摘要：針對洪江水電廠電氣開關柜溫度無法在線監測的問題,本文提出了一種基于物聯網技術的水電廠開關柜溫度測量系統。該系統部署簡單高效，能快速采集設備溫度數據，通過4G或者WiFi無線信號將數據送入物聯網云平臺，實現開關柜溫度遠程實時監測，為開關柜狀態診斷提供決策依據。此外，該系統解決了人工巡檢成本高、數據及時率低、作業風險高等難題，消除設備潛在的隱患，保障了水電廠設備的安全穩定運行，在水電場景中具有特定地應用價值，并為智能電廠運行維護提供可靠的解決方案。
關鍵詞：物聯網技術;云平臺；無線信號
0引言
洪江水力發電廠為燈泡貫流式機組,位于湖南省懷化市洪江區上游，在沅水干流的中上游河段, 是沅水干流開發規劃中的重要梯級工程。電廠共裝機6臺單機45 MW的水輪發電機組，總裝機容量270 MW,年設計發電量為10.17億kW?h,是一座具有發電、航運、灌溉、供水等綜合利用效益的水電廠。
本文基于洪江水電廠開關柜設備的實際測溫需求，探索獨立于傳統溫度采集系統之外的測溫方案，提出一種基于物聯網技術的水電廠電氣開關柜溫度測量系統。該系統在電廠開關柜中實施并成功應用,包括廠用配電系統開關柜和抽屜柜、高壓斷路器等設備，取得良好的實踐，實現了溫度在移動APP與WEB應用端在線監測，減少了重要電氣設備運行風險，提高了安全運行指數。
1概述
電力行業經常發生因電力電纜和設備過熱而引起的火災事件，導致大面積的電纜燒損和設備損壞而被迫停機,短時間內無法恢復生產,從而造成重大經濟損失。據國家電力安全事故通報統計,每年發生在電站的電力事故中40%是由電氣設備過熱所致鐵各電廠高低壓設備連接部位如母線連接點、開關、斷路器動觸頭等由于氣候冷熱變化、材料老化、銹蝕、松動等原因易造成接觸不良、接觸電阻增大，長期運行造成的斷路器觸頭過熱、絕緣燒穿、設備起火。為了消除安全隱患,提高設備使用性能，因此開展基于物聯網的電氣開關柜遠程監測與應用設計，解決電廠巡檢人員作業風險大、數據共享難等問題，實現溫度遠程在線監測功能，進一步提高設備運行的可靠性和安全性。
2系統技術架構
系統技術架構由溫度傳感器及溫度匯聚主機、智能網關RTU、物聯網云平臺、移動APP端和WEB應用端五大模塊組成,利用物聯網技術實現數據采集、匯聚、上傳、存儲、應用五大功能。其中智能網關RTU和物聯網云平臺為本系統的兩大核心模塊，該智能網關具有多種采集接口、兼顧常用的工業通信協議,具有較高的數據采集及運算能力鐵系統技術架構圖如圖1所示。
圖1系統技術架構圖
2.1溫度傳感器
根據電氣柜設備的結構和測量方式，本系統的溫度傳感器由接觸式傳感器和非接觸式傳感器組成。其中廠用配電系統抽屜柜采用非接觸式紅外溫度傳感器,將測溫銅箔貼片粘貼在抽屜柜的三相觸頭上，安裝紅外傳感器IR52讀取銅箔溫度，因為銅箔導熱性好、耐熱性強。因此溫度讀取速度快、準確率高。數據匯聚后統一發送到MT562測溫主機中，對外以RS485接口進行數據傳輸，紅外傳感器的安裝示意如圖2所示
圖2 紅外溫度傳感器安裝示意圖
針對廠用配電系統開關柜進出線銅排和母排電纜接線端的溫度監測，由于開關柜斷路器銅排寬度達5cm,運行電流大,因此選用接觸式無線無源溫度傳感器WT01,該傳感器體積小、安裝方便、組網靈活可靠,并且通過開關柜銅排的運行電流自感應取電。因此解決了傳統溫度傳感器需更換電池的痛點，降低了作業風險和運維成本。WT01溫度傳感器通過無線射頻（Zigbee協議）將數據發送至溫度匯聚主機，匯聚主機使用MT565進行數據采集，并提供RS485接口進行數據通信,無線傳感器的安裝示意如圖3所示。
圖3 無線測溫傳感器安裝示意圖
2.2智能網關RTU
