关于物联网技术的水电厂电气开关柜测温系统设计应用
摘要：针对洪江水电厂电气开关柜温度无法在线监测的问题,本文提出了一种基于物联网技术的水电厂开关柜温度测量系统。该系统部署简单高效，能快速采集设备温度数据，通过4G或者WiFi无线信号将数据送入物联网云平台，实现开关柜温度远程实时监测，为开关柜状态诊断提供决策依据。此外，该系统解决了人工巡检成本高、数据及时率低、作业风险高等难题，消除设备潜在的隐患，保障了水电厂设备的安全稳定运行，在水电场景中具有特定地应用价值，并为智能电厂运行维护提供可靠的解决方案。
关键词：物联网技术;云平台；无线信号198.2138.0729
0引言
洪江水力发电厂为灯泡贯流式机组,位于湖南省怀化市洪江区上游，在沅水干流的中上游河段, 是沅水干流开发规划中的重要梯级工程。电厂共装机6台单机45 MW的水轮发电机组，总装机容量270 MW,年设计发电量为10.17亿kW・h,是一座具有发电、航运、灌溉、供水等综合利用效益的水电厂。
本文基于洪江水电厂开关柜设备的实际测温需求，探索独立于传统温度采集系统之外的测温方案，提出一种基于物联网技术的水电厂电气开关柜温度测量系统。该系统在电厂开关柜中实施并成功应用,包括厂用配电系统开关柜和抽屉柜、高压断路器等设备，取得良好的实践，实现了温度在移动APP与WEB应用端在线监测，减少了重要电气设备运行风险，提高了安全运行指数。
1概述
电力行业经常发生因电力电缆和设备过热而引起的火灾事件，导致大面积的电缆烧损和设备损坏而被迫停机,短时间内无法恢复生产,从而造成重大经济损失。据国家电力安全事故通报统计,每年发生在电站的电力事故中40%是由电气设备过热所致铁各电厂高低压设备连接部位如母线连接点、开关、断路器动触头等由于气候冷热变化、材料老化、锈蚀、松动等原因易造成接触不良、接触电阻增大，长期运行造成的断路器触头过热、绝缘烧穿、设备起火。为了消除安全隐患,提高设备使用性能，因此开展基于物联网的电气开关柜远程监测与应用设计，解决电厂巡检人员作业风险大、数据共享难等问题，实现温度远程在线监测功能，进一步提高设备运行的可靠性和安全性。
2系统技术架构
系统技术架构由温度传感器及温度汇聚主机、智能网关RTU、物联网云平台、移动APP端和WEB应用端五大模块组成,利用物联网技术实现数据采集、汇聚、上传、存储、应用五大功能。其中智能网关RTU和物联网云平台为本系统的两大核心模块，该智能网关具有多种采集接口、兼顾常用的工业通信协议,具有较高的数据采集及运算能力铁系统技术架构图如图1所示。
图1系统技术架构图
2.1温度传感器
根据电气柜设备的结构和测量方式，本系统的温度传感器由接触式传感器和非接触式传感器组成。其中厂用配电系统抽屉柜采用非接触式红外温度传感器,将测温铜箔贴片粘贴在抽屉柜的三相触头上，安装红外传感器IR52读取铜箔温度，因为铜箔导热性好、耐热性强。因此温度读取速度快、准确率高。数据汇聚后统一发送到MT562测温主机中，对外以RS485接口进行数据传输，红外传感器的安装示意如图2所示
图2 红外温度传感器安装示意图
针对厂用配电系统开关柜进出线铜排和母排电缆接线端的温度监测，由于开关柜断路器铜排宽度达5cm,运行电流大,因此选用接触式无线无源温度传感器WT01,该传感器体积小、安装方便、组网灵活可靠,并且通过开关柜铜排的运行电流自感应取电。因此解决了传统温度传感器需更换电池的痛点，降低了作业风险和运维成本。WT01温度传感器通过无线射频（Zigbee协议）将数据发送至温度汇聚主机，汇聚主机使用MT565进行数据采集，并提供RS485接口进行数据通信,无线传感器的安装示意如图3所示。
图3 无线测温传感器安装示意图
2.2智能网关RTU
本系统采用自研的电力智能网关RTU,该网关装置具有多种数据接入方式，兼容modbusRTU、modbusTCP等主流通信协议,并支持有线接入和无线接入方式，能实现局部区域内大量传感器或智能终端数据采集。网关内置4G与WIFI无线信号信模块,能实现现场端设备与远方物联网云平台的数据通信和信息互联。将网关RTU与温度主机连接,采用标准的modbusRTU通信协议，能快速便捷地对电气开关柜的温度进行采集。以无线网络为传输载
体，根据温度标准物模型将数据进行封装,包括属性、事件、服务，采用MQTT通讯协议将数据发送至物联网云平台，云平台接受数据后自动解析,实现数据一体化采集、存储、传输及解析。
2.3物联网云平台
物联网云平台是物联网生态系统中重要部分，通过多种的网络连接手段将设备状态信息与互联网连通，实现对设备智能化感知、识别和管理，是各类设备连接到场景应用的关键“桥梁”。本系统物联网云平台负责接收网关RTU上报的温度数据、并向网关RTU下发指令，实现数据进行读取、计算和显示。除此之外,云平台对网关设备进行统一认证和管理，提供可视化的安全管理。接入云平台的温度数据统一进行编码和治理,为移动APP端和WEB应用端提供数据服务。
