基于Lora的开关柜关键部位温度监测系统研究

顾朝敏,李晓峰,董 驰,刘宏亮,李天辉

(国网河北省电力有限公司电力科学研究院，河北 石家庄 050021)

0 引 言

随着电力需求的快速增长，对电力设备的各项指标也提出了越来越高的要求[1-2]。开关柜作为电力系统重要的组成部分，其关键部位（如触头、电极等）温度的高低是非常重要的一个指标，近年来得到越来越广泛的关注[3-4]。开关柜一些金属部位由于制造工艺不良、触头氧化、电弧冲击等原因都有可能导致其温度急剧升高，若温度长期高于一定的阈值，则会造成开关柜的设备寿命减少甚至过热烧毁[5-7]。进一步导致电力系统设备故障，引起跳闸等电力系统事故[8-11]。

目前，电力运维人员广泛采用的开关柜的测温方法是人工测温法[12]。但该方法检测的准确度受人为主观性影响较大，不同的电力运维人员操作，检测数据可能不尽相同，而且人工操作不适用于设备的长期测量，无法满足实时性的要求[13-15]。此外，人工操作手持式测温设备采用的是有线通信，不仅会造成开关柜的布线繁琐，在通信线污秽严重的情况下，还会造成开关柜绝缘水平下降，影响电力设备的运行安全。另一种电力设备测温是使用接触式的传感器来采集温度，其特点是接触式的，所以就导致安装时必须进行检修停电，不仅如此，接触式的测温元件极易发生故障，一旦发生故障，需停电进行检修，影响用户用电[16]。

基于以上分析，本文提出了一种基于Lora的开关柜关键部位温度监测系统。该系统采用具有绝缘能力的测温传感器，其故障修复不需要检修停电，提高了电力系统的供电可靠性。通信方面，采用Lora的无线通信方式，不会对开关柜的绝缘水平造成影响。所有采集的温度数据通过无线通信系统传输到监控主机上，并通过显示页面交互，可以实现数据的分析，将相关的预警信息发送给电力运维人员，减少电力运维人员的运维工作量。

1 开关柜关键部位温度监测方案

本文设计的开关柜关键部位温度监测系统方案如图1所示。该系统的由温度感知层、有线通信层和后处理层组成。

图1 开关柜关键部位温度检测系统方案

该方案子系统里面包含温度传感器和无线中继。开关柜里安装具有绝缘能力的温度传感器，其性能优越，故障率极低，若发生故障时，不需要停电检修，提高了电力系统的供电可靠性。温度感知层采用的是Lora无线通信技术，将数据传输到有线通信层。

有线通信层采用RS485总线网络。由于开关柜的材质是金属材质，且开关柜结构密闭，Lora射频信号无法发送，故向开关柜外传输的采用此种传输模式。另外，此种传输模式传输性能强且通信协议简单，具有很强的拓展性能。

后处理层主机结构组成如图2所示。后处理层接收来自数据传输层的数据后，采用自适应滤波算法进行数据预处理[17-18]，该算法在数据预处理方面有着一定的优势，相关参数较少，适用于本文的温度数据预处理。然后采用线性回归预测算法进行温度数据的预测[19]，与温度预测同步进行的步骤是温度阈值处理，若超过设定的温度阈值，具体分析温度的高低，确定电力设备的缺陷等级，然后通过发送信息给电力设备运维人员发出警报信号。温度预测与阈值处理分析完之后将处理得到的数据通过交互界面进行在线实时显示。主机采用全双工通信的模式，无论是发送数据，还是下发指令，均从服务器向WEB客户端进行，且采用SOCKET模式发送，能够实现实时性的要求。

图2 后处理层主机结构

2 温度感知层结构组成

基于Lora无线网络的温度感知层结构如图3所示。

图3 温度感知层结构组成

2.1 Lora无线通信系统

本文采用Lora无线通信系统的优点如下：

1）Lora无线通信具有良好的抗电磁干扰能力。测温系统工作在高压环境中，有着强磁场的干扰。基于强磁场干扰的条件，可以将Lora无线通信系统设定在基于空闲信道评估技术和动态信道选择技术两种方法相结合的工作模式。

