eWatch高压开关柜在线温度监测预警系统定稿11010.docx
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eWatch高压开关柜在线温度监测预警系统定稿11010
eWatch智能变电站高压开关柜红外测温在线监测智能诊断预警系统
北京合众普瑞科技有限公司
2010-01
目录
第一章前言4
第二章常用测量方法6
2.1普通测温6
2.2光纤测温6
2.3普通红外测温6
2.4高精度数字式红外在线测温6
第三章红外测温原理7
3.1红外测温工作原理7
3.2红外测温性能7
3.3红外测温特点8
第四章系统建设8
4.1系统综述9
4.2系统组成9
4.3系统拓扑11
4.4部署11
4.5无线数传网络12
第五章系统功能14
5.1硬件功能14
5.1.1数据采集模块14
5.1.2数据处理模块14
5.1.3前端显示和通讯模块14
5.2软件功能14
5.2.1自检模块15
5.2.2报警参数设置模块15
5.2.3实时温度显示模块15
5.2.4历史温度查询模块15
5.2.5报警模块15
5.2.6日志记录模块15
5.2.7上传通讯模块16
5.2.8统计报表打印模块16
5.2.9系统安全模块16
第六章系统特点16
6.1非接触式测温16
6.2连续的温度测量显示16
6.3完善的抗干扰措施16
6.4全面的参数设置16
6.5标准的通讯接口17
第七章主要设备介绍17
7.1进口高精度红外测温传感器17
7.1.1多路巡检显示仪MI3MCOMM17
7.1.2红外测温仪RayMI310LTS17
7.2红外测温传感器18
7.2.1多路巡检显示仪EW706M18
7.2.2红外测温仪EWS2019
7.3无线数传模块19
第一章前言
智能电网对变电站的需求是坚强可靠、信息化、自动化、互动化，采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以变电站全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动。
随着电网的发展和设备技术的提高，10kV、35kV系统开关柜在电网中已大量使用。
在设备长期运行过程中，开关柜中的触点和母线排连接处等部位因老化或接触电阻过大而发热，这种现象已成为开关柜使用中的常见问题，由于开关柜体的密闭性，这些发热部位的温度无法监测，由此造成火灾和大面积的停电事故，直接影响设备的安全稳定运行，而且，过热问题是一个不断发展的过程，如果不加以控制，过热程度会不断加剧，并对绝缘件的性能及设备寿命产生很大的影响。
目前，对电力系统内部使用的开关柜，严格遵守设备采购程序及技术政策，确保入网的开关柜都通过型式试验，尤其对温升的要求比较严格。
运行中，负荷通常都不会达到开关柜的设计满容量，开关柜的温升问题应该不会很突出，但是实际情况并不尽然。
开关柜内部实际温升情况，尤其是母排连接等部位，通常总是比型式试验测出的数据高。
而这些发热部位的温度无法监测，解决开关柜过热问题是杜绝此类事故发生的关键。
通过监测开关柜内触点温度的变化情况，可有效防止开关柜的火灾发生，但由于开关柜内高压的结构，无法进行人工巡查测温。
随着传感器技术、信号处理技术、计算机技术、人工智能技术的发展，使得对开关柜的运行状态进行在线监测，及时发现故障隐患并对累计性故障做出预测成为可能。
它对于保证开关柜的正常运行，减少维修次数，提高电力系统的运行可靠性和自动化程度具有重要意义，因此实现温度在线监测是保证高压开关柜安全运行的重要手段。
高压开关柜温度过高的几点原因：
（1）试验测得数据通常在试验室完成，持续时间不长，一般不超过8h，不具备温升累积效应，不能等同于长期运行并持续发热的设备。
（2）不同金属的膨胀效应不同。
