智能变电站温度实时监测系统的设计与实现

(1.石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄 050043；2.山西省电力公司太原市电力局，山西 太原 030053)

0 引言

随着电力向着高电压、大机组、大容量的迅速发展,变电站中各主要电气设备能否正常运行将直接关系到电力系统的运行情况。在变电站中,各电气设备长期处于运行中,各触点及连接点等部位因老化会造成接触电阻增大的问题,极易产生发热现象[1]。若不及时处理，会导致火灾和区域性大面积停电，故解决电气设备过热问题是杜绝此类事故发生的重要手段。

对电气设备的运行温度,尤其是敏感位置温度的监测是故障预警和预防事故的重要手段。总结现有电力系统的测温方法,主要有光纤测温和红外线测温法等。红外测温仪携带和使用方便灵活,无干扰环境下测量精度高，但红外测温仪的抗干扰能力弱，测量中对环境要求高，而变电站中各电气设备常年处于复杂环境，故检测的精度会大大降低。光纤测温法全程都通过光的形式传播，体积小便于安装，但缺陷在于光纤传递费用昂贵，其性价比不高，且用于测温的半导体温度传感器探头的抗干扰能力太差，无法适应偏远地区变电站恶劣环境的要求[2-3]。

近年来使用较多的ZigBee无线通信技术虽传输速度快，但可靠性不高[3]。而GPRS无线通信技术就以信号穿透能力强和传输可靠性高的优势能弥补现有系统的缺点，其传感器能方便地安装在电气设备的表面，大大增强监测数据的准确性。

在结合实际监测终端设计的基础上，采用Silverlight新技术进行建模和绘图，而客户端通过WCF Server与服务端互联完成通讯连接，在监测页面上，值班工作人员可以看到变电站实时的温度信息，并当温度超过报警点时，会发出警报提示工作人员。本设计已在太原市迎泽区变电站试运行成功，此系统能够实现温度实时监测和报警的功能。

1 变电站温度监测系统设计

根据温度监测系统的各个模块分工不同，将系统分为基于GPRS的无线测温模块和基于B/S的在线监测模块。

图1 温度采集端

图2 温度接收端

(1)基于GPRS的无线测温模块。测温系统的结构设计基于GPRS通讯协议，采用以AT指令为媒介的改进版GPRS程序设计与数据传输PC主机的方法，实现温度数据的传输，图1与图2分别为温度采集端框图和温度接收端框图。

(2)基于B/S的在线监测模块。基于B/S的在线监测模块具有用户端零维护系统的特点，能够大大降低用户在维护系统扩展中的成本，在以WCF通讯服务基础下完成数据通信后，能实现实时监测功能。

2 基于GPRS的无线测温模块设计

2.1 采集端与接收端的硬件设计

图3为采集端CAD图。图4为接收端CAD图。

图3 采集端CAD图

图4 接收端CAD图

加入时钟振荡电路为电路提供时序，并利用复位电路保证电路的稳定，当测量温度值超过设定值时，报警器发出警告，处理故障后按下复位开关，报警声停止，温度报警电路完成警示的效果。此监测系统的测温模块能够实现对温度数据的采集、传输、存储和报警功能。

2.2 测温模块的软件设计

计算机初始化延迟一段时间后读取所测试的温度值，然后由读取状态寄存器判断数据接收情况，并在液晶屏上显示并不断刷新数据的变化。

2.2.1 数据传输方法

与传统的方法不同，改进后的数据传输方法先使用计算机指令ipconfig查询IP地址，在确定本机为公网后，采用Net Assist对网络设置进行修改，将原设置改为TCP server ，IP地址改为指令查询的地址号，观察端口号8086能否连接，连接成功后，连接对象上能显示出端口号与IP地址。

2.2.2 改进版GPRS模块通讯设计

若要实现以AT指令为媒介的改进版GPRS模块数据传输方法，将GPRS与移动网络连接，在设置出AT指令参数后，通过AT+GPRS APN对GPRS网络的名称进行设置，设置完毕即可通过AT+GPRSUSR和AT+GPRSPWD修改的GPRS接入密码。若能接收到给定的建网指令，则执行命令，若未接收到任何指令，GPRS网络即可自动断开。