2.4移动APP端和WEB应用端
移动APP端和WEB应用端是基于物联网云平台进行开发,通过调用云平台存储的温度数据,将数据呈现给用户，实现数据的可视化应用。应用端主要包括温度综合展示、趋势预警、越限告警、报表导出等功能模块，实现对电气开关柜状态的综合显示及智能预警,保障设备安全运行。
3系统总体架构
本系统总体架构按照纵向分层的原则开展整体建设，包括感知层、支撑层和应用层三个层次。感知层以洪江电厂现场电气柜温度监测为数据来源，包括各配电系统的开关柜铜排和抽屉柜触头温度。系统以物联网技术为传输手段,连接感知层和支撑层。支撑层主要由物联网平台组成，负责系统开发所需的关键资源与技术。物联网平台提供设备接入、设备管理、数据解析等服务，并提供数据存储和数据治理等功能，同时为其他系统数据调用提供支撑。应用层实现对洪江电厂电气柜温度监测可视化展示与应用，涵盖了 WEB应用与移动APP两个部分。系统总体架构图如图4所示。
图4 系统总体架构图
4系统功能架构
本系统功能架构根据电厂电气柜实际业务需求进行设计，系统功能包括区域温度综合展示、趋势预警、越限告警、报表导出四大模块。
温度综合展示模块实现对监测设备及监测情况的统一概览，包括开关柜位置、网关在线状态、温度数值、实时统计等功能,以图表的方式对监测区域、监测点位、监测时长、监测类型等信息进行综合展示；以区域为划分,实时显示该区域内温度,实时统计可对当前设备在线数量、预警、告警等情况进行展示。
趋势预警模块对周期内温度发展趋势进行分析预警,包括状态曲线、状态分析、趋势预警等功能,状态曲线可根据不同周期对温度信息进行可视化展示,状态分析可结合实时/历史数据进行均值、极值、方差等计算分析，趋势预警可根据监测值的异常变动进行实时预警。
越限告警模块对温度越限进行多路径告警，包括越限弹窗、消息推送、短信提醒等功能，越限弹窗指当温度超过预设范围时，系统通过强制弹窗以醒目的方式在前端进行警报。
报表导出模块用于实现电厂运行人员制定日常报表,包括报表生成、定时任务、数据分析等功能。报表生成通过自主组合设备点位和监测属性进行报表自动导出;定时任务可通过设置时间实现报表导出功能，数据分析可根据周期内监测情况对区域状态进行评估。系统功能架构图如图5所示。
图5 系统功能架构图
5系统应用
利用电气开关柜检修间隙安装测温传感器和智能网关RTU,在厂用配电系统开关柜实行挂网试点。每个开关柜A、B、C三相电缆触头分布安装3个红外测温传感器和1个温度汇聚主机，每段母线安装2个智能网关RTU采集终端，传感器与温度汇聚主机采用Zigbee协议自组网通信,温度汇聚主机与网关RTU采集终端之间采用RS485总线连接, 数据经网关RTU采集终端传输到物联网云平台，基于云平台开展APP应用功能开发，整体系统架构如图1所示。经过一个月的系统试运行，测温数据传输稳定，告警及时有效,并在APP上准确显示,实现对开关柜测温数据远程监测，减少设备运维工作量。图6为2D7-Q5开关柜三相触头1个月内温度曲线图，图7为APP端开关柜实时数据显示页面。
图6 2D7-Q5开关柜温度监测曲线图
图7 APP端开关柜实时数据显示页面
6安科瑞温度在线监测系统解决方案
6.1概述
电气接点在线测温装置适用于高低压开关柜内电缆接头、断路器触头、刀闸开关、高压电缆中间头、干式变压器、低压大电流等设备的温度监测，防止在运行过程中因氧化、松动、灰尘等因素造成接点接触电阻过大而发热成为安全隐患，提高设备安全保障，及时、持续、准确反映设备运行状态，降低设备事故率。
Acrel-2000T无线测温监控系统通过RS485总线或以太网与间隔层的设备直接进行通讯，系统设计遵循国际标准Modbus-RTU、Modbus-TCP等传输规约，安全性、可靠性和开放性都得到了较大地提高。该系统具有遥信、遥测、遥控、遥调、遥设、事件报警、曲线、棒图、报表和用户管理功能，可以监控无线测温系统的设备运行状况，实现快速报警响应，预防严重故障发生。
6.2应用场所
适合在泛在电力物联网、钢厂、化工、水泥、数据中心、医院、机场、电厂、煤矿等厂矿企业、变配电所等电力设备的温度监测。
6.3系统结构
温度在线监测系统结构图
6.4系统功能
测温系统主机Acrel-2000T安装于值班监控室，可以远程监视系统内所有开关设备运行温度状态。系统具有以下主要功能：
- 温度显示：显示配电系统内每个测温点的实时值，也可实现电脑WEB/手机APP远程查看数据。
- 温度曲线：查看每个测温点的温度趋势曲线。
