高压开关柜温度在线监测
系统
Newly compiled on November 23, 2020
高压开关柜温度在线监测系统
摘要
开关柜是保证电力系统安全运行的重要设备之一，但是经常因为开关柜局部过热，而引起事故，造成损失。
在以往的开关柜过热故障检测中，采用人工巡检，不仅费时、费力，而且不易及时发现事故。
开关柜过热故障在线监测系统不仅克服了开关柜内高温、高压、强磁场环境下温度不易监测的难题，而且通过监控软件实时显示开关柜内测点的当前温度值，并做出报警处理，节省了大量人力、物力，提高了事故预判的准确性、实时性。
本文从硬件和软件两个方面介绍了监测系统的设计过程。
硬件方面设计了两种不同的温度传感系统：中压开关柜过热故障监测采用光纤式温度传感器，同时采用光纤传输数据；低压开关柜采用单总线数字式温度传感器，数据采用无线传输。
监测系统软件主要实现了实时显示测点温度，并对温度数据做出分析、报警、保存等功能。
及时提醒工作人员对报警情况做出处理，避免事故的发生。
关键词：开关柜在线监测温度传感器实时监控软件 MFC ADO
Abstract
As the most important equipment, Metal-clad switchgear guarantee the safe operationof electric power system. Sometimes, the temperature of part of Metal-clad switchgearmaybe over the limit of safe operation, and then arouse accident, bring losing. In past,workers check up the Metal-clad switchgear on schedule, which takes time and hardsledding, can not work efficiency and betimes. On-line real-time monitoring fortemperature overcome the difficulties of high temperature, high voltage and high magneticfield, to be a new method of checking up the Metal-clad switchgear. It can show thetemperature of the spot of being monitored, judge the temperature and give an alarm. Thesystem saves lots of resource and improves the veracity.
The paper presents the detail about the procedure of the design for the system fromboth hardware and software aspects. There are two defferent design of hardware: opticalfiber temperature sensor is used for middle-voltage Metal-clad switchgear, which data istransferred by optical fiber; another one is 1-Wire Digital Thermometer, it is used forlower-voltage Metal-clad switchgear, and the data is transferred by unwired. The softwareof On-line real-time monitoring for temperature can show the temperature real-time,analyse the data, gave an alarm, save the data, and so on. The system can awoke theworkers about the alarm in time, avoiding the accident.
The result of the axperiment indicates the new system works well, it has accomplishedthe design aims of anticipating, providing a good guarantee of the safe operation ofMetal-clad switchgearKey words: Metal-clad switchgear.
