淺談無線測溫系統在電廠的研究和應用

摘要：采集關鍵電力設備接電的實時溫度，克服有線溫度監測系統存在的諸如線路多，布線復雜，維護困難等不足，將無線無源傳感器與Zigbee無線通信技術相結合，將物聯網技術及移動互聯網云端與電力自動化 技術相結合，云邊協同，實現智能化無線測溫系統方案。無線測溫系統具有結構簡單可靠，擴展性好，布點靈活等特點,可以結合行業深層需求及其他技術，進一步在電廠推廣應用。

關鍵詞：無線測溫；Zigbee；物聯網；云端；無線無源傳感器

引言

發電行業是個龐大復雜的工業生產系統，大量使用中低壓開關柜、高壓電動機、變壓器等電氣設備，對自動化程度和連續生產的高要求，不僅對其供電可靠性要求越來越高，而且對發電行業系統內關鍵的配電及高壓電動機設備的穩定可靠性也提 出了更高的要求。電氣設備在長期運行過程中，電氣一次模塊觸點和連接等部位因老化或接觸電阻過大而發熱，進而導致接頭異常升溫甚至引發燃爆事故。電廠電氣設備安裝密集，電動機也都是各工藝段的關鍵設備，此類設備損壞及引起的事故可能會引發下游大范圍供電線路或重要用電設備突然 停電,造成巨大的直接和間接經濟損失。

近年來，傳感器及物聯網技術，設備的在線監測，及大數據分析等技術的快速發展，結合發電行業的特點及需求，新技術的研究與應用對解決此類問題提供了新的方案。

1、關鍵新技術的研究

針對上述提出的問題，結合溫度傳感器,Zig- bee 無線傳輸，云應用及大數據分析技術現狀，提出了多種新技術的解決方案，并結合實際需求提出應用方案。

1.1溫度傳感器選擇

傳統的測溫方法包括通過熱電偶、熱電阻、半導體溫度傳感器等測溫，溫度傳感器與測溫儀之間采用金屬導線傳輸溫度信號。由于溫度傳感器直接安裝于高壓接點、觸點上，其傳輸溫度信號的金屬導線的絕緣性能無法保證，同時，對于改造類項目，實施難度較大。目前無線測溫方法包括感應供電無線測溫、CT取電測溫、電池供電無線測溫方式及紅外在線測溫方式。各無線測溫技術性能比較如表1所示。

相比其他測溫方式，感應供電測溫具有測溫速度快，周期短,免維護，使用壽命長，故障率低等特點。

1.2無線傳輸技術選用

無線通信是利用電磁波信號在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式，其中應用較為廣泛及具有較好發展前景的短距離無線通信標準有Zigbee,藍牙(Bluetooth)、無線寬帶(Wi-Fi)、超寬帶(UWB)和近場通信（NFC）。

其中，Zigbee技術是一種具有低速率、近距離、低功耗、低復雜度、通信可靠、網絡容量大等特點的無線通信技術。Zigbee協議由IEEE802.15.4任務小組與Zigbee聯盟共同制定，其PHY層和MAC層采用IEEE802.15.4協議標準，網絡層由Zigbee聯盟制定，應用層則允許根據用戶的應用需求進行開發。

Zigbee有三個工作頻段,本項目采用的無源測溫傳感器采用2.4 GHz頻段,該頻段的數據傳輸速率為250 Kbps,其分為16個信道，目前為全球通用，且免申請免付費。在通信上，采用免沖突多載波信道接入(CSMA-CA)方式，有效避免了無線電載波間的沖突，并采用密鑰長度為128位的加密算法對數據進行加密，確保了通信數據的安全保密性。并且，Zigbee設備能耗低，發射輸出為0~3.6 dBm[3IoZigbee支持星形和網格對等兩種網絡拓撲結構。實際應用可將兩種拓撲結構結合，使用混合型網絡結構，簇樹狀網絡結構，其網絡示意圖如圖1所示。

簇樹狀網絡中，采用分布式地址分配方案來分配網絡地址,即為每一個父設備分配一個有限的網絡地址段，并由父設備分配給其自身。對于給定深度的節點,作為父設備所能分配的自區段地址數為Cskip(d),計算公式為

?