钢制螺栓的金属膨胀系数要比铜质、铝质母线小得多，尤其是螺栓型设备接头，在运行中随着负荷电流及温度的变化，其铝或铜与铁的膨胀和收缩程度将有差异而产生蠕变，也就是金属在应力的作用下缓慢的塑性变形，蠕变的过程还与接头处的温度有很大的关系。
实践证明，当接头处的运行工作温度超过80℃时，接头金属将因过热而膨胀，使接触表面位置错开，形成微小空隙而氧化。
当负荷电流减小温度降低回到原来接触位置时，由于接触面氧化膜的覆盖，不可能是原安装时金属间的直接接触。
每次温度变化的循环所增加的接触电阻，将会使下一次循环的热量增加，所增加的温度又使接头的工作状况进一步变坏，因而形成恶性循环。
（3）连接部位紧固螺栓压力不当。
部分安装或检修人员在导体连接上认为连接螺栓拧得愈紧愈好，其实不然。
特别是铝质母线，弹性系数小，当螺母的压力达到某个临界压力值时，若材料的强度差，再继续增加不当的压力，将会造成接触面部分变形隆起，反而使接触面积减少，接触电阻增大，从而影响导体接触效果。
（4）选用的导体材料电导率不满足要求，多数属于导体原材料纯度不够。
（5）现场的其它因素，比如可能存在安装检修工艺不当，如母线在加工、连接、安装过程中，对母线接触表面处理不到位、不平整、不光滑、没有涂专用电力脂等，导致有效接触面积减少接触电阻增大而发热。
综上所述，开关柜在长期运行过程中常出现连接部位紧固螺栓松动、安装工艺不当、负荷突变、接点氧化等原因，都会造成设备过热甚至出现严重事故。
只有通过测温装置对开关柜进行实时监测，加强设备巡视，才能遏制发热故障的进一步扩大，确保安全生产。
北京合众普瑞科技有限公司结合电力行业的实际应用需要和多年的电力行业实时在线监测监控经验，采用无线传输ZigBee技术和高精度数字式红外测温传感器技术，研制出适合变电站高压开关柜应用的实时在线温度监测智能诊断预警系统。
该系统既可独立应用在一个变电站内通过计算机软件实现温度实时在线分析又可通过网络把实时数据传送各级集控中心组建市、县级的大型监测监控系统，为有效监测高压开关柜安全运行和变电站的智能化管理提供了非常有效的工具。
第二章常用测量方法
2.1普通测温
1）常规的热电偶、热电阻、半导体温度传感器等测温方式，需要金属导线传输信号，绝缘性能不能保证。
2）测温片：
是最常见的测温方式，其优点是简单方便，价格低，同样其缺点也是显而易见的，测量的温度数值偏差比较大，而且需要人工定时查看，实际应用中没有什么效果。
2.2光纤测温
光纤测温技术采用光导纤维传输温湿度信号，光导纤维具有优异的绝缘性能，能够隔离开关柜内的高压，因此能够准确测量高压触点的运行温湿度，实现高压开关柜内触点运行温湿度的实时在线监测。
然而，用于隔离高压的光纤表面可能受到污染，导致光纤表面放电，以及安装布线烦琐，大大降低了光纤测量系统的可靠性和使用范围。
2.3普通红外测温
普通红外测温为非接触式测量方法，没有高压绝缘问题。
但它容易受环境及周围电磁场的干扰，测量精度低，自动化程度低，往往需要人工定期到高压大电流现场测试，效率低，风险大。
2.4高精度数字式红外在线测温
非接触式红外测量技术经过多年的发展和应用普及，已经大量应用在产品质量控制和监测、设备在线故障诊断安全保护以及医疗等方面，新的红外测温技术具有测温范围广、响应时间快、非接触不污染被测物体、使用寿命长等特点，结合电力实际环境应用，我公司采用了最新的22:
1红外光学分辨率测温技术、完善的软、硬件抗干扰技术和ZIGBEE无线传输技术，克服以上测温方式的缺点，是监测高压开关柜温度预警的理想解决方案。
第三章红外测温原理
3.1红外测温工作原理
红外测温探头由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。
光学系统汇集其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件以及位置决定。
红外能量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的电信号。
