基于物联网技术的无线测温系统设计＊

李徽胜,罗惠雄,刘 佳

（1．广州南方电力集团电器有限公司，广东 广州 510285；2．广东电网有限责任公司广州黄埔供电局，广东 广州 510700）

1 引言

电力设备在运行中，由于过负荷、电缆和触头接触不良、短路等原因造成的事故时有发生[1]。由于电缆头制作工艺问题，10kV 环网柜在运行中可能会因电缆头发热进而引起局部放电或绝缘老化，最终可能会导致环网柜发生单相接地并发生相间短路爆炸事故。

随着我国经济的快速增长和配电网规模的迅速发展，设备数量与种类越来越多，但相关设备的智能化程度却较低，运行和维护的复杂度也越来越高。传统的运维方式费时、费力，无法保证配电网运行的经济性和安全性，因而单一依赖于传统的人工运维模式难以满足未来发展需求。苏东、马仲能等人对配网开关柜全生命周期成本模型及敏感度做出分析，分析表明一个配网开关柜的巡检成本高达327 万，而故障成本高达120．44万[2]。

因此，实现配电设备状态感知、运行数据的自动获取、故障信息主动预警，降低运营成本，是落实“数字南网”的具体举措。本文设计了集成物联网技术、大数据技术、无线通信等技术，通过在环网柜电缆头植入无线测温传感器，从而实时掌控环网柜温度变化趋势，该方法可以为智能运维提供决策依据，解决环网柜电缆头测温难题。

2 无线测温系统解决方案

无线测温系统按三层架构设计，感知层主要包括布置于环网柜的无线测温传感器、数据采集终端，负责底层数据采集和边缘计算；网络层由网络管理系统、有线或无线数据网络、云计算平台等组成，负责将采集终端的数据通过网络安全加密后传输给云计算平台；应用层物联网与用户的接口，与用户的业务需求相结合，实现物联网的智能化服务应用。

2.1 无线测温硬件架构

无线测温监控硬件系统主要由测温传感器、Zigbee通信模块、数据采集终端、通信总线或以太网口、工控机、云服务器和移动应用终端等组成。通过传感器实时采集环网柜电缆头位置的温度，以无线通信形式传输给数据采集终端，经数据处理、运算分析后在本地显示测量温度值，同时通过RS48总线或以太网接口，将数据传输工控机，并保存在云服务器，客户可通过监控主站或移动应用客户端查阅温度信息。

图1 环网柜无线测温系统架构

2.2 数据无线传输方案

无线测温装置直接测量环网柜高压电缆头关键位置温度，长期处于高压磁场中，既要解决电磁干扰问题，同时需解决绝缘以及数据传输问题，这是本系统设计的难点之一。为解决上述问题，本测温系统采用模块化设计，传感器浇注于高压电缆堵头中，数据采集终端安装于环网柜的低压二次小室，传感器与数据采集终端之间采用基于Zigbee 协议无线传输，无需改变环网柜的内部结构，避免受高压电磁场的干扰，同时便于今后运行与维护。

该方案数据传输基于Zigbee 协议，Zigbee 是基于IEEE 802．15．4 标准的个域网协议[3-4]，基于Zigbee 协议的通讯技术是一种功耗低、距离较近且简单易实现的无线通讯技术，能够很好地应用于变配电站内的数据传输。

如图2所示，传感器中集成了无线数据传输发射模块，数据采集终端中集成了接收模块，接收端实现数据集中器的功能，接收、上传、运算所在范围内温度传感模块的数据，从而实时、可靠地收集范围内的有效数据。该模块采用树状拓扑结构，具有较强的可扩展性，从而实现系统架构中的通信功能。

图2 测温装置无线数据传输原理框图

3 无线传感器设计及其关键技术

3.1 微功率感应取能传感器设计

无线测温传感器是利用压感应取能，热电阻接触式测温与无线传输技术原理，实现环网柜电缆头的温度实时采集。测温传感器是将测温探头、电源模块、金属屏蔽罩、无线数据发射模块和MCU核心模块浇注于环氧树脂电缆堵头内，结构设计如图3所示。当电缆运行时，在传感器高压导电端内部产生交变电场，由金属屏蔽罩和电缆芯线之间的悬浮电容C1形成电势差，该电势差经滤波、整流和稳压后为传感器供能。传感器电路板设有热电阻，直接与电缆连接螺杆连接，测量此处温度。MCU核心模块监测热电阻的线性变化，来判断电缆头连接处的温度变化，并将采集的数据经无线的方式传输给数据采集终端，由采集终端完成数据采集、处理与运算，并将数据传输给监控后台或移动客户端，测温原理如图4所示。

图3 传感器结构设计

图4 无线测温装置原理框图

3.2 传感器的耐高温和抗干扰等性能设计

传感器内置于经环氧树脂浇注的电缆堵头内，且处于高压磁场中，为确保传感器运行时的可靠性，需解决传感器的自身的局部放电、散热与抗干扰等问题。传感器需要在设计取能装置时候充分考虑到杜绝间隙放电和介质放电的问题。因此，结构设计方面通过在传感器电路板外设计了金属屏蔽罩，用于均匀内部场强分布，并通过ANSYS 仿真系统进行仿真验证，传感器的浇注工艺方面，必须保证浇注后传感器内部无气泡。