- 运行报表：查询及打印各测温点时间的温度数据。
- 实时告警：系统能够对各测温点异常温度发出告警。系统具有实时语音报警功能，能够对所有事件发出语音告警，告警方式有弹窗、语音告警等，还可以短信/APP推送告警消息，及时提醒值班人员。
- 历史事件查询：能够温度越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析等。
6.5系统硬件配置
温度在线监测系统主要由设备层的温度传感器和温度采集/显示单元，通讯层的边缘计算网关以及站控层的测温系统主机组成，实现变配电系统关键电气部位的温度在线监测。
| 名称 |
外形 |
型号 |
参数说明 |
| 系统组态软件 |
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Acrel-2000/T |
硬件：内存4G，硬盘500G，以太网口。 显示器：21寸，分辨率1280*1024。 操作系统：Windows764位简体中文旗舰版。 数据库系统：MicrosoftSQLServer2008R2。 通讯协议：IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、ModbusRTU、ModbusTCP等国际标准通信规约 |
| 智能通信 管理机 |
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Anet-2E4SM |
通用网关，2路网口，4路RS485，可选配1路LORA，带电告警功能，支持485，4G从模块扩展。 |
| 无线测温集中采集设备 |
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Acrel-2000T/A |
壁挂式安装 标配一路485接口、一路以太网口 自带蜂鸣器告警 柜体尺寸480*420*200（单位mm） |
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Acrel-2000T/B |
硬件：内存4G，硬盘128G，以太网口 显示器：12寸，分辨率800*600 操作系统：Windows7 数据库系统：MicrosoftSQLServer2008R2 可选Web平台/APP服务器 柜体尺寸为480*420*200（单位mm) |
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| 显示终端 |
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ATP007 ATP010 |
DC24V供电；一路上行RS485接口；一路下行RS485接口；可接收20个ATC200/1个ATC400/1个ATC450-C。 |
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ARTM-Pn |
面框96*96*17mm，深度65mm；开孔92*92mm； AC85-265V或DC100-300V供电； 一路上行RS485接口，Modbus协议； 可接收60个ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。 |
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ASD320 ASD300 |
面框237.5*177.5*15.3mm，深度67mm；开孔220*165mm； AC85-265V或DC100-300V供电； 一路上行RS485接口，Modbus协议； 可接收12个ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。 |
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| 智能温度 巡检仪 |
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ARTM-8 |
开孔88*88mm嵌入式按照； AC85-265V或DC100-300V供电； 一路上行RS485接口，Modbus协议； 可接入8路PT100传感器，适用于低压开关柜电气接点、变压器绕组、点击绕组等场合的测温； |
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ARTM-24 |