Keywords: monitoring softwareon-line monitoring MFC ADO
目录
1 绪论
课题背景和意义
“高低压开关柜过热故障在线监测系统”是为减轻人工巡检的负担，实现开光柜温度实时监测、提前报警而合作开发的实时温度监测系统。
发电厂、变电站的中低压开关柜是保证电力系统安全运行的重要设备之一。
但在运行过程中，经常因为发热引起设备烧毁或突然停电等事故，导致大量的经济损失。
现代电力系统对电能质量的要求越来越高，相应地对开关柜运行的可靠性也提出了更高的要求。
同时，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和自动化程度具有重要意义。
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，或母线与触点在载流过大时经常出现温升过高，使相邻的绝缘部件性能劣化，而这些发热部位的温度无法监测，由此最终导致击穿甚至火灾而造成事故。
电气设备的外部热故障主要指裸露接头由于压接不良等原因，在大电流作用下，接头温度升高，接触电阻增大，恶性循环造成隐患，此类故障占外部热故障的90%以上。
统计近几年来检测到的外部热故障的几千个数据，可以看到线夹和刀闸触头的热故障占整个外部热故障的77%。
电气设备内部热故障的特点是故障点密封在绝缘材料或金属外壳中，如电缆。
内部热故障一般都发热时间长而且较稳定，与故障点周围导体或绝缘材料发生热量传递，使局部温度升高，因此可以通过检测其周围材料的温升来诊断电气设备的内部故障。
根据电力事故分析，电气设备过热故障可引起火灾导致大面积设备烧损，造成被迫停电，短时间内无法恢复生产，造成重大经济损失。
近年来，在发电厂和变电站已经发生多起开关柜过热事故，造成火灾和大面积的停电事故，解决开关柜局部过热问题是杜绝此类事故发生的关键。
因此，必须采取有效措施监控开关柜内母线与触点等的温度。
为了提高供电可靠性，减少停电时间和次数，保证用户长期、稳定、安全的用电，有必要设计能实时监测并记录电力设备关键点的温度变化的监测系统，预测可能引起火灾或设备故障的局部过热情况，为现场设备的安全运行提供可靠保证。
同时
又可以作为电气设备故障的温度记录器，能在设备故障发生之前发出报警及检修建议，让管理人员及时发现故障前兆，提前采取防患措施，变“定期检查”为“按状态检修”减少大量的人力物力。
通过监测开关柜内触点温度的运行情况，可有效防止开关柜的火灾发生，由于开关柜内高压狭小的结构，很难进行人工巡查测温，因此实现温度在线监测是保证变电站开关柜安全运行的重要手段。
开关柜温度监测技术的研究
由于开关柜触头及母线处于高电压、高温度、强磁场以及极强的电磁干扰环境中，要实现对它们的测温，必须解决电子测量装置在上述恶劣环境条件下的适应性，解决温度传感器的电位隔离、抗电磁干扰、小尺寸和便于安装等问题。
目前常用的温度监测方法有下列几种：
1．热敏电阻式测温系统：热敏电阻具有体积小、温度响应快、产品成熟、成本低等优点，可以显示温度值，但由于每个热敏电阻都需要独立的接线、布线复杂且热敏电阻易损坏、维护量大，传感器不具备自检功能，需要经常校验，因此不常采用。
2．红外探头测温系统:红外测温有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。
红外测温仪器主要有3种类型:红外热像仪、红外热电视、红外测温仪（点温仪）。
非接触红外测温仪包括：便携式、在线式和扫描式三大系列，可以在线监测。
但由于系统稳定性不高，体积较大，受安装空间限制，外加受环境影响严重，误报较多，也不常采用。
3．示温蜡片/试温蜡片温：采用“示温蜡片/试温蜡片”存在一些问题，一是在粘贴时普遍采用清漆将“示温蜡片/试温蜡片”粘贴在电气设备需要测试的部位，这样粘贴牢固后，待测点温度达到“示温蜡片/试温蜡片”相同温度时，不能脱落下来，只有温度超过很大程度才会脱落下来，这样很容易给操作人员造成误导，判断不及时。
二是:“示温蜡片/试温蜡片”只能靠熔化现象表示发生了过热，现象不直观也不易发现。
三是:电气设备的负荷是随用户需求量变化的，接点温度也是随之变化的，当被监视的电气设备接点发生了不同程度的过热，使用“示温蜡片/试温蜡片”不能随之不同程度熔化或脱落下来。
4．使用示温记录标签:“示温记录标签”是以胶粘贴固定的，只要在测温范围内发生了过热，就可以继续保留在贴片接点部位。
“示温记录标签”表面涂一层随温度变化而改变颜色的发光材料，通过观察其颜色变化来大致确
定温度范围，这种方法准确度低、可读性差，不能进行定量测量，因此也不能满足现在系统监测的需要。
