tài)的綜合顯示及智能預警,保障設備安全運行。

3系統總體架構

本系統總體架構按照縱向分層的原則開(kāi)展整體建設，包括感知層、支撐層和應用層三個(gè)層次。感知層以洪江電廠(chǎng)現場(chǎng)電氣柜溫度監測為數據來(lái)源，包括各配電系統的開(kāi)關(guān)柜銅排和抽屜柜觸頭溫度。系統以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為傳輸手段,連接感知層和支撐層。支撐層主要由物聯(lián)網(wǎng)平臺組成，負責系統開(kāi)發(fā)所需的關(guān)鍵資源與技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)平臺提供設備接入、設備管理、數據解析等服務(wù)，并提供數據存儲和數據治理等功能，同時(shí)為其他系統數據調用提供支撐。應用層實(shí)現對洪江電廠(chǎng)電氣柜溫度監測可視化展示與應用，涵蓋了 WEB應用與移動(dòng)APP兩個(gè)部分。系統總體架構圖如圖4所示。

圖4 系統總體架構圖

4系統功能架構

本系統功能架構根據電廠(chǎng)電氣柜實(shí)際業(yè)務(wù)需求進(jìn)行設計，系統功能包括區域溫度綜合展示、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(shí)現對監測設備及監測情況的統一概覽，包括開(kāi)關(guān)柜位置、網(wǎng)關(guān)在線(xiàn)狀態(tài)、溫度數值、實(shí)時(shí)統計等功能,以圖表的方式對監測區域、監測點(diǎn)位、監測時(shí)長(cháng)、監測類(lèi)型等信息進(jìn)行綜合展示；以區域為劃分,實(shí)時(shí)顯示該區域內溫度,實(shí)時(shí)統計可對當前設備在線(xiàn)數量、預警、告警等情況進(jìn)行展示。

趨勢預警模塊對周期內溫度發(fā)展趨勢進(jìn)行分析預警,包括狀態(tài)曲線(xiàn)、狀態(tài)分析、趨勢預警等功能,狀態(tài)曲線(xiàn)可根據不同周期對溫度信息進(jìn)行可視化展示,狀態(tài)分析可結合實(shí)時(shí)/歷史數據進(jìn)行均值、極值、方差等計算分析，趨勢預警可根據監測值的異常變動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)預警。

越限告警模塊對溫度越限進(jìn)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(guò)預設范圍時(shí)，系統通過(guò)強制彈窗以醒目的方式在前端進(jìn)行警報。

報表導出模塊用于實(shí)現電廠(chǎng)運行人員制定日常報表,包括報表生成、定時(shí)任務(wù)、數據分析等功能。報表生成通過(guò)自主組合設備點(diǎn)位和監測屬性進(jìn)行報表自動(dòng)導出;定時(shí)任務(wù)可通過(guò)設置時(shí)間實(shí)現報表導出功能，數據分析可根據周期內監測情況對區域狀態(tài)進(jìn)行評估。系統功能架構圖如圖5所示。

圖5 系統功能架構圖

5系統應用

利用電氣開(kāi)關(guān)柜檢修間隙安裝測溫傳感器和智能網(wǎng)關(guān)RTU,在廠(chǎng)用配電系統開(kāi)關(guān)柜實(shí)行掛網(wǎng)試點(diǎn)。每個(gè)開(kāi)關(guān)柜A、B、C三相電纜觸頭分布安裝3個(gè)紅外測溫傳感器和1個(gè)溫度匯聚主機，每段母線(xiàn)安裝2個(gè)智能網(wǎng)關(guān)RTU采集終端，傳感器與溫度匯聚主機采用Zigbee協(xié)議自組網(wǎng)通信,溫度匯聚主機與網(wǎng)關(guān)RTU采集終端之間采用RS485總線(xiàn)連接, 數據經(jīng)網(wǎng)關(guān)RTU采集終端傳輸到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，基于云平臺開(kāi)展APP應用功能開(kāi)發(fā)，整體系統架構如圖1所示。經(jīng)過(guò)一個(gè)月的系統試運行，測溫數據傳輸穩定，告警及時(shí)有效,并在A(yíng)PP上準確顯示,實(shí)現對開(kāi)關(guān)柜測溫數據遠程監測，減少設備運維工作量。圖6為2D7-Q5開(kāi)關(guān)柜三相觸頭1個(gè)月內溫度曲線(xiàn)圖，圖7為APP端開(kāi)關(guān)柜實(shí)時(shí)數據顯示頁(yè)面。

圖6 2D7-Q5開(kāi)關(guān)柜溫度監測曲線(xiàn)圖

圖7 APP端開(kāi)關(guān)柜實(shí)時(shí)數據顯示頁(yè)面

6安科瑞溫度在線(xiàn)監測系統解決方案

6.1概述

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

Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測溫監控系統通過(guò)RS485總線(xiàn)或以太網(wǎng)與間隔層的設備直接進(jìn)行通訊，系統設計遵循國際標準Modbus-RTU、Modbus-TCP等傳輸規約，安全性、可靠性和開(kāi)放性都得到了較大地提高。該系統具有遙信、遙測、遙控、遙調、遙設、事件報警、曲線(xiàn)、棒圖、報表和用戶(hù)管理功能，可以監控無(wú)線(xiàn)測溫系統的設備運行狀況，實(shí)現快速報警響應，預防嚴重故障發(fā)生。

6.2應用場(chǎng)所

適合在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)、鋼廠(chǎng)、化工、水泥、數據中心、醫院、機場(chǎng)、電廠(chǎng)、煤礦等廠(chǎng)礦企業(yè)、變配電所等電力設備的溫度監測。