35MM导轨安装； AC85-265V或DC100-300V供电； 一路上行RS485接口，Modbus协议； 24路NTC或PT100、1路温湿度测温、2路继电器告警输出，用于低压电气接点、变压器绕组、点击绕组等场所测温； |
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| 无线收发器 |
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ATC450-C |
可接收60个ATE100/ATE100M/ATE200/ATC400/ATE100P/ATE200P传感器数据。 |
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ATC600 |
ATC600有两种规格；ATC600-C可接收240个ATE100/ATE100M/ATE200/ATC400/ATE100P/ATE200P传感器数据。ATC600-Z做中继透传。 |
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| 电池型无线测温传感器 |
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ATE100M |
电池供电，寿命≥5年；-50℃~+125℃； 精度±1℃；470MHz，空旷距离150米； 32.4*32.4*16mm(长*宽*高)。 |
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ATE200 |
电池供电，寿命≥5年；-50℃~+125℃； 精度±1℃；470MHz，空旷距离150米； 35*35*17mm，L=330mm(长*宽*高，三色表带)。 |
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ATE200P |
电池供电，寿命≥5年；-50℃~+125℃； 精度±1℃；470MHz，空旷距离150米,防护等级IP68；35*35*17mm，L=330mm(长*宽*高，三色表带)。 |
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| CT取电型无线测温传感器 |
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ATE400 |
CT感应取电，启动电流≥5a； -50℃~125℃；精度±1℃470MHz，空旷距离150米； 合金片固定、取电；三色外壳；25.82*20.42*12.8mm(长*宽*高)。 |
| 有线温度 传感器 |
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PT100 |
用于低压接点测温时，具体封装、精度、线制、线材、线长与供应商联系； 用于变压器、电机绕组测温时，建议变压器或电机内部预埋好Pt100 |
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NTC |
用于低压接点测温时，具体封装、精度、线制、线材、线长与供应商联系； |
7安科瑞AMB300系列母线槽红外测温解决方案
安科瑞AMB300系列母线槽红外测温解决方案，这是一款非接触式红外测温装置，能够解决母线槽温升过高的问题，实时把连接器中每相温度数据上传后台，提示管理人员应对报警点予以重视或采取必要的预防措施。
此母线槽红外测温解决方案由人机HMI触摸屏，红外测温模块，红外采集器，电源模块组成。该系统通过RS485线与本地触摸屏和后台监控进行通信（如下图），系统设计遵循际标准Modbus-RTU传输规约，安全性、可靠性和开放性都得到了很大地提高。RS-485作为一种串行通信的接口具有传输距离长、速度较高、电平兼容性好、使用灵活方便、成本低廉和可靠度高等特点，与无线通信方式相比，具有价格低、抗共模干扰能力强等优点。
AMB300红外测温组网示意图
AMB300红外测温系统拓扑图
AMB300红外测温原理示意图
AMB300-D4 AMB300-D1 AMB300-Z
AMB300红外测温管理软件界面
安科瑞系统平台界面
8结论
本文针对洪江水电厂电气开关柜温度在线监测需求问题，设计了一种基于物联网的水电厂开关柜温度监测系统，实现了对电厂配电系统电气开关柜的温度快速采集，并在APP应用端实时监测。该系统采用物联网技术开展数据采集、传输和计算，大大地减少了现场施工量及人工成本，快速实现了开关柜测温系统建设和应用,为开关柜智能诊断提供决策基础。因此该系统在技术和功能上设计完整、适用性强，提升了水电厂设备安全管理水平，具有较高的推广价值。