利用Cskip(d)作為偏移，向子設備分配網絡地址。父設備為它的一個子簇頭設備分配一個比自己大1的地址，隨后分配給子簇頭設備的地址將以Cskip(d)為間隔，以此類推為所有的子簇頭分配地址。

1.3移動互聯網與云技術選用

傳統的系統監控及運行一般以集中式或者分布式的SCADA系統應用為主，并在控制室內由操作員及工程師使用。隨著移動互聯網及智能手機的發展和應用，通過傳感器監測到的關鍵設備的各種實時數據也可以通過無線網絡傳輸到遠方云服務器，特別是對于區域廣，布線困難的區段,數據的獲取將會變得更加方便和容易。其二，傳輸到云服務器上的數據比起傳統專門的服務器存儲，成本更低，可靠性更高，供不同用戶使用更方便。其三，通過無線網絡傳輸到云服務器的數據，可以通過智能手機的APP顯示出來,并通過不同的功能模塊定制化實現。其四，根據不同用戶的需求和設備使用情況，可以對存儲的數據按照既定算法進行數據分析，及早通過數據對比發現異常數據，并給予用戶提示或者告警信息，減少及降低設備故障甚至事故的發生。

2、具體應用方案

常見的兩臺60 MW或者100 MW機組的火電廠，一般使用數百臺中低壓開關柜及使用大量的輔機電動機，對開關柜及高壓電動機關鍵部位進行智能測溫改造。經過技術對比,使用無線無源“溫度傳感器+Zigbee”溫度監測系統，準確地采集關鍵設備及設備關鍵部位的溫度信號，通過智能網關，可以接入既有的光纖通信網絡，實現網絡及數據共享，通過控制中心的無線測溫監測系統，實現溫度信號的實時監測，超溫部位及設備定位，超溫報警，保證關鍵設備壽命及生產連續性，減少及避免潛在事故的風險。并且，依靠云服務及邊緣系統的云邊協同，實現了測溫信號的移動運維，不僅可以通過智能手機監測到關鍵設備的溫度信號，并能 在超溫時自動發出報警信號，及時推送到具體負責 人員的智能手機終端，實現高效的問題處理，較大地降低配電柜設備事故風險，保證供電可靠性、生產連續性及安全生產。初設應用方案的基本架構如圖2所示。

2.1無線無源“溫度傳感器+Zigbee”

經過技術對比，選定Easergy TH110溫度傳感器,其主要性能參數如表2所示。

Easergy TH110自供電基于網絡電流，與測量點直接接觸可以確保高性能的、準確的溫度監測。并且,TH110非常小巧不占用空間，便于安裝調試及后期維護。

TH110采用Zigbee節能型通信協議，Easergy TH110確保有可靠和強大的通信能力，可以用來創建共享的操作解決方案的圖片及在項目應用中的場景如圖3所示。

建議比較重要的工藝段相關配電室開關柜及高壓電動機都安裝TH110的溫度傳感器，包括各類水泵、風機、漿液循環泵、氧化風機等區間。

2.2測溫系統架構設計

由于測溫傳感器分布區域廣，數量多，測溫系統架構采用以太網作為主要架構，并可使用既有的視頻監控系統網絡設備，節省成本及較大地降低施工難度。

——現場的各TH110溫度傳感器通過Zigbee協議無線傳輸到溫度接收裝置。

——溫度接收裝置通過Modbus RTU通信協議將溫度信號傳輸到各個現場的網關。網關將協議轉換為Modbus TCP規約，并經現場的以太網交換機，通過光纖通道傳輸到控制中心的工作站中。

——現場的千里眼服務器也接入通信網絡，將各TH110的測溫數據上傳到云平臺，以供智能手機的千里眼APP使用。

2.3測溫監測系統SCADA的設計

測溫監測系統SCADA操作員工作站可以置于控制中心內，通過既有網絡由現場測溫接收裝置上傳的溫度數據。監測工作站可以通過簡潔明了的—次系統，清晰地顯示各監測點的實時溫度數據,及各個區間的具體架構。所有區間測溫傳感器的歷史數據都可以通過SCADA系統顯示出來，便于用戶與常規溫度數據相比較。當傳感器測溫數據高于設定的報警值，SCADA系統會發出報警指示給操作員，并可以定位到具體的設備及安裝部位， 方便工程師去現場進行查看及風險評估，消除潛在故障的風險。