该信号经过放大器和信号处理电路按照仪器内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。
除此之外，还应考虑目标和测温仪所在的环境条件，如温度、气氛、污染和干扰等因素对性能指标的影响及修正方法。
测温示意图
一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。
物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布——与它的表面温度有着十分密切的关系。
因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。
3.2红外测温性能
红外测温探头接收多种物体自身发射出的不可见红外能量，红外辐射是电磁频谱的一部分，它包括无线电波、微波、可见光、紫外、Ｒ射线和Ｘ射线。
红外位于可见光和无线电波之间，红外波长常用微米表示，波长范围为0.7微米－1000微米，实际上，0.7微米－14微米波带用于红外测温。
当由红外测温探头测温时，被测物体发射出的红外能量，通过红外测温探头的光学系统在探测器上转换为电信号，该信号的温度读数显示出来，有几个决定精确测温的重要因素，最重要的因素是发射率、视场、到光斑的距离和光斑的位置。
发射率，所有物体会反射、透过和发射能量，只有发射的能量能指示物体的温度。
当红外测温探头测量表面温度时，仪器能接收到所有这三种能量。
因此，所有红外测温探头必须调节为只读出发射的能量。
距离与光斑之比，红外测温探头的光学系统从圆形测量光斑收集能量并聚焦在探测器上，光学分辨率定义为红外测温探头到物体的距离与被测光斑尺寸之比（D:
S）。
比值越大，红外测温探头的分辨率越好，且被测光斑尺寸也就越小。
距离系数示意图
视场，确保目标大于红外测温探头测量时的光斑尺寸，目标越小，就应离它越近。
当精度特别重要时，要确保目标至少2倍于光斑尺寸。
3.3红外测温特点
Ø远距离测温：
不污染被测物体，可测量难于或不可接近的物体
Ø测温范围广：
－40℃～＋3000℃
Ø响应速度快：
响应时间ms量级，可测量快速目标的温度
Ø仪器寿命长：
不受腐蚀环境影响
Ø使用和维护方便：
远程控制、无需值守定期维护即可
第四章系统建设
4.1系统综述
eWatch红外线温度在线测量系统基于WSN/Zigbee、TCP/IP等技术，采用分布式计算技术、多网融合技术，通过红外线测量方法对高压开关柜节点接头、母排等进行温度在线测量、实时监控。
系统是一款功能强大的分体式红外线温度测量系统，具有微型传感头和独立的开关巡检显示单元。
该传感器体积小巧，几乎可安装于任何地方，其性能却远远优于大型系统。
变电站安装实时监测监控软件，实时采集各高压开关柜传感头的温度数据，并及时对数据进行分析处理，并发出警示的声音，在变电站实现数据采集、集中存储、数据转发等相关功能，巡检人员可以在主控室查询相关记录。
在电力公司监控中心，部署eWatch红外线温度在线测量系综合监控平台，对各下属变电站内温度数据进行集中的管理和分析，并做出进一步的安全处理预案。
4.2系统组成
智能变电站高压开关柜红外测温在线监测智能诊断预警系统由物理监测层、站控层、集控层三部分组成。
物理监测层主要由安装在高压开关柜中的红外测温传感器、开关柜巡检显示单元等组成。
站控层主要由变电站监测主机、RF无线数传单元、红外线温度在线测量系统等组成。
集控层主要由eWatch红外线温度在线测量系统综合监控平台相关服务器、监控客户端等组成。
变电站内设备布置框图如下：
