安科瑞 鮑靜君

　　摘要：變壓器的油溫和繞組溫度是反映變壓器運行狀態的重要指標，基于無線傳感網絡設計實現了變壓器溫度監測系統，能夠實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行溫度數據的采集，采用Zigbee無線通信模塊CC2430實現傳感器數據的無線傳輸，基于Labview設計實現了監控中心監控界面。該系統對于變壓器溫度的實時監測有重要的應用價值。

　　關鍵詞：變壓器；溫度；無線傳感網絡

　　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，長期工作在高電壓、大電流、強磁場的環境中，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，還會增加電力系統的損耗，如果散熱不良還會危及設備的正常運行，甚至會造成故障。為了保證變壓器安全運行，迫切需要能及時、準確地判斷變壓器的運行狀況，實時監測變壓器的溫度變化，以及時采取適當措施，保證變壓器安全、穩定、經濟運行。變壓器油溫度是變壓器安全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］，變壓器油起著散熱和絕緣的作用。當油溫超過一定溫度時，變壓器油的氧化就會加速，并吸收更多水分。帶有水分和雜質的變壓器油，會縮短變壓器的壽命，成為變壓器可靠運行的隱患，嚴重時會導致電力事故的發生，因此運行時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安全運行，需要實時監測油溫和繞組溫度。關于變壓器溫度的在線監測，目前已經提出了多種方法，如上海電力學院開發的電力變壓器在線監測系統，使用氣體傳感器、電流傳感器和紅外線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，基于DSP的變壓器溫度監控系統，干式變壓器無線溫度監測系統等。這些系統都能實現對變壓器溫度的在線監測，但都存在著同樣的問題:使用有線連接方式，由于受供電電源、安裝場所、運行和維修環境等條件的限制，系統布設復雜;監測變壓器狀態的傳感器位置固定，很難更改，而且監測點少，不便于擴展，不能保證數據的實時性和完整性，限制了對設備運行狀態的正確評估、判斷和決策。為了克服這些問題，本文提出使用無線傳感網絡來監測變壓器運行中的溫度變化，以保證變壓器的安全運行。

　　無線傳感器網絡(WSNs)是由許許多多功能相同或不同的無線傳感終端(或稱為節點)組成，是以嵌入式技術為核心的數據采集與通信系統。每一個無線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(無線收發器)和供電模塊等組成，能夠實現對于多路溫度傳感器數據的實時采集，能夠很方便地實現變壓器的繞組溫度和油溫的檢測。

　　1、系統的總體結構

　　變壓器運行時會產生鐵心損耗、繞組銅損耗及其他的附加損耗，這些損耗轉變成熱量會使變壓器的有關部分溫度升高。為了了解監測變壓器的溫度，識別高溫點的位置，采用單個傳感器是不夠的，在變壓器的多個位置布設多個傳感器，更有利于掌握變壓器的溫度狀態，及早發現變壓器的溫度異常并識別高溫點位置，才能進行相應的處理。由于需要使用多傳感器監測多個監測點的溫度，為了便于靈活布設本系統采用的無線傳感器不需事先安裝在變壓器的某個固定位置上而是可以在現場安裝布設時再確定監測位置，然后在監控端設置溫度監視點為對應位置，實現對該點溫度的監視。圖1是變壓器溫度無線傳感監測系統的總體結構。

圖1 變壓器溫度無線傳感監測系統總體結構

　　由于變壓器運行時的主要損耗來源于鐵心和繞組，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，對每一部分來說，溫度是自下部到上部逐漸升高的。為了能實現實時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，及時進行溫度預測。本系統主要包括無線傳感溫度采集節點和監控中心主節點兩個主要部分，每臺變壓器都可布設4或6個無線傳感溫度采集節點，對稱安裝在變壓器的各面，以實現對變壓器溫度的監測和分析。監控中心主節點由無線傳感中心節點和監測分析計算機構成，可實時監視多個變壓器的溫度狀態，并根據溫度歷史數據預測溫度的變化，同時對同一變壓器的多個溫度傳感器的實時數據進行分析，識別高溫點的位置，及時發現故障征兆，實現智能溫度監測。

　　2、無線傳感器數據采集節點

　　無線傳感器數據采集節點由基于Zigbee技術的無線傳感節點及無線數據采集終端組成，為了便于傳感器的布設和更換，傳感器數據采集節點使用變壓器表面安裝方式。每個無線傳感器節點都是一個集成了Zigbee通信模塊的無線傳感器，每個無線傳感節點將其采集的數據通過Zigbee通信傳輸給變電站監控中心，在監控中心的計算機上進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行溫度的檢測，各Zigbee無線傳感節點硬件的基本結構是*一樣的。Zigbee無線傳感節點的基本結構如圖2所示，通過傳感器檢測溫度狀態數據;并將采集的數據送到信號調理模塊，進行信號的放大、濾波處理;由多路復用實現對同一變壓器的多點溫度檢測，再經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無線傳感溫度采集節點硬件結構圖

