基于PI实时数据库的变电站无线测温系统的设计及应用

孙富连，章 璋

（1.华北电力大学，北京 102206；2.国网浙江省电力公司培训中心湖州分中心，浙江 湖州 313000）

0 引言

变电站是电力系统的重要节点，变电站设备的运行情况直接关系到整个电网的安全运行。在设备的长期运行中，变电站内的母排、隔离开关、高压开关柜、断路器与电缆的连接部位由于过载、接触不良、触头老化会引起接触电阻过大而发热，如果这些发热部位的温度无法监测、设备得不到及时检修，可能会因温升过高而发生烧毁等严重事故。因此，为了保证电网安全稳定运行，必须对运行设备的温度进行监视和测量。传统的变电站设备红外测温方式，如定期采用红外热成像仪远距离测量或人工观察连接部位的测温蜡片，均不能满足全面系统地实时监测、实时告警和即时处理的要求。

国网德清县供电公司多年来一直按周期开展变电站设备红外测温工作，实现了对运行设备温度的周期监视和测量，但是也暴露出以下问题：

（1）传统温度测量采用的红外线热像仪和测温蜡片方式存在精度低、实时性差的问题。

（2）目前在变电站中大量采用35kV和10kV封闭式开关柜，开关柜内的设备不易巡视、测温困难，无法及时发现、消除发热事故隐患，形成监控盲区。

（3）传统的定期红外测温制度容易造成同一设备无法形成连续的温度历史记录，也没有条件进行设备发热趋势分析，无法满足设备状态检修的基础运行数据积累要求。

（4）随着县局输变电设备状态检修、设备全寿命周期管理工作的开展，运行设备的信息采集量越来越大、要求越来越高，人工工作量大，人工成本很高。

针对上述情况，有必要采取更准确、覆盖面更广、更容易监测及管理的新方式。无线测温监控系统可以实现变电站设备温度管理，及时发现及消除设备发热隐患，保证电网的安全稳定运行，提高设备的健康水平。鉴于红外测温的管理现状，开发设计了基于PI实时数据库技术的变电站无线测温系统。

1 系统简介

变电站设备无线测温在线监测主要通过在开关柜内的设备、主变压器、断路器、隔离开关、电容器、低压大电流电缆、保护装置等设备上安装无线温度传感器，对变电站设备连接部位的温度数据进行比对和查询分析，实现对设备运行状态的监视。

1.1 设计思路

系统采用2.4GHz数字无线技术，由无线温度传感器和无线数据传输基站组成无线温度测量模块，由站控主机分析处理采集数据后报警和显示，同时将需要的数据通过光纤上传远方，数据存储采用PI数据库，并基于PI系统软件进行开发，建立统一的管理平台，实现运行设备实时温度/历史数据曲线生成、变化趋势分析、实时报警、报警记录查询、日报表等功能。

1.2 功能配置

（1）变电设备温度和温升实时数据采集和显示，将温度传感器直接置于发热处（直接接触式测温），在设备附近配置无线数据传送基站，接受无线温度传感器发送的温度数据，并通过以太网将所有温度数据实时传输至站控主机，实现站级温度实时监测。

（2）通过现有变电站光纤通信网络，将所有实时数据传输至主站PI系统，利用PI系统的数据库实现设备温度在线监测和分析，形成温度实时曲线并具有超温告警功能，显示实时报表、统计报表、趋势图、日报表、波形图等，画面直观清晰。

2 关键技术

2.1 PI实时数据库

PI实时数据库系统是由美国OSI Software公司开发的基于C/S的商品化软件应用平台，能以数据原形的方式在线存储动态数据。目前国网德清县供电公司PI数据库存储了电网调度自动化系统、电能量采集系统等大量数据，可根据需要通过PI客户端工具取用所需数据。本系统就是利用PI-Process Book获取所需的实时及历史数据，实现对变电站设备温度的监测。

2.2 无线传感器网络

无线传感器网络是当前国际上备受关注的多学科交叉的新兴前沿研究热点，是由大量部署在监控区域的智能节点构成的网络应用系统，广泛运用于环境监控、工业应用、交通控制等领域。