借助AT+TCPOPEN指令来实现网络连接，调试出的GPRS通信系统还要观察GPRS模块是否接收到OK指令，以及GPRS模块接收指令后是否输出GPRS Modem。从而进一步确定无线协调器与网络连接成功，如图5和图6所示。

图5 GPRS通信程序流程图

图6 测温模块简易制作图

2.3 无线协议的比较

各类无线协议均有各自的优缺点，表1中列出典型代表ZigBee与GPRS的优缺点比较。

表1 ZigBee与GPRS的比较

通过表1的比较，在无线传输协议中，GPRS拥有更好的可靠性，能确保在传输过程中无数据丢失的现象发生[4]，通过数据的验证，GPRS协议能在降低测温传感器安装成本的同时也达到满足数据稳定传输的要求。

3 监测系统架构与实现关键技术

3.1 温度实时数据模型原理

变电站中的电气设备往往会存在多个温度监测点，在进行温度传感器 ID与电气设备 ID映射时，与传统的映射不同，本设计的映射采用新型多对多的形式。拿电气设备中的闸刀开关举例，在闸刀开关的动、静触点上各自安装一个测温传感器，因为2个传感器监测的是同一设备，若进行一对一映射，那么在数据传输时会导致数据的丢失，故一对多的结构不能使用，只能使用多对多映射[5]，根据测温元件的测量位置，将变电站中各主要电气设备进行分割，将整体分割为多组个体进行多对多映射。

3.2 监测平台结构

改进后的B/S结构相较于传统的C/S结构，能够实现多个客户同时访问一个客户端的功能。表2为2种结构各自特点的分析。

表2 2种结构各自特点的分析

3.3 基于 Silverlight和 WCF技术的新型实时监测功能实现

3.3.1 数据展示方式的比较

传统的数据展示方法主要是绘制图表，此类方法单一且不能为工作人员提供总体结构的直观感受[6]。采用Silverlight新技术进行建模和绘制模型，与传统的展示方法相比，观测人员能以更直观的方式看到整个变电站各主要电气设备的温度实时数据变化。

3.3.2 配电网主接线图绘制

使用统一建模语言(UML图)来表示主接线图的总体结构模型，把系统中的各个监测点抽象为各个类别，并将各个类别由Silverlight 供应Ellipse和Path等原始绘图零件完成初始化，之后采用实例化模式进行建模和绘图[5]。

图7 WCF服务的结构图

3.3.3 数据图形一体化功能的实现

完成建模和绘图后，通过WCF通讯服务完成通信，SQL server将测出的温度值存储在数据库中，此时变电站值班工作人员能实时获得温度数据。

图8 太原市迎泽区变电站无线测温系统

4 温度监测系统运行的效果

4.1 系统运行环境

系统基于Microsoft NET架构，C语言作为系统的开发语言。采用Windows Server 2010 实现对PC机管控 ，Web服务器软件为 IIS6.0。

4.2 传感器的安装方案

太原市迎泽区变电站在电力电缆电缆接头处、母线接头处、电缆接头处，以及变压器输配电线路端口处等设备处安装测温传感器，对温度进行实时监测。

4.3 实时监测图的演示

图8是温度实时监测系统中监测部分截图，其中实线部分代表2号主变室内环境温度，虚线部分代表此设备区域安装有测温传感器，灰色区域代表测温元件的测量点，在文字提示下，值班人员能够精确找出测量位点。图中显示的数据均是各电气设备的实时温度值，可以看到图中大部分数据为正常值，其中“35 kV套管侧温度”温度较高，达到了温度预警的条件，若此温度继续上升，则发出警示信息。

太原迎泽区变电站2号主变正处于工作状态，此变电站负责向太原迎泽区域内的35 kV负载段供电，当负载电流通过2号主变，根据热量公式：Q=I2R，计算得出，由于流经低压侧套管的电流过大进而造成热量过大，故产生了温度预警[8]。

4.4 传输数据精确度实验

当太原市迎泽区变电站内的110 kV变压器在额定运行情况下，对常温下的110 kV变压器的低压绕组进行测试，表3 变电站中干式变压器温度监测值与理论计算值对比，表中相对温差是指变压器A、B、C三相的平均温度与计算值间的偏差。