　　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/℃)，可以減小導線電阻對溫度的影響。由于鉑電阻的熱電阻與溫度的關系存在非線性，在高溫區表現更明顯，因此需要對鉑電阻的非線性進行校正。無線傳感節點中的調理電路可以實現電阻與溫度關系的校正補償，獲得線性的溫度—電阻關系，并將鉑電阻傳感器的阻值變化轉化為0～5V的電壓，通過A/D轉換之后，送入Zigbee通信模塊進行處理。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監測網絡。當用于遠距離監測時，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高性能和低功耗的8051微控制器，通過該芯片可以控制溫度數據的采集和射頻發射，集成符合IEEE802．15．4標準的2.4GHz的ＲF無線電收發模塊，在待機模式時僅0.6μA的流耗。CC2430的結構如圖3所示。

圖3 功能結構圖

　　3、監控中心設計

　　監控中心是變壓器溫度無線傳感監測系統的核心，它能實現對來自各變壓器的溫度傳感數據的實時顯示、存儲、查詢與融合分析。整個系統的功能框圖如圖4所示，它由Zigbee中心節點、數據處理、實時數據顯示、數據庫服務器、數據查詢與分析終端等部分組成。

　　實時監控終端是變壓器溫度無線傳感監測系統重要的組成部分，Zigbee無線模塊接收到來自于各變壓器的實時溫度數據后，經過數據處理單元將數據幀拆分，得到對應于各傳感器的實時數據，由實時監控終端顯示系統顯示出來，并可對各無線傳感溫度采集節點的工作狀態、參數進行遠程控制與查詢。實時監控終端需要同時監控顯示來自多個變壓器的參數，當監控變壓器較多時，可以使用多個終端同時顯示變壓器的溫度狀態參數。實時監控終端顯示軟件采用了labview進行開發。圖5為可同時監控單個變壓器的油溫、變壓器上部和下部三個點的溫度時的監控界面。

圖4 監控中心結構圖

圖5 變壓器溫度監控界面

　　為了在變壓器溫度發生異常時及時發現并進行處理，在監控終端中設計實現了實時分析預警功能。在接收、顯示變壓器溫度數據的同時，可自動對這些數據進行分析，在出現溫度偏離正常值時，及時通知監控中心人員注意。監護中心的智能診斷軟件主要基于信息融合的方法進行溫度異常識別，通過對變壓器不同位置的傳感器的數據進行實時分析，判別變壓器溫度變化趨勢，根據需要及時發出警報信息以便監控人員關注發生異常變化的變壓器。

　　數據庫服務器是整個系統數據交換的中心，為了確保變壓器溫度數據的完整性，也為了方便數據的進一步分析，監護中心會將接收到的所有變壓器的溫度參數存儲起來，并可以進行數據回放和分析，以進一步進行變壓器溫度異常故障的診斷和分析。

　　4、安科瑞無線測溫產品介紹

　　a.電池供電型無線溫度傳感器

　　安裝于發熱部位，采集溫度量并通過無線方式傳輸的傳感器。

　　目前無線溫度傳感器有三款：

b.CT感應取電無線溫度傳感器

　　安裝于斷路器觸頭、母排、電纜搭接點等大電流處，采集溫度量并通過無線方式傳輸的傳感器。

　　目前無線溫度傳感器有兩款：

安科瑞無線測溫就地顯示配置：

　　ASD300/320智能操控裝置可連接12路無線溫度傳感器，ARTM-Pn無線測溫裝置可以連接18路無線溫度傳感器，無源（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）和ATE200（表帶式，主要用于斷路器觸頭等接點捆綁安裝，因安裝較ATE100更方便，電纜/銅排等搭接點也常選用）。

圖6 無線測溫帶操顯功能（就地顯示）

　　Acrel-2000T/B無線測溫壁掛式監控設備，內存4G,硬盤128G,以太網口，顯示器12寸，分辨率800*600，可選Web平臺/App服務器，柜體尺寸480*420*200（單位mm），配置IPAD,安裝ACREL-2000/T軟件。就地實時顯示溫度分布以及報警等詳細參數。

圖7 無線測溫采集設備配置方案

　　5、結論

　　由于技術產品成熟度和成本等原因，變壓器上普遍沒有安裝熱點監測系統，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手段。基于Zigbee技術的變壓器溫度無線傳感監測系統利用設置在變壓器表面的多個傳感器，能實時監測變壓器的溫度狀態，在溫度異常時進行報警。相比于傳統的有線監測方法，本系統不需布線，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中心溫度，推算結果更加可信，從而能夠保證變壓器的正常運行。該系統經過試用，能夠正常監測變壓器的溫度狀態，可用于變電站的變壓器油溫和繞組表面溫度監控，有很重要的實用價值。