在变电站内各高压开关柜里根据不同型号，安装3个（或6个）微型红外传感测温探头，负责采集被监测点的温度数据，并进行数模转换，把数字信号传送到每个开关柜上的开关柜巡检显示单元，开关柜巡检显示单元进行本地显示，同时，针对每个通道可以进行温度越限报警；开关柜巡检显示单元通过无线RF通道传输到变电站监测主机，进行数据存储、显示；巡检人员可以通过监测主机查询相关温度记录、曲线显示；通过监测软件进行温度的分析和处理，同时还可以通过监测软件把实时数据上传到上级监控中心供各级监测人员的查看。
被监测点数据一旦超过或低于预先设定的报警阀值，监测软件会自动发出警告，提醒值班人员进行相关的检查和操作，加强了相关的事态处理和各环节的管理。
4.3系统拓扑
在监控中心，部署eWatch红外线温度在线测量系统服务器，通过电力公司光纤网络与变电站监测主机进行通讯，调用每个变电站的测量数据；每个变电站的所有开关柜温度数据汇集到变电站监测主机，通过接口服务模块与后台系统实现数据转发，在调度室、集控站等监控中心可以查看每个变电站的测量数据。
4.4部署
变电站安装变电站监测主机，进行数据采集、存储；
主控室安装RF无线数传单元，通过以RS485数据接口与变电站监测主机相连，与开关柜RF无线数传单元通讯，建立无线数据传输通道；
在高压开关柜低压室面板开孔，安装开关柜巡检显示单元，实现数据本地显示；通过无线数传通道将采集数据送到变电站监测主机上。
测温探头安装在母线室内，依据采集要求通常在母线室安装3个探头，通过专用线缆与开关柜巡检显示单元相连；
4.5无线数传网络
无线接收终端，负责变电站监测主机与开关柜巡检显示单元进行数据通讯，收集站内各传感头上传的温度数据，把数据传送站内的监测主机。
无线通讯部分采用先进的ZigBee无线通讯技术。
ZigBee无线通讯技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通讯技术，具有自组网、自动路由和自愈功能，且工作在2.4GHz的免执照频段；其数据传输速率在10～250kb／s之间，两个网络节点之间的单跳距离为10～75m，射频发射功率低，再加上处理器支持多种休眠模式；网络节点容量大，具有自组网，自动路由和自愈功能，是实现高压开关柜无线温度监测系统的理想解决方案。
ZigBee技术特点：
1、数据速率比较低，在2.4GHZ的频段只有250Kb/S，而且只是链路上的速率，除掉信道竞争应答和重传等消耗，真正能被应用所利用的速率可能不足100Kb/S，并且余下的速率可能要被邻近多个节点和同一个节点的多个应用所瓜分，适合的应用领域--------传感和控制。
2、可靠性，在可靠性方面，zigbee有很多方面进行保证。
物理层采用了扩频技术，能够在一定程度上抵抗干扰MAC应用层（APS部分）有应答重传功能。
MAC层的CSMA机制使节点发送前先监听信道，可以起到避开干扰的作用。
当zigbee网络受到外界干扰，无法正常工作时，整个网络可以动态的切换到另一个工作信道上。
3、能耗特性，能耗特性是zigbee的一个技术优势，通常zigbee节点所承载的应用数据速率都比较低，在不需要通信时，节点可以进入很低功耗的休眠状态，此时能耗可能只有正常工作状态下的千分之一。
由于一般情况下，休眠时间占总运行时间的大部分，有时正常工作的时间还不到百分之一，因此达到很高的节能效果。
4、组网和路由性，------网络层特性zigbee大规模的组网能力--------每个网络60000个节点。
第五章系统功能
5.1硬件功能
系统硬件部分主要完成数据采集和数据处理工作，可分为以下几个功能模块：
5.1.1数据采集模块
系统采用红外温度传感器来采集温度，具有安全准确、快速等优点，红外温度传感器感知被测点的温度，然后通过内部电路进行分析处理，将温度值以电信号的形式送到后续电路进行处理。
5.1.2数据处理模块
传感器送出的信号是模拟信号，模拟信号极易受到外部电磁类的干扰而影响测温的准确度，不能直接发送通讯盒或者监控主机再处理，必须第一时间对采集到的模拟温度信号进行数模转换，变换成数字信号后再进行传送和处理。
5.1.3前端显示报警和通讯模块