2.4云平臺“千里眼”系統的應用

IOT由IT信息技術和OT運營技術深度融合，千里眼APP系統是物聯網QT技術的應用體現之一。圖4為千里眼APP在其他行業的應用截圖。

設計方案中，通過既有電力設備關鍵部位加裝測溫傳感器，獨立測溫SCADA系統及千里眼APP 云邊端協同應用，實現設備運行數據的進一步透明化,并提高系統管理水平。將電廠內各安裝TH110溫度傳感器的開關柜、變壓器及高壓電動機關鍵部位的溫度數據進行處理，為配電設備運行狀態監 視、運行維護作業管理和設備資產管理提供“互聯網+”靈活應用方案。而且，千里眼可以提供報警管理，可以根據嚴重程度區分不同等級的報警，并通過短信通知用戶，讓用戶在獲取報警信息，并可以通過手機APP確認和記錄報警事件，篩選和導出報警信息，形成專門的報告，預防事故及故障的發生。除了智能手機端顯示溫度型號及提供報警之外，千里眼還可提供資產快查及工單派工的功能，提高用戶的運維效率及智能化程度。其他行業的試點應用，監測到了數次設備的異常溫度信號，并且及時檢修維護，成功避免了重大事故的發生。

3、安科瑞溫度在線監測系統概述

電氣接點在線測溫裝置適用于高低壓開關柜內電纜接頭、斷路器觸頭、刀閘開關、高壓電纜中間頭、干式變壓器、低壓大電流等設備的溫度監測，防止在運行過程中因氧化、松動、灰塵等因素造成接點接觸 電阻過大而發熱成為安全隱患，提高設備安全保障，及時、持續、準確反映設備運行狀態，降低設備事故率。Acrel-2000T無線測溫監控系統通過RS 485總線或以太網與間隔層的設備直接進行通訊，系統設計遵循國際標準Modbus-RTU、Modbus-TCP等傳輸規約，安全性、可靠性和開放性都得到了較大地提高。該系統具有遙信、遙測、遙控、遙調、遙設、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能，可以監控無線測溫系統的設備運行狀況，實現快速報警響應，預防嚴重故障發生。

3.1應用場所

適合在泛在電力物聯網、鋼廠、化工、水泥、數據中心、醫院、機場、電廠、煤礦等廠礦企業、變配電所等電力設備的溫度監測。

3.2系統結構

溫度在線監測系統結構圖

3.3系統功能

測溫系統主機Acrel-2000T安裝于值班監控室，可以遠程監視系統內所有開關設備運行溫度狀態。系統具有以下主要功能：

3.3.1溫度顯示

顯示配電系統內每個測溫點的實時值，也可實現電腦WEB/手機APP遠程查看數據。

3.3.2溫度曲線

查看每個測溫點的溫度趨勢曲線。

3.3.3運行報表

查詢及打印各測溫點時間的溫度數據。

3.3.4實時告警

系統能夠對各測溫點異常溫度發出告警。系統具有實時語音報警功能，能夠對所有事件發出語音告警，告警方式有彈窗、語音告警等，還可以短信/APP推送告警消息，及時提醒值班人員。