2）Lora无线通信低成本且能耗低。开关柜中需安装大量的分布式测温终端，其安装的节点较为分散，且节点较多。Lora无线通信具有能耗低的特点，因此即使节点众多，其仍具有良好的经济性。

3）Lora无线通信可靠性高。

2.2 数据采集终端

本文的数据采集终端采用的是贴片式传感器，适合在高压环境中使用。内置E43模块作为传输通道，可保证数据采集的准确度。关键部位温度采集节点结构如图4所示。

图4 关键部位温度采集结构图

贴片式温度传感器将采集得到的数据通过多路光电耦合电路，再经过多路信号处理电路对数据进行处理。通用数据包中每个节点的数据包可以通过1个结构体来实现，结构体具体包括数据包的包头和包尾、节点的数据类型、传感器的数据。

终端节点的数据包结构组成如表1所示。数据包包含包头、包尾的数据。设备类型为END，节点网络地址在系统上有电的情况下可以实现自动查询，传感器的数据为5位。

表1 终端节点的数据包结构组成

2.3 无线中继

无线中继电路结构组成如图5所示。STM芯片中通过一定的分析转换，将相关的信息通过交互界面在开关柜前面柜门的面板上实现实时显示，与此同时，将相关的数据信息通过打包的方式，通过工业以太网电路传输到上位机。

图5 无线中继结构图

应用贴片式温度传感器采集到的数据中可能夹杂少量的噪声信号，为此，STM芯片中加入了滑动滤波算法，去除少量噪声的干扰，提高数据传输的准确度。

去噪前后信号对比如图6所示。由图可知，采用滑动滤波算法能够有效去除噪声的干扰，提高信号的信噪比。

图6 去噪前后信号对比

为了能够准确判断开关柜缺陷的类型，需要采用相应的温度预测算法对开关柜的温度进行预测。温度在短时间内具有积累效应，本文考虑近期数据的重要性，采用线性回归方程法对开关柜的温度进行预测。

假设拟合直线的方程为：

设置由近到远的权重α1,···,αn，α按照比例递减，加权离差平方和的数学表达式如下式所示：

为了使式（2）的值最小，可对式（2）求偏导，令其为0，得：

联立式（2）和式（3）就可以求出式（1）中待求参数a,b的值，从而可以求出预测的方程。带入相关的参数，可预测开关柜的温度。

3 实验测试

3.1 温度感知层测试

对基于Lora的开关柜触头温度监测系统的温度感知层进行测试。相关的参数测试指标如表2所示。

表2 技术参数测试指标结果

由表可知，使用的贴片式温度传感器，各项技术参数指标均满足要求；Lora无线通信可以实现多点的数据传输，在强电磁干扰的情况下，仍能实现数据的准确传输，其误码率很低，通信延时满足要求。

系统的能耗较低。采用取能线圈供电和锂电池互为备用的供电方式，停电的状态下，依然能够实现工作，满足系统的供电要求。

3.2 预测算法和上位机软件测试

基于Lora的开关柜关键部位温度监测系统的上位机软件界面采用LabVIEW图形化编程来实现。对本文的预测算法进行测试。分别选取15 s、30 s和60 s作为预测样本的时间，采用滚动的方式进行预测，得到预测结果与实测数据的对比如图7所示。由图可知，预测结果与实际数据基本上是重合的。

图7 预测结果与实测曲线对比图

4 结束语

对于传统手持式人工操作的开关柜测温方法存在测量准确度不高，无法实现在线实时监测的缺点，本文设计了一种基于Lora的开关柜关键部位温度监测系统。该系统采用贴片式温度传感器，其不受电磁干扰的影响，且性价比较高，能耗低；相比于传统的有线通信系统，本文的Lora通信系统传输能力强，提高了传输数据的准确度，并且还能实现用户终端的现场在线显示和温度预测等功能。该系统提高了电力系统运维人员的运维效率，具有一定的参考意义。