传感器在高温环境中工作也是本研究的难点之一，本设计采用电压感应取能，传感器采用低功耗电路设计，基于Zigbee 协议的低功耗通信模块，确保微弱能量情况下工作，传感器运行时的工作电流为微安级，通讯瞬时电流15mA。同时，传感器应考虑高温环境下的正常工作，因此，传感器选用的材料能够保障60℃以上的环境温度稳定运行，150℃时数据能正常测量，280℃时传感器内部元器件不发生形变或损坏。

无线信号传输采取抗干扰措施，在元器件选择上采用抗干扰力强，温度范围广的器件。同时，在结构设计和电路设计根据规则充分考虑EMC 特性。最后，传感器信号传输采用ZigBee协议进行无线传输，ZigBee采用O-QPSK信号调制方式，自身具有很强的抗干扰和纠错能力。

3.3 提高绝缘与避免局放

由于测温传感器集成在电缆绝缘堵头内部，因此如何确保绝缘强度，避免局放产生是设计的核心要素之一。测温传感器优化电路板设计，将所有的器件集成在很小的环型电路板内，确保电路板安装在绝缘堵头铜金属件内，不会因为传感器的存在而降低环氧树脂的厚度。

传感器依靠分压原理获取能量，需要在高压与接地端中间布置一金属电极。该电极的布置在高压电场中会形成悬浮电极，造成较大的局部放电。为了避免悬浮电极产生局放，需要在取能电路中充分考虑。依靠取能电路稳定工作，且充放电频率匹配来确保悬浮电极无局放产生。

4 数据处理与告警机制

4.1 软件抗干扰设计

测温传感器与采集器之间采用无线传输方式，无线信号在传输中，易收到外界干扰而造成误传、误收和信号无法接收等情况。为提高可靠性，载软件设计方面，通过以下几种措施解决：

CRC 循环冗余校验：循环冗余校验对传输数据进行校验，根据传输数据内容和CRC算法，得到16比特的CRC校验码，填充在帧的CRC 部分发送给接收方。若接收方对接收到数据和CRC算法进行计算，得到16比特的CRC校验码如果和数据传输部分的CRC 吻合，则发送时没有出现比特错误；若不吻合，则发送时出现比特错误，丢弃该数据。

防碰撞与无线信道监测机制：ZigBee采用的是CSMA/CA（载波监听多路访问）的防碰撞机制。送出数据前，监听媒体状态，等没有人使用媒体，维持一段时间后，再等待一段随机的时间后依然没有人使用，才送出数据。由于每个设备采用的随机时间不同，所以可以减少冲突的机会。或者送出数据前，先送一段小小的请求传送报文给目标端，等待目标端回应报文后，才开始传送。

4.2 数据储存

数据采集终端收到传感器数据，对数据进行分析和存储。在数据存储上，按照队列的先进先出法制进行存储，支持3年的历史数据存储。

4.3 告警与防误报机制

无线测温系统通过实时监测与处理后的数据，在就地或通过后台显示温度值，当设备发生温度异常或由于线路中的谐波等干扰因素造成误报，系统将根据传感器采集的温度绝对值、绝对温差、相对温差（三相不平衡）、历史趋势这五项指标进行分析，发出报警信号或闭锁报警。数据采集终端针对每个测温传感器进行告警设置，通过实时监测数据与预设定的阈值进行比较判断。具体逻辑如图5所示，当状态处于正常时，监测到数据突然超出允许波动范围，装置记录次数，若记录次数达到预设次数时，装置发出告警信号，否则进入休眠状态；当监测数据超过波动范围时间持续达到时间阈值时，产生告警信息并发送。这种多次超限统计判断告警模式，可避免周边电磁干扰带来的误报问题。

图5 告警与防误报程序逻辑

图6 G01柜温度监测曲线图

5 现场应用

本系统经过严格的测试，并在广州某智能配电房项目中开展了挂网运行。该智能配电房内安装12 面智能环网柜，分别由10kV 南翔F20 与10kV 石桥F16 进行环网型供电。在每面开关柜A、B、C三相电缆头内分别安装1只无线测温传感器，每段母线安装1 套数据采集终端，传感器与数据采集终端之间采用Zigbee协议自组网通信。数据采集终端通过RS485总线与该房的智能电房监控终端连接，数据经物联网关传输到某供电局主站，系统架构如图1所示。经过3 个月的挂网试运行和现场测试结果对比分析，数据传输准确可靠，能在后台实时掌握环网柜的温度变化，为该运行单位减少了线下运维工作量。图1摘取该房G01柜2019年10-12月监测温度绘制的曲线图，运行人员能准确掌握开关柜的运行温度变化趋势，运行期间未曾发生数据误报信息。

6 结束语

随着数字电网与配电物联网的快速发展，实现配电设备运行状态全面感知、数字化以及全面可观、可测、可控是配电物联网发展的必然趋势。开关柜的电连接处温度过高或者升高过快，对开关柜的安全可靠运行的影响十分重大[5-8]，而基于Zigbee 通信的高压感应取电测温技术，具有测量精度高、体积小、抗干扰能力强、成本低，可以更加全面和准确的掌握环网柜的温度变化曲线和健康状况。后续工作还可以结合人工智能技术，为运维单位实现智能运维，进一步提高运维工作效率和供电可靠性。