CN103453999A - 基于自取能无线温度传感器的变电站设备温度监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于自取能无线温度传感器的变电站设备温度监测系统，包括自取能无线温度传感器、温度汇集终端、温度监测中心和调度中心；自取能无线温度传感器将监测到的变电站内设备的温度传给温度汇集终端；温度汇集终端将数据进行处理后依次传给温度监测中心和调度中心；本发明通过自取能无线温度传感器实现自己供电模式，并实时监测变电站电缆接头、闸刀触点、高压开关柜触头或铜排连接点等设备温度，能够实现自动预警，避免出现变电站设备发热点温升过高，甚至导致烧毁造成事故的现象，从而可以节约大量人力，降低事故发生率，对于实现变电站的无人值守，构建智能变电站具有重要意义。

Description

基于自取能无线温度传感器的变电站设备温度监测系统

技术领域

本发明属于电力系统设备的在线监测技术领域，具体涉及基于自取能无线温度传感器的变电站设备温度监测系统。

背景技术

变电站设备如高压开关柜、母线接头、室外刀闸开关在长期运行过程中，由于开关的触电和母线连接等部位的老化或接触电阻过大而发热而发生故障会带来严重的后果，其直接的危害是被变电站设备所保护的线路、设备受损，损失电量，间接的危害是造成用户大面积停电，影响正常的生活、生产甚至社会稳定。因此，非常有必要对变电站设备的这些发热部位的温度进行在线状态监测，及时发现安全隐患，避免事故的发生，进而提高电力系统运行的安全可靠性及自动化程度。

目前电力系统对于变电站高压开关设备的常规测温方法是依靠人力及红外测温仪进行定时巡检，这种方法不仅耗费大量人力，也不能对温度测量点部位的温度变化进行实时监测。而且现有提出的一些在线测量方案中由于温度传感器安装在被测点如高压开关柜中的导电臂上，测温装置体积大、测温装置的供电问题是都制约着现有技术的发展，限制着现有在线测温系统的应用场合。

现有的在线温度测量方案包括：1）采用光纤测温技术；2）采用太阳能电池供电；

3）采用电流感应供电。在第一种方案中，光纤作为传光元件把晶体温度传感器对光特性的变化量进行传输，由于光纤具有电气绝缘的性能，因此可以把传感信号直接引入低压侧的测量电路，从而比较容易解决供电问题。然而该方案在技术上仍不成熟，成本较高，而且电力系统目前还不允许将光线直接从高压侧接地。在第二种方案中，太阳能电池板用来为测温系统供电，测温装置内配置蓄电池，用于在光照条件下对能量进行存储，在无光照条件下为测温装置持续工作提供电源。这种方案的主要问题一是容易受到环境的影响，例如太阳能电池板的发电能力决定于光照条件，夜晚或阴雨天气以及灰尘覆盖下发电能力受到极大限制；问题二是蓄电池的工作寿命有限。在第三种方案中，测温系统的供电是通过线圈来感应线路中的负荷电流来实现的。这种方案的致命问题是负荷电流总是处于不断地波动之中，供电的稳定性面临极大的挑战。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出基于自取能无线温度传感器的变电站设备温度监测系统，在自供电形势下实时监测变电站电缆接头、闸刀触点、高压开关柜触头或铜排连接点等设备温度，能够实现自动预警，避免出现变电站设备发热点温升过高，甚至导致烧毁造成事故的现象，从而可以节约大量人力，降低事故发生率，对于实现变电站的无人值守，构建智能变电站具有重要意义。

本发明提供的基于自取能无线温度传感器的变电站设备温度监测系统，其改进之处在于，包括自取能无线温度传感器、温度汇集终端、温度监测中心和调度中心；

所述自取能无线温度传感器将检测到的变电站内设备的温度传给所述温度汇集终端；所述温度汇集终端将数据进行处理后依次传给所述温度监测中心和调度中心；

所述自取能无线温度传感器包括电场耦合极板和自取能无线温度传感芯片；所述电场耦合极板设置在变电站内开关设备测温点旁的高压带电器件的上方，并与所述自取能模块连接；所述自取能无线温度传感芯片包括微控制器I、自取能模块、温度传感模块、存储器和无线通信模块I；所述微控制器I分别与所述自取能模块、温度传感模块、存储器和无线通信模块I通信；所述自取能模块与所述无线通信模块I通信；所述温度传感模块与所述存储器连接；所述微控制器I、自取能模块、温度传感模块、存储器和无线通信模块I集成在一片芯片上。

