淺談關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水電廠電氣開關(guān)柜測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用及產(chǎn)品選型

任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：針對(duì)洪江水電廠電氣開關(guān)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(wǎng)技術(shù)的水電廠開關(guān)柜溫度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)部署簡單高效，能快速采集設(shè)備溫度數(shù)據(jù)，通過4G或者WiFi無線信號(hào)將數(shù)據(jù)送入物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜溫度遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測，為開關(guān)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(shí)率低、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高等難題，消除設(shè)備潛在的隱患，保障了水電廠設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在水電場景中具有特定地應(yīng)用價(jià)值，并為智能電廠運(yùn)行維護(hù)提供可靠的解決方案。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);云平臺(tái)；無線信號(hào)

0引言

洪江水力發(fā)電廠為燈泡貫流式機(jī)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(jí)工程。電廠共裝機(jī)6臺(tái)單機(jī)45 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量270 MW,年設(shè)計(jì)發(fā)電量為10.17億kW?h,是一座具有發(fā)電、航運(yùn)、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(guān)柜設(shè)備的實(shí)際測溫需求，探索獨(dú)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(wǎng)技術(shù)的水電廠電氣開關(guān)柜溫度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)在電廠開關(guān)柜中實(shí)施并成功應(yīng)用,包括廠用配電系統(tǒng)開關(guān)柜和抽屜柜、高壓斷路器等設(shè)備，取得良好的實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了溫度在移動(dòng)APP與WEB應(yīng)用端在線監(jiān)測，減少了重要電氣設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提高了安全運(yùn)行指數(shù)。

1概述

電力行業(yè)經(jīng)常發(fā)生因電力電纜和設(shè)備過熱而引起的火災(zāi)事件，導(dǎo)致大面積的電纜燒損和設(shè)備損壞而被迫停機(jī),短時(shí)間內(nèi)無法恢復(fù)生產(chǎn),從而造成重大經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)國家電力安全事故通報(bào)統(tǒng)計(jì),每年發(fā)生在電站的電力事故中40%是由電氣設(shè)備過熱所致鐵各電廠高低壓設(shè)備連接部位如母線連接點(diǎn)、開關(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，長期運(yùn)行造成的斷路器觸頭過熱、絕緣燒穿、設(shè)備起火。為了消除安全隱患,提高設(shè)備使用性能，因此開展基于物聯(lián)網(wǎng)的電氣開關(guān)柜遠(yuǎn)程監(jiān)測與應(yīng)用設(shè)計(jì)，解決電廠巡檢人員作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大、數(shù)據(jù)共享難等問題，實(shí)現(xiàn)溫度遠(yuǎn)程在線監(jiān)測功能，進(jìn)一步提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性和安全性。

2系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)由溫度傳感器及溫度匯聚主機(jī)、智能網(wǎng)關(guān)RTU、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、移動(dòng)APP端和WEB應(yīng)用端五大模塊組成,利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、匯聚、上傳、存儲(chǔ)、應(yīng)用五大功能。其中智能網(wǎng)關(guān)RTU和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)為本系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集及運(yùn)算能力鐵系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖

2.1溫度傳感器

根據(jù)電氣柜設(shè)備的結(jié)構(gòu)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?yàn)殂~箔導(dǎo)熱性好、耐熱性強(qiáng)。因此溫度讀取速度快、準(zhǔn)確率高。數(shù)據(jù)匯聚后統(tǒng)一發(fā)送到MT562測溫主機(jī)中，對(duì)外以RS485接口進(jìn)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(duì)廠用配電系統(tǒng)開關(guān)柜進(jìn)出線銅排和母排電纜接線端的溫度監(jiān)測，由于開關(guān)柜斷路器銅排寬度達(dá)5cm,運(yùn)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(wǎng)靈活可靠,并且通過開關(guān)柜銅排的運(yùn)行電流自感應(yīng)取電。因此解決了傳統(tǒng)溫度傳感器需更換電池的痛點(diǎn)，降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)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(jī)，匯聚主機(jī)使用MT565進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并提供RS485接口進(jìn)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(wǎng)關(guān)RTU

