淺談關于物聯網技術的水電廠電氣開關柜測溫系統設計應用及產品選型

任運業

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：針對洪江水電廠電氣開關柜溫度無法在線監測的問題,本文提出了一種基于物聯網技術的水電廠開關柜溫度測量系統。該系統部署簡單高效，能快速采集設備溫度數據，通過4G或者WiFi無線信號將數據送入物聯網云平臺，實現開關柜溫度遠程實時監測，為開關柜狀態診斷提供決策依據。此外，該系統解決了人工巡檢成本高、數據及時率低、作業風險高等難題，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：物聯網技術;云平臺；無線信號

0引言

洪江水力發電廠為燈泡貫流式機組,位于湖南省懷化市洪江區上游，在沅水干流的中上游河段, 是沅水干流開發規劃中的重要梯級工程。電廠共裝機6臺單機45 MW的水輪發電機組，總裝機容量270 MW,年設計發電量為10.17億kW?h,是一座具有發電、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，探索獨立于傳統溫度采集系統之外的測溫方案，提出一種基于物聯網技術的水電廠電氣開關柜溫度測量系統。該系統在電廠開關柜中實施并成功應用,包括廠用配電系統開關柜和抽屜柜、高壓斷路器等設備，取得良好的實踐，實現了溫度在移動APP與WEB應用端在線監測，減少了重要電氣設備運行風險，提高了安全運行指數。

1概述

電力行業經常發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。據國家電力安全事故通報統計,每年發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，因此開展基于物聯網的電氣開關柜遠程監測與應用設計，解決電廠巡檢人員作業風險大、數據共享難等問題，實現溫度遠程在線監測功能，進一步提高設備運行的可靠性和安全性。

2系統技術架構

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

圖1系統技術架構圖

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。數據匯聚后統一發送到MT562測溫主機中，對外以RS485接口進行數據傳輸，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

針對廠用配電系統開關柜進出線銅排和母排電纜接線端的溫度監測，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。因此解決了傳統溫度傳感器需更換電池的痛點，降低了作業風險和運維成本。WT01溫度傳感器通過無線射頻（Zigbee協議）將數據發送至溫度匯聚主機，匯聚主機使用MT565進行數據采集，并提供RS485接口進行數據通信,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

本系統采用自研的電力智能網關RTU,該網關裝置具有多種數據接入方式，兼容modbusRTU、modbusTCP等主流通信協議,并支持有線接入和無線接入方式，能實現局部區域內大量傳感器或智能終端數據采集。網關內置4G與WIFI無線信號信模塊,能實現現場端設備與遠方物聯網云平臺的數據通信和信息互聯。將網關RTU與溫度主機連接,采用標準的modbusRTU通信協議，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，根據溫度標準物模型將數據進行封裝,包括屬性、事件、服務，采用MQTT通訊協議將數據發送至物聯網云平臺，云平臺接受數據后自動解析,實現數據一體化采集、存儲、傳輸及解析。

2.3物聯網云平臺

物聯網云平臺是物聯網生態系統中重要部分，通過多種的網絡連接手段將設備狀態信息與互聯網連通，實現對設備智能化感知、識別和管理，是各類設備連接到場景應用的關鍵“橋梁"。本系統物聯網云平臺負責接收網關RTU上報的溫度數據、并向網關RTU下發指令，實現數據進行讀取、計算和顯示。除此之外,云平臺對網關設備進行統一認證和管理，提供可視化的安全管理。接入云平臺的溫度數據統一進行編碼和治理,為移動APP端和WEB應用端提供數據服務。

2.4移動APP端和WEB應用端

移動APP端和WEB應用端是基于物聯網云平臺進行開發,通過調用云平臺存儲的溫度數據,將數據呈現給用戶，實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，實現對電氣開關柜狀態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場電氣柜溫度監測為數據來源，包括各配電系統的開關柜銅排和抽屜柜觸頭溫度。系統以物聯網技術為傳輸手段,連接感知層和支撐層。支撐層主要由物聯網平臺組成，負責系統開發所需的關鍵資源與技術。物聯網平臺提供設備接入、設備管理、數據解析等服務，并提供數據存儲和數據治理等功能，同時為其他系統數據調用提供支撐。應用層實現對洪江電廠電氣柜溫度監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電氣柜實際業務需求進行設計，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現對監測設備及監測情況的統一概覽，包括開關柜位置、網關在線狀態、溫度數值、實時統計等功能,以圖表的方式對監測區域、監測點位、監測時長、監測類型等信息進行綜合展示；以區域為劃分,實時顯示該區域內溫度,實時統計可對當前設備在線數量、預警、告警等情況進行展示。

趨勢預警模塊對周期內溫度發展趨勢進行分析預警,包括狀態曲線、狀態分析、趨勢預警等功能,狀態曲線可根據不同周期對溫度信息進行可視化展示,狀態分析可結合實時/歷史數據進行均值、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電廠運行人員制定日常報表,包括報表生成、定時任務、數據分析等功能。報表生成通過自主組合設備點位和監測屬性進行報表自動導出;定時任務可通過設置時間實現報表導出功能，數據分析可根據周期內監測情況對區域狀態進行評估。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, 數據經網關RTU采集終端傳輸到物聯網云平臺，基于云平臺開展APP應用功能開發，整體系統架構如圖1所示。經過一個月的系統試運行，測溫數據傳輸穩定，告警及時有效,并在APP上準確顯示,實現對開關柜測溫數據遠程監測，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端開關柜實時數據顯示頁面。

圖6 2D7-Q5開關柜溫度監測曲線圖

圖7 APP端開關柜實時數據顯示頁面

6安科瑞溫度在線監測系統解決方案

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熱成為安全隱患，提高設備安全保障，及時、持續、準確反映設備運行狀態，降低設備事故率。

Acrel-2000T無線測溫監控系統通過RS485總線或以太網與間隔層的設備直接進行通訊，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、棒圖、報表和用戶管理功能，可以監控無線測溫系統的設備運行狀況，實現快速報警響應，預防嚴重故障發生。

6.2應用場所

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

6.3系統結構

溫度在線監測系統結構圖

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關設備運行溫度狀態。系統具有以下主要功能：

1. 溫度顯示：顯示配電系統內每個測溫點的實時值，也可實現電腦WEB/手機APP遠程查看數據。

1. 溫度曲線：查看每個測溫點的溫度趨勢曲線。

1. 運行報表：查詢及打印各測溫點時間的溫度數據。

1. 實時告警：系統能夠對各測溫點異常溫度發出告警。系統具有實時語音報警功能，能夠對所有事件發出語音告警，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。

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

6.5系統硬件配置

溫度在線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關以及站控層的測溫系統主機組成，實現變配電系統關鍵電氣部位的溫度在線監測。

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據上傳后臺，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。該系統通過RS485線與本地觸摸屏和后臺監控進行通信（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點。

AMB300紅外測溫組網示意圖

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電氣開關柜溫度在線監測需求問題，設計了一種基于物聯網的水電廠開關柜溫度監測系統，實現了對電廠配電系統電氣開關柜的溫度快速采集，并在APP應用端實時監測。該系統采用物聯網技術開展數據采集、傳輸和計算，大大地減少了現場施工量及人工成本，快速實現了開關柜測溫系統建設和應用,為開關柜智能診斷提供決策基礎。因此該系統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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作者簡介

任運業，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事配電監測的研究與應用。