摘要：變壓器的油溫和繞組溫度是反映變壓器運行狀態(tài)的重要指標，基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )設計實(shí)現了變壓器溫度監測系統，能夠實(shí)現對變壓器油溫和繞組表面溫度的監測。該系統利用鉑電阻進(jìn)行溫度數據的采集，采用Zigbee無(wú)線(xiàn)通信模塊CC2430實(shí)現傳感器數據的無(wú)線(xiàn)傳輸，基于Labview設計實(shí)現了監控界面。該系統對于變壓器溫度的實(shí)時(shí)監測有重要的應用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：變壓器；溫度；無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )
0引言
電力變壓器是電力系統中用以改變電壓的主要電氣設備，長(cháng)期工作在高電壓、大電流、強磁場(chǎng)的環(huán)境中，使得熱量聚集。變壓器的溫升既影響帶負荷能力又影響使用年限，還會(huì )增加電力系統的損耗，如果散熱不良還會(huì )危及設備的正常運行，甚至會(huì )造成故障。為了保證變壓器運行，迫切需要能及時(shí)、準確地判斷變壓器的運行狀況，實(shí)時(shí)監測變壓器的溫度變化，以及時(shí)采取適當措施，保證變壓器穩定、經(jīng)濟運行。變壓器油溫度是變壓器運行的重要指標之一，按GB1094電力變壓器標準設計的油浸式電力變壓器，在GB/T15164—9d(油浸式電力變壓器負載導則)中規定其熱點(diǎn)溫度基準值98℃，即在此溫度下絕緣的相對老化率為1。在80～140℃范圍內，溫度每增加6K，老化率就增加1倍。在油浸式變壓器中［1］，變壓器油起著(zhù)散熱和絕緣的作用。當油溫超過(guò)一定溫度時(shí)，變壓器油的氧化就會(huì )加速，并吸收更多水分。帶有水分和雜質(zhì)的變壓器油，會(huì )縮短變壓器的壽命，成為變壓器可靠運行的隱患，嚴重時(shí)會(huì )導致電力事故的發(fā)生，因此運行時(shí)需要保證變壓器的油溫在規定范圍內。
為了保證電力變壓器運行，需要實(shí)時(shí)監測油溫和繞組溫度。關(guān)于變壓器溫度的在線(xiàn)監測，目前已經(jīng)提出了多種方法，如上海電力學(xué)院開(kāi)發(fā)的電力變壓器在線(xiàn)監測系統［2］，使用氣體傳感器、電流傳感器和紅外線(xiàn)傳感器分別監視變壓器的氫氣和一氧化碳含量、局部放電和溫度變化。其他還有基于單片機的變壓器繞組溫度測控系統［3］，基于DSP的變壓器溫度監控系統［4］，干式變壓器無(wú)線(xiàn)溫度監測系統［5］等。這些系統都能實(shí)現對變壓器溫度的在線(xiàn)監測，但都存在著(zhù)同樣的問(wèn)題:使用有線(xiàn)連接方式，由于受供電電源、安裝場(chǎng)所、運行和維修環(huán)境等條件的限制，系統布設復雜;監測變壓器狀態(tài)的傳感器位置固定，很難更改，而且監測點(diǎn)少，不便于擴展，不能保證數據的實(shí)時(shí)性和完整性，限制了對設備運行狀態(tài)的正確評估、判斷和決策。為了克服這些問(wèn)題，本文提出使用無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )來(lái)監測變壓器運行中的溫度變化，以保證變壓器的運行。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSNs)是由許許多多功能相同或不同的無(wú)線(xiàn)傳感終端(或稱(chēng)為節點(diǎn))組成，是以嵌入式技術(shù)為核心的數據采集與通信系統。每一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感終端由數據采集模塊(傳感器、A/D轉換器)、數據處理和控制模塊(微處理器、存儲器)、通信模塊(無(wú)線(xiàn)收發(fā)器)和供電模塊等組成，能夠實(shí)現對于多路溫度傳感器數據的實(shí)時(shí)采集，能夠很方便地實(shí)現變壓器的繞組溫度和油溫的檢測。
1、系統的總體結構
變壓器運行時(shí)會(huì )產(chǎn)生鐵心損耗、繞組銅損耗及其他的附加損耗，這些損耗轉變成熱量會(huì )使變壓器的有關(guān)部分溫度升高。為了了解監測變壓器的溫度，識別高溫點(diǎn)的位置，采用單個(gè)傳感器是不夠的，在變壓器的多個(gè)位置布設多個(gè)傳感器，更有利于掌握變壓器的溫度狀態(tài)，及早發(fā)現變壓器的溫度異常并識別高溫點(diǎn)位置，才能進(jìn)行相應的處理。由于需要使用多傳感器監測多個(gè)監測點(diǎn)的溫度，為了便于靈活布設本系統采用的無(wú)線(xiàn)傳感器不需事先安裝在變壓器的某個(gè)固定位置上而是可以在現場(chǎng)安裝布設時(shí)再確定監測位置，然后在監控端設置溫度監視點(diǎn)為對應位置，實(shí)現對該點(diǎn)溫度的監視。圖1是變壓器溫度無(wú)線(xiàn)傳感監測系統的總體結構。