本系統(tǒng)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(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(shí)現(xiàn)局部區(qū)域內(nèi)大量傳感器或智能終端數(shù)據(jù)采集。網(wǎng)關(guān)內(nèi)置4G與WIFI無線信號(hào)信模塊,能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場端設(shè)備與遠(yuǎn)方物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的數(shù)據(jù)通信和信息互聯(lián)。將網(wǎng)關(guān)RTU與溫度主機(jī)連接,采用標(biāo)準(zhǔn)的modbusRTU通信協(xié)議，能快速便捷地對(duì)電氣開關(guān)柜的溫度進(jìn)行采集。以無線網(wǎng)絡(luò)為傳輸載

體，根據(jù)溫度標(biāo)準(zhǔn)物模型將數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝,包括屬性、事件、服務(wù)，采用MQTT通訊協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，云平臺(tái)接受數(shù)據(jù)后自動(dòng)解析,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一體化采集、存儲(chǔ)、傳輸及解析。

2.3物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)是物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中重要部分，通過多種的網(wǎng)絡(luò)連接手段將設(shè)備狀態(tài)信息與互聯(lián)網(wǎng)連通，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備智能化感知、識(shí)別和管理，是各類設(shè)備連接到場景應(yīng)用的關(guān)鍵“橋梁"。本系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)負(fù)責(zé)接收網(wǎng)關(guān)RTU上報(bào)的溫度數(shù)據(jù)、并向網(wǎng)關(guān)RTU下發(fā)指令，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、計(jì)算和顯示。除此之外,云平臺(tái)對(duì)網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一認(rèn)證和管理，提供可視化的安全管理。接入云平臺(tái)的溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行編碼和治理,為移動(dòng)APP端和WEB應(yīng)用端提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

2.4移動(dòng)APP端和WEB應(yīng)用端

移動(dòng)APP端和WEB應(yīng)用端是基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行開發(fā),通過調(diào)用云平臺(tái)存儲(chǔ)的溫度數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給用戶，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化應(yīng)用。應(yīng)用端主要包括溫度綜合展示、趨勢預(yù)警、越限告警、報(bào)表導(dǎo)出等功能模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣開關(guān)柜狀態(tài)的綜合顯示及智能預(yù)警,保障設(shè)備安全運(yùn)行。

3系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)總體架構(gòu)按照縱向分層的原則開展整體建設(shè)，包括感知層、支撐層和應(yīng)用層三個(gè)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(guān)柜銅排和抽屜柜觸頭溫度。系統(tǒng)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(tái)組成，負(fù)責(zé)系統(tǒng)開發(fā)所需的關(guān)鍵資源與技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供設(shè)備接入、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)解析等服務(wù)，并提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)治理等功能，同時(shí)為其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)調(diào)用提供支撐。應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)對(duì)洪江電廠電氣柜溫度監(jiān)測可視化展示與應(yīng)用，涵蓋了 WEB應(yīng)用與移動(dòng)APP兩個(gè)部分。系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

4系統(tǒng)功能架構(gòu)

本系統(tǒng)功能架構(gòu)根據(jù)電廠電氣柜實(shí)際業(yè)務(wù)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)功能包括區(qū)域溫度綜合展示、趨勢預(yù)警、越限告警、報(bào)表導(dǎo)出四大模塊。

溫度綜合展示模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測設(shè)備及監(jiān)測情況的統(tǒng)一概覽，包括開關(guān)柜位置、網(wǎng)關(guān)在線狀態(tài)、溫度數(shù)值、實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)等功能,以圖表的方式對(duì)監(jiān)測區(qū)域、監(jiān)測點(diǎn)位、監(jiān)測時(shí)長、監(jiān)測類型等信息進(jìn)行綜合展示；以區(qū)域?yàn)閯澐?實(shí)時(shí)顯示該區(qū)域內(nèi)溫度,實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)可對(duì)當(dāng)前設(shè)備在線數(shù)量、預(yù)警、告警等情況進(jìn)行展示。

趨勢預(yù)警模塊對(duì)周期內(nèi)溫度發(fā)展趨勢進(jìn)行分析預(yù)警,包括狀態(tài)曲線、狀態(tài)分析、趨勢預(yù)警等功能,狀態(tài)曲線可根據(jù)不同周期對(duì)溫度信息進(jìn)行可視化展示,狀態(tài)分析可結(jié)合實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行均值、極值、方差等計(jì)算分析，趨勢預(yù)警可根據(jù)監(jiān)測值的異常變動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警。