其它还有：采用双CCD彩色CCD及NICCD)成像技术，基于比色测温原理，研制生产可以实现大范围目标温度全面实时测量的高温测量电视系统。
提高了测温的灵敏度、线性度、检测速度，而且大大地减少了检测过程对目标物体发射率的依赖性，做到了不受检测距离的影响，成功地解决了温度场动态实时检测的技术难题。
但是这种方法成本太高，并不利于大面积推广。
或者采用新兴ZigBee组网技术，研制、生产的ZBT 1. 0型无线测温系统，实现对电力系统的高压和超高压母线、高压开关接点(以2及人员无法接近的其他危险、恶劣环境)的温度进行实时在线检测，经过与电力自动化系统连接，在中心监控室内就可以监视运行状态，真正做到了远距离遥测，当被测点温度超过预先设定的阀值时，就发出报警信号及时提醒有关人员采取措施。
国内ZigBee无线传输系统仍然处于实验阶段，技术并不成熟，而且对于单片机、无线发射模块在高温、高压、高磁场的环境下的稳定运行并不能保证。
根据以上分析，电力系统中需要一种高性能、稳定、低成本、安装方便、不需外供电源的开关柜温度监测设备，并组成相应监测系统。
为实现上述温度在线监测的功能，现有两种不同的温度传感系统满足需求。
一种是分布式光纤温度传感系统。
分布式光纤温度传感系统原理是同时利用光纤作为温度传感敏感元件和传输信号介质，采用先进的OTDR技术，探测出沿着光纤不同位置的温度和应变的变化，实现真正分布式的测量。
温度测量原理是基于Raman散射效应的分布式温度传感系统，光纤光栅温度在线监测系统采用布置在各个触点的光栅传感器将温度信号通过光纤传至网络分析仪。
由于利用了光纤光栅固有的绝缘性和抗电磁场干扰性能，并具有极高的可靠性和安全性，因此从根本上解决了开关柜内母线及触点运行温度及柜内环境温度不易监测的难题。
对于在线监测包括母线连接处的温度及断路器等触头温度的另一种温度传感器，常用的还有单总线数字温度传感器、石英传感器、光微薄硅温度传感器和吸收型光纤温度传感器，它们分别以石英晶体、硅片及玻璃构成的Fabry perot槽和GaAs晶体作为感温元件，并对数据无线传输，这就有效地解决了电磁干扰问题。
系统监测软件的设计需求
变电站中低压开关柜过热故障在线监测系统是基于分布式温度测量、数据采集与传输、显示及报警等部分组成的计算机实时温度监测系统。
此系统采用分布式、可组网、隔离性能良好的高精度温度传感器，对变电站中低压开关柜内的母线、断路器与隔离开关触点、互感器(包括电缆接头)等这些易产生异常温升的部件实现在线温度测量与监控。
利用温度采集单元采集多路温度信号并通过RS232或RS485总线上传到监控主机，主机采用巡检式(查询式)工作方法，逐一巡检每个测量点的温度，并可统计、打印、报警，设定工作温度范围，显示每个开关柜内测量点的温度及历史数据。
系统软件需要实现多种报警方式，当发生报警时，主监控计算机能自动弹出报警窗口，显示出报警时间、报警测点名称和安装部位，同时发出声、光报警并可以打印报警记录，提醒运行人员检查。
所有的报警信息都被记录数据库中，以备查阅。
系统能提供完善的分析功能，包括超温分析、温升趋势分析、相间温差分析，并能做出报警、对比、历史记录统计与分析等处理，保障工作人员在开关柜发生事故之前做出及时处理。
测控软件可以建立开关柜设备数据库，帮助工作人员监测和分析开关柜内母线与触点的过热情况，预测出故障发生的部位，保证开关柜设备的安全运行。
监测结果可通过本地数据库进行存储，监测结果和统计报表可通过屏幕和打印机与网络等多种方式进行输出。
课题主要任务
根据项目的要求，开关柜温度监测系统的设计主要有以下几个方面：
1)温度测量、信号隔离与传输对于中高压开关柜的过热故障监测采用光纤式温度传感器，用光纤进行高压隔离和信号传输。
利用光纤固有的绝缘性和抗电磁场干扰性能，从根本上解决了开关柜内母线与触点温度不易监测的难题。
对于低压开关柜的过热故障监测采用单总线数字式温度传感器，数据传输采用无线传输方式，以实现高、低压侧的电隔离。
2)温度的数据采集
光纤式温度传感器将母线与触点的温度值转换为模拟量，通过数据采集变换器转化为数字信号，通过通讯总线，上传到控制计算机，实现温度
在线监侧。
系统采用完全的总线测量方式，使系统的扩展和与其它网络互连变得很方便。
单总线数字式温度传感器直接测量母线与触点的温度，通过无线传输到数据采集器，然后传送到监控中心。
多只数字式温度传感器可直接连接到一条总线电缆上，在扩展测点时不受布线的限制。
3)软件设计
系统软件有在线监测和实时分析两个主要功能。
软件具有在线采集、监测、分析现场温度的功能，实时分析则包括超温分析、温升趋势分析、相间温差分析等，并能做出报警、对比等处理，保障工作人员在母线或触点发生事故之前做出处理。
软件还具有历史记录分析、查看等功能，实现对相应测点历史运行状态的查看，评估。
本课题在完成以上研究的同时，要实现完整的系统调试。