本系統采用自研的電力智能網關RTU,該網關裝置具有多種數據接入方式，兼容modbusRTU、modbusTCP等主流通信協議,并支持有線接入和無線接入方式，能實現局部區域內大量傳感器或智能終端數據采集。網關內置4G與WIFI無線信號信模塊,能實現現場端設備與遠方物聯網云平臺的數據通信和信息互聯。將網關RTU與溫度主機連接,采用標準的modbusRTU通信協議，能快速便捷地對電氣開關柜的溫度進行采集。以無線網絡為傳輸載
體，根據溫度標準物模型將數據進行封裝,包括屬性、事件、服務，采用MQTT通訊協議將數據發送至物聯網云平臺，云平臺接受數據后自動解析,實現數據一體化采集、存儲、傳輸及解析。
2.3物聯網云平臺
物聯網云平臺是物聯網生態系統中重要部分，通過多種的網絡連接手段將設備狀態信息與互聯網連通，實現對設備智能化感知、識別和管理，是各類設備連接到場景應用的關鍵“橋梁"。本系統物聯網云平臺負責接收網關RTU上報的溫度數據、并向網關RTU下發指令，實現數據進行讀取、計算和顯示。除此之外,云平臺對網關設備進行統一認證和管理，提供可視化的安全管理。接入云平臺的溫度數據統一進行編碼和治理,為移動APP端和WEB應用端提供數據服務。
2.4移動APP端和WEB應用端
移動APP端和WEB應用端是基于物聯網云平臺進行開發,通過調用云平臺存儲的溫度數據,將數據呈現給用戶，實現數據的可視化應用。應用端主要包括溫度綜合展示、趨勢預警、越限告警、報表導出等功能模塊，實現對電氣開關柜狀態的綜合顯示及智能預警,保障設備安全運行。
3系統總體架構
本系統總體架構按照縱向分層的原則開展整體建設，包括感知層、支撐層和應用層三個層次。感知層以洪江電廠現場電氣柜溫度監測為數據來源，包括各配電系統的開關柜銅排和抽屜柜觸頭溫度。系統以物聯網技術為傳輸手段,連接感知層和支撐層。支撐層主要由物聯網平臺組成，負責系統開發所需的關鍵資源與技術。物聯網平臺提供設備接入、設備管理、數據解析等服務，并提供數據存儲和數據治理等功能，同時為其他系統數據調用提供支撐。應用層實現對洪江電廠電氣柜溫度監測可視化展示與應用，涵蓋了 WEB應用與移動APP兩個部分。系統總體架構圖如圖4所示。
圖4 系統總體架構圖
4系統功能架構
本系統功能架構根據電廠電氣柜實際業務需求進行設計，系統功能包括區域溫度綜合展示、趨勢預警、越限告警、報表導出四大模塊。
溫度綜合展示模塊實現對監測設備及監測情況的統一概覽，包括開關柜位置、網關在線狀態、溫度數值、實時統計等功能,以圖表的方式對監測區域、監測點位、監測時長、監測類型等信息進行綜合展示；以區域為劃分,實時顯示該區域內溫度,實時統計可對當前設備在線數量、預警、告警等情況進行展示。
趨勢預警模塊對周期內溫度發展趨勢進行分析預警,包括狀態曲線、狀態分析、趨勢預警等功能,狀態曲線可根據不同周期對溫度信息進行可視化展示,狀態分析可結合實時/歷史數據進行均值、極值、方差等計算分析，趨勢預警可根據監測值的異常變動進行實時預警。
越限告警模塊對溫度越限進行多路徑告警，包括越限彈窗、消息推送、短信提醒等功能，越限彈窗指當溫度超過預設范圍時，系統通過強制彈窗以醒目的方式在前端進行警報。
報表導出模塊用于實現電廠運行人員制定日常報表,包括報表生成、定時任務、數據分析等功能。報表生成通過自主組合設備點位和監測屬性進行報表自動導出;定時任務可通過設置時間實現報表導出功能，數據分析可根據周期內監測情況對區域狀態進行評估。系統功能架構圖如圖5所示。
圖5 系統功能架構圖
5系統應用
利用電氣開關柜檢修間隙安裝測溫傳感器和智能網關RTU,在廠用配電系統開關柜實行掛網試點。每個開關柜A、B、C三相電纜觸頭分布安裝3個紅外測溫傳感器和1個溫度匯聚主機，每段母線安裝2個智能網關RTU采集終端，傳感器與溫度匯聚主機采用Zigbee協議自組網通信,溫度匯聚主機與網關RTU采集終端之間采用RS485總線連接, 數據經網關RTU采集終端傳輸到物聯網云平臺，基于云平臺開展APP應用功能開發，整體系統架構如圖1所示。經過一個月的系統試運行，測溫數據傳輸穩定，告警及時有效,并在APP上準確顯示,實現對開關柜測溫數據遠程監測，減少設備運維工作量。圖6為2D7-Q5開關柜三相觸頭1個月內溫度曲線圖，圖7為APP端開關柜實時數據顯示頁面。