表3 变电站中110 kV变压器温度监测值与理论计算值对比 ℃

测量出的温度值与理论计算值相比略有下降，相对误差分别为2%和3%左右。误差的原因在于变电站中干式变压器理论与实际的损耗有所差别[9]，故实际与理论的热源存在误差。但是相较于原有的监测系统，本监测系统以AT指令为媒介的改进版GPRS无线通信程序设计与数据传输PC主机的方法，能够大大提高数据传输的精确性，进而有效降低误差。

4.5 测量精度实验与性能测试比对

红外测温仪在外界干扰小的环境下测量精度很高，为验证基于GPRS的温度监测系统测量数据的准确性，现使用温度源和变电站监测常用仪表精度等级为1.0的手持红外测温仪对系统进行精度等级比对。将温度源每15 ℃设置为一个测量点，在测点处同时使用标准温度计和测温节点进行温度测量，测量数据如表4所示。

表4 测量数据比对 ℃

我国工业仪表精度等级分为7个等级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。将2种测温系统在相同测试环境(无雾气和粉尘)下进行实验[10]。实验数据表明，二者在同一测试环境下，已知红外测温仪的测量精度，根据公式，引用误差=(绝对误差的最大值/仪表量程)×100%计算出系统的引用误差为0.9%，则其精度等级为1.0，完全满足变电站中使用仪表测量精度的要求。

3)将桌面型或嵌入式数据库转换为Client/Server架构数据库，服务器端无需安装数据库服务器，如SQL Server，客户端无需单独安装数据库驱动，并且做到网络线路上只有请求流和结果流，能更有效地利用网络带宽，从而达到高性能。

在变电站中进行性能测试，在无遮挡的情况下，测试出SIM900A型GPRS的有效测温通信距离为120 m，在厚30 cm的墙体遮挡情况下，其有效测温通信距离为75 m，同精度等级(1.0)的红外测温仪测温有效距离为110 m，在厚30 cm的墙体遮挡情况下，其有效测温通信距离为42 m。查阅大量文献后得知，对于现有的红外测温法而言，通常采用测量精度为1.0的手持式红外测温仪进行温度测量，但在有雾气和粉尘的恶劣环境下，红外测温仪的有效测温距离仅为原有的40%，会严重影响测温数据的准确性[11]。

综上所述，从测量精度角度分析，在同一干扰较小的环境下，测试数据表明，GPRS温度监测系统在测量精度等级上与现有常用工业精度等级为1.0的红外测温仪相同。从可靠性角度分析，通过实际测量和查阅资料，得出GPRS温度监测系统的穿透能力和在恶劣环境下的抗干扰能力要更好。从经济角度分析，GPRS传输模块的价格更低，大大节约了变电站的投资成本。结果证明本系统在变电站温度监测过程中具有较好的实用性和经济性[12]。

5 结语

提出并实现了一种基于GPRS无线测温模块和基于B/S的在线监测模块的智能变电站温度实时监测系统设计方案，对以AT指令为媒介GPRS无线通信程序设计与数据传输PC主机的方法进行改进，能有效降低系统的搭建成本。在监测系统架构实现过程中，使用Silverlight新技术进行建模和绘图，并以WCF客户端通过与服务器端互联完成通讯连接，从而实现变电站值班工作人员第一时间获得温度数据和报警信息，与此同时通知相关人员解决问题，大大降低了事故隐患的发生。

对系统先后进行了2类实验。首先进行传输数据精确度实验，实验数据表明，本监测系统使用以AT指令为媒介的改进版GPRS无线通信程序设计与数据传输PC主机的方法后，大大提高数据传输的精确性，进而有效降低了误差。其次进行了测量精度实验与性能测试，当基于GPRS的温度监测系统和红外测温系统的测量精度等级均为1.0时，分别测试2种系统在有无遮挡时的测温有效距离。其中基于GPRS的温度监测系统测温通信有效距离为75 m，红外测温仪有效测温距离42 m。据此计算分析和查阅相关资料得出，本设计的GPRS温度监测系统比现有传统红外测温仪的穿透能力和在恶劣环境下的抗干扰能力更强[13]。

该系统已在太原迎泽区变电站试运行，效果良好，试运行结果验证了系统能实现对无人值守变电站中各主要电气设备进行准确、在线、连续的监测，为智能变电站各主要电气设备的正常运行提供了有力支持。