2 开关柜在线监测系统的总体设计
本设计方案中，变电站中低压开关柜温度监测系统以微型计算机作为监测核心，结合高精度的温度传感器、数据采集变换器及可靠的通讯技术，构成功能强大、操作简便、工作安全可靠的在线温度监测系统。
在系统设计中，充分考虑系统的可操作性、可靠性等，使系统能够应用于实践并加以推广。
监测系统硬件结构
整个监测系统的硬件由温度传感器、信号传输线缆(光纤或者无线通信)、数据采集变换器、RS-485总线、RS-485/RS232转换器以及监测中心构成，系统总体连接示意图如2-1所示:
图2-1系统总体连接示意图
其中，系统设计要求每个开关柜有6个温度监测点，即每个温度采集模块连接6个温度传感器。
系统采用两种不同的温度监测方式，分别利用不同的数据传输方式，并需要设计相对应的温度采集模块。
在高温、高压以及强磁场的环境下，必须保证监测系统的正常工作，测温和信号传输的准确性。
各硬件模块的选择和功能如下：
1)温度传感器：
温度传感器是组成整个监测网络底层的工作单位，保证传感器长期、稳定的工作是系统运行的保证。
基于综合考虑，对于中高压开关柜的过热故障监测采用光纤式温度传感器，并采用光纤传输数据。
对低压开关柜的过热故障监测采用单总线数字式温度传感器DS1820，监测数据采用无线传输。
在监测系统中，传感器通常紧贴需要监测的母线排、开关触点等安装。
要求传感器测温精度不小于100。
2)温度采集模块
每个开关柜设置一个温度采集模块，实现该开关柜内温度监测数据的采集，并将数据传送到监测中心。
对于两种不同的温度传感器，需要设计不同的温度采集模块光纤式数据采集器采用Nsmart光纤式温度监测仪接收光纤信号，完成温度数据的转化。
单总线数字式温度传感器DS1820通过无线传输数据，需要无线接收模块实现数据的接收与转发。
温度采集模块可安装在开关柜面板，并需要外部提供24V直流电源供电。
3) RS-485总线
在温度采集模块和监测中心之间采用 RS-485电缆进行通讯连接，以保证信号可靠的传输，RS-485通信在1200m内可以保证可靠的通信质量，因此监测计算机与最远的开关柜间距离应小于1200m。
监测计算机一般采用工控机，而工控机只带有RS-232接口，故RS-485总线末端需要用RS-
485/RS-232转换器进行信号转化，方便系统软件的数据采集。
4)监测中心
监测中心是由工业控制计算机构成(含不间断电源UPS)，保证对系统进行实时监测。
监控中心通过系统软件对接收到的温度信号进行适当的处理，完成显示、报警等功能。
监测系统软件功能设计
软件开发使用Microsoft Visual C++ 6. 0的基础类库MFC, MFC作为大型的工程编程语言，已经大量的应用于实践当中。
它提供了大量预先编写好的类及支持代码，大大减少了工程开发的时间，提高了工作效率。
系统软件由在线监测和实时分析两个主要部分组成。
软件具有在线采集、监测、分析现场温度的功能，这些分析包括超温分析、温升趋势分析和相间温差分析，并能做出报警、预报警(包括温升预报警，三相相间温差
预报警等)、报警日志记录等处理。
可以在数据库中保留历史数据，作查看与分析使用。
系统功能模块可大致分为开关柜自检模块、温度管理模块、数据显示与分析统计模块、温度报警模块、日志记录和系统安全模块等组成。
各模块功能如下:
1)自检模块
为了使监测系统能够可靠的工作，系统在第一次上电时对温度采集模块、传感器等硬件设备进行自检。
同时在系统工作中，也可以通过比较采集到的数据，提示可能发生的故障：如采集器通信故障、光纤故障(含温度传感器故障)等。
自检模块通过在系统运行过程中的自检，方便设备的检查、维修工作，同时保证设备正常有效的工作。
2)温度管理模块
温度管理模块主要实现对温度报警限值的设置。
系统需要根据报警限值来对数据进行分析和报警。
根据开关柜温度监测的实际需求，温度报警限值主要有三种:温度上限报警值，温升趋势报警值和相间温差报警值。
温度报警限值的设置需要用户根据现场的实际情况，并且温度报警限值的设置和修改需要具有管理员操作权限。
3)数据显示与分析统计模块
该模块可对采集到的数据进行实时显示与分析，各测点温度的实时显示可以用数码管显示框或温度实时变化曲线来反映，同时也可以实时显示温升曲线;相间温差也可用数码管显示框或温差实时变化曲线图来反映。
此外该模块可通过读取保存在数据库中的历史数据，对所有测点温度的数据和变化情况进行分析和统计。
如可查看测点温度的日平均值、最高值、最低值及对应的检测时间;可查看各测温点的温度历史曲线，温升历史曲线，相间温差历史曲线。
4)温度报警模块
系统通过对实时数据与报警限值的比较来做出报警判断。
系统报警时，对应数据显示与报警状态指示灯都会变成橙色，同时激活声音报警系统，提示操作人员检修。