6.3系統結構

溫度在線(xiàn)監測系統結構圖

6.4系統功能

測溫系統主機Acrel-2000T安裝于值班監控室，可以遠程監視系統內所有開(kāi)關(guān)設備運行溫度狀態(tài)。系統具有以下主要功能：

1. 溫度顯示：顯示配電系統內每個(gè)測溫點(diǎn)的實(shí)時(shí)值，也可實(shí)現電腦WEB/手機APP遠程查看數據。

1. 溫度曲線(xiàn)：查看每個(gè)測溫點(diǎn)的溫度趨勢曲線(xiàn)。

1. 運行報表：查詢(xún)及打印各測溫點(diǎn)時(shí)間的溫度數據。

1. 實(shí)時(shí)告警：系統能夠對各測溫點(diǎn)異常溫度發(fā)出告警。系統具有實(shí)時(shí)語(yǔ)音報警功能，能夠對所有事件發(fā)出語(yǔ)音告警，告警方式有彈窗、語(yǔ)音告警等，還可以短信/APP推送告警消息，及時(shí)提醒值班人員。

1. 歷史事件查詢(xún)：能夠溫度越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析等。

6.5系統硬件配置

溫度在線(xiàn)監測系統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(wǎng)關(guān)以及站控層的測溫系統主機組成，實(shí)現變配電系統關(guān)鍵電氣部位的溫度在線(xiàn)監測。

名稱(chēng)

外形

型號

參數說(shuō)明

系統組態(tài)軟件

Acrel-2000/T

硬件：內存4G，硬盤(pán)500G，以太網(wǎng)口。

顯示器：21寸，分辨率1280*1024。

操作系統：Windows764位簡(jiǎn)體中文旗艦版。

數據庫系統：MicrosoftSQLServer2008R2。

通訊協(xié)議：IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、ModbusRTU、ModbusTCP等國際標準通信規約

智能通信

管理機

Anet-2E4SM

通用網(wǎng)關(guān)，2路網(wǎng)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(wú)線(xiàn)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(wǎng)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(pán)128G，以太網(wǎng)口

顯示器：12寸，分辨率800*600

操作系統：Windows7

數據庫系統：MicrosoftSQLServer2008R2

可選Web平臺/APP服務(wù)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(gè)ATC200/1個(gè)ATC400/1個(gè)ATC450-C。

ARTM-Pn

面框96*96*17mm，深度65mm；開(kāi)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(gè)ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。

ASD320

ASD300

面框237.5*177.5*15.3mm，深度67mm；開(kāi)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(gè)ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。

智能溫度

巡檢儀

ARTM-8

開(kāi)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(kāi)關(guān)柜電氣接點(diǎn)、變壓器繞組、點(diǎn)擊繞組等場(chǎng)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(diǎn)、變壓器繞組、點(diǎn)擊繞組等場(chǎng)所測溫；

無(wú)線(xiàn)收發(fā)器

ATC450-C

可接收60個(gè)ATE100/ATE100M/ATE200/ATC400/ATE100P/ATE200P傳感器數據。

ATC600

ATC600有兩種規格；ATC600-C可接收240個(gè)ATE100/ATE100M/ATE200/ATC400/ATE100P/ATE200P傳感器數據。ATC600-Z做中繼透傳。

電池型無(wú)線(xiàn)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(cháng)*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(cháng)*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(cháng)*寬*高，三色表帶)。

CT取電型無(wú)線(xiàn)測溫傳感器

ATE400

CT感應取電，啟動(dòng)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(cháng)*寬*高)。

有線(xiàn)溫度

傳感器

PT100

用于低壓接點(diǎn)測溫時(shí)，具體封裝、精度、線(xiàn)制、線(xiàn)材、線(xiàn)長(cháng)與供應商聯(lián)系；

用于變壓器、電機繞組測溫時(shí)，建議變壓器或電機內部預埋好Pt100

NTC

用于低壓接點(diǎn)測溫時(shí)，具體封裝、精度、線(xiàn)制、線(xiàn)材、線(xiàn)長(cháng)與供應商聯(lián)系；

7安科瑞AMB300系列母線(xiàn)槽紅外測溫解決方案

安科瑞AMB300系列母線(xiàn)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(xiàn)槽溫升過(guò)高的問(wèn)題，實(shí)時(shí)把連接器中每相溫度數據上傳后臺，提示管理人員應對報警點(diǎn)予以重視或采取必要的預防措施。

此母線(xiàn)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。該系統通過(guò)RS485線(xiàn)與本地觸摸屏和后臺監控進(jìn)行通信（如下圖），系統設計遵循際標準Modbus-RTU傳輸規約，安全性、可靠性和開(kāi)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(cháng)、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(diǎn)，與無(wú)線(xiàn)通信方式相比，具有價(jià)格低、抗共模干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)。

AMB300紅外測溫組網(wǎng)示意圖

AMB300紅外測溫系統拓撲圖

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

安科瑞系統平臺界面

8結論

本文針對洪江水電廠(chǎng)電氣開(kāi)關(guān)柜溫度在線(xiàn)監測需求問(wèn)題，設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水電廠(chǎng)開(kāi)關(guān)柜溫度監測系統，實(shí)現了對電廠(chǎng)配電系統電氣開(kāi)關(guān)柜的溫度快速采集，并在A(yíng)PP應用端實(shí)時(shí)監測。該系統采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)展數據采集、傳輸和計算，大大地減少了現場(chǎng)施工量及人工成本，快速實(shí)現了開(kāi)關(guān)柜測溫系統建設和應用,為開(kāi)關(guān)柜智能診斷提供決策基礎。因此該系統在技術(shù)和功能上設計完整、適用性強，提升了水電廠(chǎng)設備安全管理水平，具有較高的推廣價(jià)值。