圖1 變壓器溫度無(wú)線(xiàn)傳感監測系統總體結構
由于變壓器運行時(shí)的主要損耗來(lái)源于鐵心和繞組，并且只有達到一定的溫差后才能向外散熱，所以變壓器的各部位的溫度不一樣。一般地，繞組溫度很高，鐵芯次之，對每一部分來(lái)說(shuō)，溫度是自下部到上部逐漸升高的。為了能實(shí)現實(shí)時(shí)溫度數據采集和分析，本系統采用智能化的溫度分析方法，以識別溫度的變化趨勢，及時(shí)進(jìn)行溫度預測。本系統主要包括無(wú)線(xiàn)傳感溫度采集節點(diǎn)和監控主節點(diǎn)兩個(gè)主要部分，每臺變壓器都可布設4或6個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感溫度采集節點(diǎn)，對稱(chēng)安裝在變壓器的各面，以實(shí)現對變壓器溫度的監測和分析。監控主節點(diǎn)由無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)和監測分析計算機構成，可實(shí)時(shí)監視多個(gè)變壓器的溫度狀態(tài)，并根據溫度歷史數據預測溫度的變化，同時(shí)對同一變壓器的多個(gè)溫度傳感器的實(shí)時(shí)數據進(jìn)行分析，識別高溫點(diǎn)的位置，及時(shí)發(fā)現故障征兆，實(shí)現智能溫度監測。
2、無(wú)線(xiàn)傳感器數據采集節點(diǎn)
無(wú)線(xiàn)傳感器數據采集節點(diǎn)由基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)及無(wú)線(xiàn)數據采集終端組成，為了便于傳感器的布設和更換，傳感器數據采集節點(diǎn)使用變壓器表面安裝方式。每個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)都是一個(gè)集成了Zigbee通信模塊的無(wú)線(xiàn)傳感器，每個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)將其采集的數據通過(guò)Zigbee通信傳輸給變電站監控，在監控的計算機上進(jìn)行溫度數據的分析和顯示以及報警處理。
系統使用鉑電阻測溫元件進(jìn)行溫度的檢測，各Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)硬件的基本結構是*一樣的。Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)的基本結構如圖2所示，通過(guò)傳感器檢測溫度狀態(tài)數據;并將采集的數據送到信號調理模塊，進(jìn)行信號的放大、濾波處理;由多路復用實(shí)現對同一變壓器的多點(diǎn)溫度檢測，再經(jīng)A/D轉換器把模擬信號轉換成數字信號;然后送到Zigbee通信模塊。
圖2 Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感溫度采集節點(diǎn)硬件結構圖
系統使用的鉑電阻測溫傳感器是霍尼韋爾公司的薄膜鉑電阻HEL2700的Pt1000系列，在0℃時(shí)具有1000Ω的標準阻值，且電阻值隨溫度的變化而變化，可用于對油溫和變壓器繞組表面溫度的檢測。它具有較大的溫度－電阻系數(3.8Ω/℃)，可以減小導線(xiàn)電阻對溫度的影響。由于鉑電阻的熱電阻與溫度的關(guān)系存在非線(xiàn)性，在高溫區表現更明顯，因此需要對鉑電阻的非線(xiàn)性進(jìn)行校正。無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)中的調理電路可以實(shí)現電阻與溫度關(guān)系的校正補償，獲得線(xiàn)性的溫度—電阻關(guān)系，并將鉑電阻傳感器的阻值變化轉化為0～5V的電壓，通過(guò)A/D轉換之后，送入Zigbee通信模塊進(jìn)行處理。本系統的Zigbee通信模塊采用TI公司的CC2430，CC2430的傳輸距離大概為50～70m，適合構建一般小型變電站變壓器的狀態(tài)監測網(wǎng)絡(luò )。當用于遠距離監測時(shí)，可增加使用射頻功放，監測距離可達1km，該芯片內部集成了一個(gè)高性能和低功耗的8051微控制器，通過(guò)該芯片可以控制溫度數據的采集和射頻發(fā)射，集成符合IEEE802．15．4標準的2.4GHz的ＲF無(wú)線(xiàn)電收發(fā)模塊，在待機模式時(shí)僅0.6μA的流耗。CC2430的結構如圖3所示。
圖3 功能結構圖
3、監控設計
監控是變壓器溫度無(wú)線(xiàn)傳感監測系統的核心，它能實(shí)現對來(lái)自各變壓器的溫度傳感數據的實(shí)時(shí)顯示、存儲、查詢(xún)與融合分析。整個(gè)系統的功能框圖如圖4所示，它由Zigbee節點(diǎn)、數據處理、實(shí)時(shí)數據顯示、數據庫服務(wù)器、數據查詢(xún)與分析終端等部分組成。