越限告警模塊對(duì)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(dāng)溫度超過預(yù)設(shè)范圍時(shí)，系統(tǒng)通過強(qiáng)制彈窗以醒目的方式在前端進(jìn)行警報(bào)。

報(bào)表導(dǎo)出模塊用于實(shí)現(xiàn)電廠運(yùn)行人員制定日常報(bào)表,包括報(bào)表生成、定時(shí)任務(wù)、數(shù)據(jù)分析等功能。報(bào)表生成通過自主組合設(shè)備點(diǎn)位和監(jiān)測屬性進(jìn)行報(bào)表自動(dòng)導(dǎo)出;定時(shí)任務(wù)可通過設(shè)置時(shí)間實(shí)現(xiàn)報(bào)表導(dǎo)出功能，數(shù)據(jù)分析可根據(jù)周期內(nèi)監(jiān)測情況對(duì)區(qū)域狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。系統(tǒng)功能架構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

5系統(tǒng)應(yīng)用

利用電氣開關(guān)柜檢修間隙安裝測溫傳感器和智能網(wǎng)關(guān)RTU,在廠用配電系統(tǒng)開關(guān)柜實(shí)行掛網(wǎng)試點(diǎn)。每個(gè)開關(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(jī)，每段母線安裝2個(gè)智能網(wǎng)關(guān)RTU采集終端，傳感器與溫度匯聚主機(jī)采用Zigbee協(xié)議自組網(wǎng)通信,溫度匯聚主機(jī)與網(wǎng)關(guān)RTU采集終端之間采用RS485總線連接, 數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)關(guān)RTU采集終端傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云平臺(tái)，基于云平臺(tái)開展APP應(yīng)用功能開發(fā)，整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。經(jīng)過一個(gè)月的系統(tǒng)試運(yùn)行，測溫?cái)?shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，告警及時(shí)有效,并在APP上準(zhǔn)確顯示,實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)柜測溫?cái)?shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測，減少設(shè)備運(yùn)維工作量。圖6為2D7-Q5開關(guān)柜三相觸頭1個(gè)月內(nèi)溫度曲線圖，圖7為APP端開關(guān)柜實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示頁面。

圖6 2D7-Q5開關(guān)柜溫度監(jiān)測曲線圖

圖7 APP端開關(guān)柜實(shí)時(shí)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(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(dòng)、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(shí)、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RS485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。

6.2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。

6.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

6.4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：

1. 溫度顯示：顯示配電系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)測溫點(diǎn)的實(shí)時(shí)值，也可實(shí)現(xiàn)電腦WEB/手機(jī)APP遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)。

1. 溫度曲線：查看每個(gè)測溫點(diǎn)的溫度趨勢曲線。

1. 運(yùn)行報(bào)表：查詢及打印各測溫點(diǎn)時(shí)間的溫度數(shù)據(jù)。

1. 實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)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(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)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。

6.5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。

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(shí)時(shí)把連接器中每相溫度數(shù)據(jù)上傳后臺(tái)，提示管理人員應(yīng)對(duì)報(bào)警點(diǎn)予以重視或采取必要的預(yù)防措施。

此母線槽紅外測溫解決方案由人機(jī)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(tái)監(jiān)控進(jìn)行通信（如下圖），系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循際標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)，與無線通信方式相比，具有價(jià)格低、抗共模干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

AMB300紅外測溫組網(wǎng)示意圖

AMB300紅外測溫系統(tǒng)拓?fù)鋱D

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(tái)界面

8結(jié)論

本文針對(duì)洪江水電廠電氣開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測需求問題，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水電廠開關(guān)柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電廠配電系統(tǒng)電氣開關(guān)柜的溫度快速采集，并在APP應(yīng)用端實(shí)時(shí)監(jiān)測。該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開展數(shù)據(jù)采集、傳輸和計(jì)算，大大地減少了現(xiàn)場施工量及人工成本，快速實(shí)現(xiàn)了開關(guān)柜測溫系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用,為開關(guān)柜智能診斷提供決策基礎(chǔ)。因此該系統(tǒng)在技術(shù)和功能上設(shè)計(jì)完整、適用性強(qiáng)，提升了水電廠設(shè)備安全管理水平，具有較高的推廣價(jià)值。

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[5] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊2022年05版.

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任運(yùn)業(yè)，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事配電監(jiān)測的研究與應(yīng)用。