3.3.5歷史事件查詢

能夠溫度越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析等。

3.4系統硬件配置

溫度在線監測系統主要由設備層的溫度傳感器和溫度采集/顯示單元，通訊層的邊緣計算網關以及站控層的測溫系統主機組成，實現變配電系統關鍵電氣部位的溫度在線監測。

名稱	外形	型號	參數說明
系統組態軟件		Acrel-2000/T	硬件：內存 4G，硬盤 500G，以太網口。 顯示器：21 寸，分辨率 1280*1024。 操作系統：Windows 7 64 位簡體中文旗艦版。 數據庫系統：Microsoft SQL Server 2008 R2。 通訊協議：IEC 60870-5-103、IEC 60870-5-104、Modbus RTU、Modbus TCP 等國際標準通信規約
智能通信管理機		Anet-2E4SM	通用網關，2路網口，4路RS485，可選配1路LORA，帶電告警功能，支持485，4G從模塊擴展。
無線測溫集中采集設備		Acrel-2000T/A	壁掛式安裝 標配一路485接口、一路以太網口 自帶蜂鳴器告警 柜體尺寸480*420*200 （單位mm）
		Acrel-2000T/B	硬件：內存4G，硬盤128G，以太網口 顯示器：12寸，分辨率800*600 操作系統：Windows7 數據庫系統：Microsoft SQL Server 2008 R2 可選Web平臺/APP服務器 柜體尺寸為480*420*200（單位mm)
顯示終端		ATP007 ATP010	DC24V供電；一路上行RS485接口；一路下行RS485接口； 可接收20個ATC200/1個ATC400/1個ATC450-C。
		ARTM-Pn	面框96*96*17mm，深度65mm；開孔92*92mm； AC85-265V或DC100-300V供電； 一路上行RS485接口，Modbus協議； 可接收60個ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。
		ASD320 ASD300	面框237.5*177.5*15.3mm，深度67mm；開孔220*165mm； AC85-265V或DC100-300V供電； 一路上行RS485接口，Modbus協議； 可接收12個ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。
智能溫度巡檢儀		ARTM-8	開孔88*88mm 嵌入式按照； AC85-265V或DC100-300V供電； 一路上行RS485接口，Modbus協議； 可接入8路PT100傳感器，適用于低壓開關柜電氣接點、變壓器繞組、點擊繞組等場合的測溫；
		ARTM-24	35MM導軌安裝； AC85-265V或DC100-300V供電； 一路上行RS485接口，Modbus協議； 24路NTC或PT100、1路溫濕度測溫、2路繼電器告警輸出，用于低壓電氣接點、變壓器繞組、點擊繞組等場所測溫；
無線收發器		ATC450-C	可接收60個ATE100/ATE100M/ATE200/ATC400/ATE100P/ATE200P傳感器數據。
		ATC600	ATC600有兩種規格；ATC600-C可接收240個ATE100/ATE100M/ATE200/ATC400/ATE100P/ATE200P傳感器數據。ATC600-Z做中繼透傳。
電池型無線測溫傳感器		ATE100M	電池供電，壽命≥5年；-50℃~+125℃； 精度±1℃；470MHz，空曠距離150米； 32.4*32.4*16mm(長*寬*高)。
		ATE200	電池供電，壽命≥5年；-50℃~+125℃； 精度±1℃；470MHz，空曠距離150米； 35*35*17mm， L=330mm(長*寬*高，三色表帶)。
		ATE200P	電池供電，壽命≥5年；-50℃~+125℃； 精度±1℃；470MHz，空曠距離150米,防護等級IP68；35*35*17mm， L=330mm(長*寬*高，三色表帶) 。
CT取電型無線測溫傳感器		ATE400	CT感應取電，啟動電流≥5a；-50℃~125℃；精度±1℃470MHz，空曠距離150米； 合金片固定、取電；三色外殼；25.82*20.42*12.8mm(長*寬*高)。
有線溫度傳感器		PT100	用于低壓接點測溫時，具體封裝、精度、線制、線材、線長與供應商聯系； 用于變壓器、電機繞組測溫時，建議變壓器或電機內部預埋好Pt100
		NTC	用于低壓接點測溫時，具體封裝、精度、線制、線材、線長與供應商聯系； 用于變壓器、電機繞組測溫時，建議變壓器或電機內部預埋好

4、總結及應用

無線測溫系統在發電行業的應用方案，配套管理系統及千里眼APP提供溫度異常告警、實時設備溫度采集、周期性溫度監測及報表、設備狀態評估等功能，能減少及避免因溫度導致的重大故障的發生。其次，隨著技術的發展，其他傳感器的應用，從不同角度獲得關鍵設備及系統的數據，從而更客觀地進行設備及系統監測，可以作為下步研究工作方向之一。而且，智能化、萬物互聯等新技術的應用， 會對運維人員的能力及習慣提出更高的要求，智能化系統需要進一步提高用戶的實際體驗，開發更多更貼近用戶的功能，比如資產管理，工單處理，故障排除等，得到更多的應用。

參考文獻