每个开关柜配置一台通讯终端，它的主要功能是完成与连接的探头的数据采集、本地的温度显示和与站内监控主机完成通讯和数据交换。
通讯终端具有LCD显示屏，能够把探头采集到的温度实时的显示出来，便于巡查人员的监看；通讯终端盒还具有ZigBee无线通讯功能，可以实时的把采集到的数据通过无线的方式传送到站内的监控主机，最终由监控软件进行数据的分析和存储。
5.2软件功能
系统软件主要由数据采集、变电站实时监控、集控中心集中监控等几部分组成，主要实现在线监测、实时分析、实时上传等功能。
系统采用红外发射、接收、传输温度信号，通过红外数字编码技术对信号进行识别，每路信号都有固定的唯一编码，保证了信号在无线传输过程中的抗干扰能力，保证了信号的准确性。
通过实时显示监测通道的温度数值，使运行人员能够对开关柜触头温度进行准确地巡检，对开关柜运行状态能够及时地掌握。
并具有超温度上限报警等功能，同时可将温度值通过RS-485接口传到计算机作进一步数据处理，实现开关柜温度的集中监控。
具体功能模块可分为：
5.2.1自检模块
为了使系统能够可靠的工作，系统设计为在打开界面后对各开关柜的测温硬件设备进行检测，看其是否能正常工作。
若发现异常，则及时显示提示信息，提醒工作人员进行检查。
5.2.2报警参数设置模块
监控软件的主要功能是及时发现安全隐患，提供工作人员加以排除，因此报警功能是系统中不可或缺的一部分。
使用者可根据行业标准、经验值、不同类型的被监测设备进行不同的报警值的设定，系统软件则会根据设定值对数据进行分析，一旦超标立刻报警。
为了避免误操作，系统增加两级权限控制和确认。
5.2.3实时温度显示模块
为了让值班人员实时了解开关柜的温度情况，实时的温度数据显示是一种最直接有效的方法。
在界面中能够实时显示站内每个传感器所测得的实时温度数值，并有温度曲线和报警线的实时显示。
5.2.4历史温度查询模块
工作人员可随时查询站内任意一台变电柜和任意一只传感探头的历史温度数据，该模块与软件数据库连接，可以查询任意一天的温度，并显示当天的最高和最低温度。
5.2.5报警模块
计算机监控主机具有声光报警及复位功能，提示工作人员采取必要措施；以便相关负责人第一时间了解现场情况。
5.2.6日志记录模块
考虑到系统安全需要，在系统启动后，所有有关的操作都会被记录，如：
登录退出系统、查询操作、参数修改等操作都会记录，一旦出现问题，管理员可以查看历史日志，修复错误操作。
5.2.7上传通讯模块
考虑到上级集控中心对站内温度监测的需要，软件具有实时上传功能模块，把实时的数据进行分析和存储，同时把相关数据进行上传到指定的集控中心，方便上级进行集中监控和统一监管。
5.2.8统计报表打印模块
根据用户的实际需要，系统可自动进行年、月、周的历史温度的统计和报表，并可实现在线打印功能。
5.2.9系统安全模块
考虑到系统运行的安全问题，登录系统需要用户名和密码，另外，系统对操作权限也做了分级控制，普通操作员只能进行常规的数据查看和浏览功能，而温度报警的上、下限和用户管理等重要参数的设置必须由系统管理员来完成。
第六章系统特点
6.1非接触式测温
采取红外线感温技术，能够对非绝缘的高压、大电流载体测温，如：
开关柜开关触点、排线、接头等无绝缘的电气设备进行温度监测。
6.2连续的温度测量显示
通过红外感温技术，连续测量开关柜各部位电载体的温度走向趋势，及时提供高压开关柜故障部位温度曲线，为实现设备的状态检修提供技术依据，避免发生重大事故。
6.3完善的抗干扰措施
在硬件上采用金属屏蔽，加强各级滤波消除高频干扰，器件选型、电路板设计和产品结构设计上采用了多项抗干扰措施确保系统运行可靠。
6.4全面的参数设置
温度：
实时显示各测点的实际温度，自动记录并给出温度曲线，包存一年的历史数据。
最高温度：
系统内最高的温度自动排序，可更直接地观察当前系统的运行状况、警历史记录、单台设备温度计录等。