操作人员可以通过点击实时温度监测按钮来查看报警传感器，并可以通过点击报警传感器弹出报警对话框，查看报警测点的准确位置、测点名称以及这次报警的详细时间。
报警对话框还可以显示最近一个小时内的温度变化曲线图。
由于系统能指示出故障发生的准确部位，因此能有效指导检修工作。
报警信息可被长期记录。
5)日志记录模块
考虑到安全操作的需要，在系统开机后，所有与监测系统有关的操作都将被记录，如什么时候开始登录监测系统，何时执行了何种操作等。
如果出现问题，操作人员就可以查看历史日志，完成修复工作。
6)系统安全模块
考虑到系统运行的安全问题，系统对操作做了分级控制，普通操作员一般只能进行常规操作(如读取数据并查看)，而对报警的上下限、一些重要的参数等设置只能由系统管理员完成。
上述对系统软、硬件的大体设计。
它的功能设计基本上满足开关柜系统监测的需要，避免了开关柜内恶劣环境对温度监测和数据传输的影响。
系统监测软件能够很好的完成报警，分析，设置等功能，使工作人员不必再对开关柜执行巡检，大大减少了工作量，提高温度监测的自动化程度。
3 监测系统的硬件设计
3. 1光纤式温度监测系统设计
光信号，将其解码为标准的摄氏温度数值。
图3-1显示了光纤测温仪的结构组成：在开关柜温度实时监测系统中，传感器是底层的硬件设备。
开关柜内部是高电压、高温度、以及强磁场的环境，在这种环境下实现对开关触头以及母线等的温度测量，必须解决电子测量装置在上述环境条件下的工作可靠性，解决温度传感器的电位隔离、抗电磁干扰、小尺寸和便于安装等问题。
光纤式温度在线监测仪采用光纤进行高压隔离和信号传输，利用光纤固有的绝缘性和抗电磁场千扰性能, 从根本上解决了高压开关柜内触点温度不易监测的难题。
Nsmart光纤式温度监测仪是北京安伏电子技术有限公司开发的，用于监测高温, 高压设备的光纤温度监测系统。
采用先进的光纤和光电子技术，在温度测点和测温仪表之间使用光导纤维进行高压隔离和信号传输，因此具有极强的抗干扰性能。
温度监测仪接受来自光纤传感器的
图3-1 Nsmart光纤测温仪的结构组成
Nsmart光纤式温度监测仪单个单元装置包括温度传感器、传输光纤、监测仪主机三个部分。
测量电路转换测温点采集的温度量为相应的电信号，经逻辑控制电路产生数字信号并传给光调制器调制后由光纤传给监测仪主机，由LCD屏显示各测点温度。
监测仪主机可以将温度数据通过RS-
485通讯总线传到监控中心作进一步处理，实现开关柜温度的集中监测、处理。
光纤式温度传感器
1)光纤光栅温度传感器原理
光纤光栅就是一段光纤。
光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。
所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性。
而在纤芯内形成的空间相位光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。
利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。
这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤祸合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。
光纤光栅的种类很多，主要分两大类：
一是Bragg光栅(也称为反射或短周期光栅);二是透射光栅(也称为长周期光栅)。
光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构，从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅，色散补偿型光栅是非周期光栅。
光纤沿径向从里向外分为纤芯、包层、涂覆层三部分，用特殊的紫外光照射工艺，光纤纤芯折射率受到永久的周期性微扰而形成一种光纤无源器件。
它能将入射光中某一特定波长的光部分或全部反射。
满足布拉格条件的波长被光纤光栅反射，相关公式如下：
λ=n∆
b
2
λ是被反射的波长是光纤光栅的有效折射率为光栅周期通过拉伸其中b
和压缩光纤光栅，或者改变温度，可以改变光纤光栅的周期和有效折射率，从而达到改变光纤光栅的反射波长的目的。
反射波长和应变、温度、压力物理量。
温度变化量根据这些特性，可将光纤光栅制作成应变、温度、压力、加速度等多种传感器。
光纤光栅传感系统主要由光纤光栅解调系统、信号传输系统和传感器三个主要部分组成。
对光芯进行照射，使得光纤纤芯的一段区域折射率发生周期性变化，从而制成光纤光栅。
光纤光栅传感器获取物理变化量。
以光波长为载体，通过光纤传输系统传至解调系统，由解调系绕对光信号进行处理分析，获取物理变化量数据。
2 )Optic-3000光纤式温度传感器。