本系统采用的无线传感器方案有以下特点：

（1）通信距离：一般的微功耗无线温度传感器由于功耗限制而难以实现远距离数据通信。本系统在基站侧采用了高增益天线，实现了远距离通信（大于200 m）。

（2）传感器的电池使用寿命：系统采用DWT100-WS100无线温度传感器，其使用寿命可达10年以上。

（3）高效率的无线路由算法：高效、可靠的路由算法是所有无线传感器网络面临的技术难题。本系统采用一级路由转发技术、智能间歇搜索技术、动态链接技术，可保证网络同步协调工作。

3 系统构成

变电站无线测温系统由站端数据采集和控制系统、主站监控报警系统组成，如图1所示。

图1 变电站无线测温系统结构

3.1 终端数据采集和控制系统

终端数据采集和控制系统由管理中心（控制主机）、数据传输基站和无线温度传感器组成。无线温度传感器定时测量监测点的运行温度，环境温度传感器自动测量环境温度，这些温度数据通过2.4GHz无线信道传输到基站进行保存和记录。

主机定时通过RS-485总线（或CAN）轮询各基站，各基站将收到的温度数据传输到主机进行处理并保存。

主机通过比较设备与环境的相对温升、室内与室外大气的相对温升，分析可能的过热情况，发出预警信号，提醒管理人员进行处理。主机与集控站可以通过以太网进行通信，或采用自定义温度模型按IEC 61850标准进行通信。

3.2 主站软件应用界面

利用PI数据库PI-Process Book软件进行系统界面二次开发，用户通过软件应用管理界面，实时监测测温点的运行状态，如测温点越限、弹出告警画面，历史数据查询和管理等。

（1）主界面由安装有温/湿度传感器的110kV开关室、10kV开关室、蓄电池室、电容器室及电缆层等构成。主界面功能包括：实时显示当时的温/湿度数据，温/湿度越线时，对应模拟温/湿度传感器元素图样变色，并自动在界面上弹出越线报警框，显示报警越线内容。可通过点击报警预览按钮调出历史报警记录，以便查询、分析和判断。主界面如图2所示。

图2 变电站无线测温系统主界面

（2）子界面功能：简单显示对应室内传感器的大致位置，并通过颜色变化来判断越线状态；表格整体实时直观显示室内温/湿度数据；点击标签按钮，在下方趋势图中显示对应测点在当时时间及当时时间前8 h时间段内的趋势变化；通过在趋势图上的操作，可以选取当时时间及之前的任意一段时间，查看所选测点的变化情况，以便更好地分析判断。子界面如图3所示。

图3 变电站无线测温系统子界面

4 功能特点

（1）采用无线温度测量。无线温度传感器与终端传输基站之间采用2.4GHz无线信道，不需要在变电站复杂的电磁环境下增加额外的二次线缆，体积小，使用寿命长，传输距离远，采集温度点多，安装维护方便，性价比高。

（2）实现连续在线测温。无线温度传感器每隔1～3 s自动采集监测点温度数据，当温度发生变化时立即向外发送。既能实现设备的历史温度变化曲线记录，又能提高无线温度传感器的使用寿命。

（3）多种温度报警功能。实现高温报警、超温报警、温升报警和组内温差报警（相间温差）等温度报警功能应用。

（4）实现设备趋势分析。能对指定温度传感器的历史数据进行查看，还提供多个测温点的比对模式，对温度变化异常点进行预警，为状态检修积累历史数据。

5 结语

目前，变电站运行设备的温度测量大多采用测温蜡片和红外线非接触测温，但蜡片只能定性测温，而且必须通过人工定期巡查，才能根据不同熔化温度蜡片的熔化情况确定是否过热，是否发生故障。而红外线非接触测温的精度较高，但多数场合必须以目视方式检测，使用场合受到很大限制，设备成本高，实时性差。

数字无线温度在线监测装置可实时在线监测设备的运行状态，大大减轻了设备巡视的频度，可以提前预警设备故障，从而避免故障的发生和扩散。设备发生故障后可以迅速定位故障点，为设备抢修赢得宝贵时间，从而大大节省设备的维修费用和故障的直接、间接损失，有效提升社会满意度。

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