圖6 2D7-Q5開關柜溫度監測曲線圖
圖7 APP端開關柜實時數據顯示頁面
6安科瑞溫度在線監測系統解決方案
6.1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RS485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。
6.2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。
6.3系統結構
溫度在線監測系統結構圖
6.4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：
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。
溫度曲線：查看每個測溫點的溫度趨勢曲線。
運行報表：查詢及打印各測溫點時間的溫度數據。
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。
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。
6.5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：Windows764位簡體中文旗艦版。
數據庫系統：MicrosoftSQLServer2008R2。
通訊協議：IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、ModbusRTU、ModbusTCP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：MicrosoftSQLServer2008R2
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；
7安科瑞AMB300系列母線槽紅外測溫解決方案
安科瑞AMB300系列母線槽紅外測溫解決方案，這是一款非接觸式紅外測溫裝置，能夠解決母線槽溫升過高的問題，實時把連接器中每相溫度數據上傳后臺，提示管理人員應對報警點予以重視或采取必要的預防措施。
此母線槽紅外測溫解決方案由人機HMI觸摸屏，紅外測溫模塊，紅外采集器，電源模塊組成。該系統通過RS485線與本地觸摸屏和后臺監控進行通信（如下圖），系統設計遵循際標準Modbus-RTU傳輸規約，安全性、可靠性和開放性都得到了很大地提高。RS-485作為一種串行通信的接口具有傳輸距離長、速度較高、電平兼容性好、使用靈活方便、成本低廉和可靠度高等特點，與無線通信方式相比，具有價格低、抗共模干擾能力強等優點。
AMB300紅外測溫組網示意圖
AMB300紅外測溫系統拓撲圖
AMB300紅外測溫原理示意圖
AMB300-D4 AMB300-D1 AMB300-Z
AMB300紅外測溫管理軟件界面
安科瑞系統平臺界面
8結論
本文針對洪江水電廠電氣開關柜溫度在線監測需求問題，設計了一種基于物聯網的水電廠開關柜溫度監測系統，實現了對電廠配電系統電氣開關柜的溫度快速采集，并在APP應用端實時監測。該系統采用物聯網技術開展數據采集、傳輸和計算，大大地減少了現場施工量及人工成本，快速實現了開關柜測溫系統建設和應用,為開關柜智能診斷提供決策基礎。因此該系統在技術和功能上設計完整、適用性強，提升了水電廠設備安全管理水平，具有較高的推廣價值。
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