6.5标准的通讯接口
为了与其它系统更好的连接，本系统采用标准通讯接口协议：
RS-485和ETHERNET、规范,支持IPX及TCP/IP协议,由于采取了INTERNET标准,系统可与互连网连接。
第七章主要设备介绍
7.1进口高精度红外测温传感器
7.1.1多路巡检显示仪MI3MCOMM
产品特点：
⏹创新的多传感器设计—多外传感器头/系统，可独立寻址
⏹快速响应时间<20毫秒
⏹坚固的IP65等级传感器头可承受120℃的环境环境，无需冷却
⏹高分辨率LCD显示屏提供直观的用户界面，方便查看
⏹可调节发射率、设置峰值保持、谷值保持功能
⏹自动检测传感头
电气技术指标：
⏹数字接口：
RS485
⏹输入：
触发输入
⏹继电器保警：
48VAC、300mA、光隔离
⏹功率：
4W
⏹电源：
8-32VDC
⏹储存温度：
-10℃至65℃
7.1.2红外测温仪RayMI310LTS
技术指标
⏹温度范围：
-40～600℃；
⏹光谱响应：
8～14微米；
⏹光学分辨率：
10：
1；
⏹系统准确度：
±1%读数或±1；
⏹系统重复性：
±0.5%读数或±0.5℃；
⏹温度系数：
0.05°K/°K
⏹温度分辨率：
0.1℃
⏹发射率：
0.100~1.100数字可调，增量.001
⏹透过率：
0.100~1.100数字可调，增量.001
⏹环境温度范围：
-10℃～120℃
⏹尺寸：
M12x1,长28mm,不锈钢外壳；
⏹密封等级：
IP65
7.2红外测温传感器
7.2.1多路巡检显示仪EW706M
产品特点：
多路巡检显示仪EW706M是采用模块化技术的多路测量显示仪，最多可以接入6路温度信号，本身具备输入数字校正及数字滤波功能，为变电站监测主机提供高精度高稳定性、智能化编程的高性价比模拟量采集数据，并通过ISO9001质量认证，可靠性高且符合EMC电磁兼容标准，能在强干扰环境下工作。
主要功能：
⏹最多支持6路温度模拟量采集输入，可以定义通道编号。
⏹使用高性能的元器件，大大降低温度漂移并使得6个通道之间相互干扰降低。
⏹可独立进行平移修正及选择0.1/1℃指示分辨率。
⏹具备定点/自动巡回测量显示功能，并有2种巡检速度可以选择。
⏹每个回路都具备独立的上、下限报警功能，并且其报警输出位置可以编程指定。
技术规格：
⏹输入规格：
4~20mA
⏹测量精度：
0.2级（±0.2%FS±1个字）
⏹温度漂移：
≤0.01%FS/℃
⏹响应时间：
≤1.5秒
⏹自动巡检时间间隔：
大约为1.2秒或2秒可选
⏹报警功能：
上限报警和下限报警，每回路独立设置
⏹电源：
100~240VAC
⏹电源消耗：
≤6W
7.2.2红外测温仪EWS20
指术指标
⏹温度量程为：
0～500℃；
⏹光谱响应：
8～14微米；
⏹光学分辨率：
15：
1；
⏹系统精度：
±1%或±1.5℃；
⏹重复精度：
±0.5%或±1℃；
⏹尺寸：
M20x1,长50.5mm,不锈钢外壳；
⏹环境等级：
IP65
7.3无线数传模块
简述
IP-Link2220H产品是使用标准IEEE802.15.4方式来传递。
同时透过Mesh、Star、Cluster-tree等弹性网络拓扑，更提升网络的信赖度，充分满足各种不同短距离无线应用的需求。
技术指标
⏹频率：
2.4GHzUnlicensedISMband
⏹调制方式：
QPSK
⏹最大资料速率：
250kbps
⏹接收灵敏度：
-104dBm
⏹传输距离：
1200m（LOS）
⏹RF频道数：
16（5MHz）
⏹发射功率：
-7dBmto18dBm
⏹发射电流：
≤205mA@9V
⏹接收电流：
≤50mA@9V
⏹数据加密：
AES
⏹认证：
FCC,CE
⏹输入输出串口：
RS-232/RS-485
⏹设备功耗：
1
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