實(shí)時(shí)監控終端是變壓器溫度無(wú)線(xiàn)傳感監測系統重要的組成部分，Zigbee無(wú)線(xiàn)模塊接收到來(lái)自于各變壓器的實(shí)時(shí)溫度數據后，經(jīng)過(guò)數據處理單元將數據幀拆分，得到對應于各傳感器的實(shí)時(shí)數據，由實(shí)時(shí)監控終端顯示系統顯示出來(lái)，并可對各無(wú)線(xiàn)傳感溫度采集節點(diǎn)的工作狀態(tài)、參數進(jìn)行遠程控制與查詢(xún)。實(shí)時(shí)監控終端需要同時(shí)監控顯示來(lái)自多個(gè)變壓器的參數，當監控變壓器較多時(shí)，可以使用多個(gè)終端同時(shí)顯示變壓器的溫度狀態(tài)參數。實(shí)時(shí)監控終端顯示軟件采用了labview進(jìn)行開(kāi)發(fā)。圖5為可同時(shí)監控單個(gè)變壓器的油溫、變壓器上部和下部三個(gè)點(diǎn)的溫度時(shí)的監控界面。
圖4 監控結構圖
圖5 變壓器溫度監控界面
為了在變壓器溫度發(fā)生異常時(shí)及時(shí)發(fā)現并進(jìn)行處理，在監控終端中設計實(shí)現了實(shí)時(shí)分析預警功能。在接收、顯示變壓器溫度數據的同時(shí)，可自動(dòng)對這些數據進(jìn)行分析，在出現溫度偏離正常值時(shí)，及時(shí)通知監控人員注意。監護的智能診斷軟件主要基于信息融合的方法進(jìn)行溫度異常識別，通過(guò)對變壓器不同位置的傳感器的數據進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，判別變壓器溫度變化趨勢，根據需要及時(shí)發(fā)出警報信息以便監控人員關(guān)注發(fā)生異常變化的變壓器。
數據庫服務(wù)器是整個(gè)系統數據交換的，為了確保變壓器溫度數據的完整性，也為了方便數據的進(jìn)一步分析，監護會(huì )將接收到的所有變壓器的溫度參數存儲起來(lái)，并可以進(jìn)行數據回放和分析，以進(jìn)一步進(jìn)行變壓器溫度異常故障的診斷和分析。
4、安科瑞無(wú)線(xiàn)測溫產(chǎn)品介紹
a.電池供電型無(wú)線(xiàn)溫度傳感器
安裝于發(fā)熱部位，采集溫度量并通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳輸的傳感器。
目前無(wú)線(xiàn)溫度傳感器有三款：
b.CT感應取電無(wú)線(xiàn)溫度傳感器
安裝于斷路器觸頭、母排、電纜搭接點(diǎn)等大電流處，采集溫度量并通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳輸的傳感器。
目前無(wú)線(xiàn)溫度傳感器有兩款：
安科瑞無(wú)線(xiàn)測溫就地顯示配置：
ASD300/320智能操控裝置可連接12路無(wú)線(xiàn)溫度傳感器，ARTM-Pn無(wú)線(xiàn)測溫裝置可以連接18路無(wú)線(xiàn)溫度傳感器，無(wú)源（CT取電）方式為ATE300（捆綁式安裝），有源（電池供電）方式為ATE100（螺栓式安裝，主要用于電纜/銅排等螺絲固定的搭接點(diǎn)）和ATE200（表帶式，主要用于斷路器觸頭等接點(diǎn)捆綁安裝，因安裝較ATE100更方便，電纜/銅排等搭接點(diǎn)也常選用）。
圖6 無(wú)線(xiàn)測溫帶操顯功能（就地顯示）
Acrel-2000T/B無(wú)線(xiàn)測溫壁掛式監控設備，內存4G,硬盤(pán)128G,以太網(wǎng)口，顯示器12寸，分辨率800*600，可選Web平臺/App服務(wù)器，柜體尺寸480*420*200（單位mm），配置IPAD,安裝ACREL-2000/T軟件。就地實(shí)時(shí)顯示溫度分布以及報警等詳細參數。
圖7 無(wú)線(xiàn)測溫采集設備配置方案
5、結論
由于技術(shù)產(chǎn)品成熟度和成本等原因，變壓器上普遍沒(méi)有安裝熱點(diǎn)監測系統，從而使變電系統惡性事故的預測、預防和監控缺乏可靠穩定的技術(shù)手段?；赯igbee技術(shù)的變壓器溫度無(wú)線(xiàn)傳感監測系統利用設置在變壓器表面的多個(gè)傳感器，能實(shí)時(shí)監測變壓器的溫度狀態(tài)，在溫度異常時(shí)進(jìn)行報警。相比于傳統的有線(xiàn)監測方法，本系統不需布線(xiàn)，可按需貼裝在變壓器表面任何位置，更加方便靈活，便于更換。由于利用多傳感器數據推算變壓器溫度，推算結果更加可信，從而能夠更有效地保證變壓器的正常運行。該系統經(jīng)過(guò)試用，能夠正常監測變壓器的溫度狀態(tài)，可用于變電站的變壓器油溫和繞組表面溫度監控，有很重要的實(shí)用價(jià)值。
【參考文獻】
[1]張麗，趙文濤，王志霞，等．多臺變壓器溫度集中監視分散控制系統［J］．變壓器，2005，42(3):45－47。
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[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2019.11版。