其中，所述自取能无线温度传感器、温度汇集终端和温度监测中心构成一个温度检测系统；至少一个的温度检测系统与所述调度中心通信；一个温度汇集终端对应一个或多个所述自取能无线温度传感器。

其中，所述自取能模块用于给所述自取能无线温度传感芯片供电，其包括整流器、储能电容、DC-DC转换器和电源管理模块；所述整流器的交流端与所述电场耦合极板连接，直流端依次与所述储能电容和DC-DC转换器连接；所述电源管理模块与所述储能电容连接，用于监测储能电容中能量积累情况，并发出控制脉冲启动所述DC-DC转换器。

其中，所述自取能模块基于电场耦合原理，其中的整流器收集所述电场耦合极板与所述高压带电器件之间的等效电容在交流高压下产生的位移电流，并转成直流后为所述储能电容充电。

其中，所述温度传感模块包括连接的温度传感器和A/D转换模块；所述温度传感器用于测量被测变电站设备发热点处的温度；所述A/D转换模块将所述温度传感器采集到的模拟信号转换成数字信号送到微控制器I中进行数据处理。

其中，所述无线通信模块I用于将所述自取能无线温度传感芯片采集得到的温度信息以无线射频方式发射给所述温度汇集终端。

其中，所述温度汇集终端包括微控制器II、无线通信模块II、RS485接口、电池供电模块、显示屏、蜂鸣器和指示灯；所述微控制器II分别与所述无线通信模块II、显示屏、蜂鸣器、指示灯和RS-485接口连接；所述无线通信模块II与同一个检测系统中的所述自取能无线温度传感器通信；电池供电模块用于为所述温度汇集终端提供工作电源。

其中，在将电场耦合极板安装在变电站内开关设备测温点旁的高压带电器件的上方后：

自取能模块与所述电场耦合极板相连接，为无线温度传感芯片供电；其中的温度传感模块测量被测变电站设备发热点处的温度，将温度值传给微控制器，并通过存储器保存数据；所述微控制器根据预设的测温时间间隔控制温度传感模块进行温度采集，并将采集得到的温度数据通过无线通信模块传给温度汇集终端；所述温度汇集终端接收所述自取能无线温度传感芯片发送的温度数据后，根据预设的待测点温度值，通过微控制器控制液晶显示屏显示测温点的实时温度数据，控制蜂鸣器鸣响以及指示灯发光，实现温升过高故障报警，并将温度数据通过RS-485接口传给温度监测中心；本地监控室中的温度监测中心通过RS-485接口接收所述温度汇集终端上报的温度信息及报警信息，完成数据通信，并且通过电力系统通信专网，将本地温度信息及报警信息上传给调度中心；所述调度中心收集本区域内多个本地监控室中的所述温度监测中心上传的温度及报警信息，对区域内的变电站设备进行温度数据统筹处理以及储存备份。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明的监测系统，采用自取能无线温度传感芯片作为无线传感网节点，解决了一般无线温度监测系统中测温装置体积大、测温装置的供电问题，大大扩展了测温系统的应用范围。

本发明的监测系统中的自取能无线温度传感芯片在高电压、高温、强电场和强磁场环境下，工作可靠，且可灵活安装布置，解决了温度传感器自身工作电源和传感器与接收器之间的高电压隔离的问题。该芯片集成了自取能、温度测量、无线通信功能，能够快速、准确监测测温点的温度变化，及时与温度汇集终端进行通信，实现了高集成度、高效性和高可靠性。

本发明方案中的温度监测和数据传输都可以自动完成，能够实现自动预警，避免出现变电站设备发热点温升过高，甚至导致烧毁造成事故的现象，从而可以节约大量人力，降低事故发生率，对于实现变电站的无人值守，构建智能变电站具有重要意义。

附图说明

图1本发明检测系统一种实施例的结构示意图；

图2是本发明监测系统中自取能无线温度传感芯片的结构框图；

图3是本发明监测系统中温度汇集终端的结构示意图；

图4是本发明监测系统中温度汇集终端的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本实施例提出的基于自取能无线温度传感器的变电站设备温度监测系统，其结构图如图1所示，包括自取能无线温度传感器、温度汇集终端、温度监测中心和调度中心；自取能无线温度传感器将检测到的变电站内设备的温度传给温度汇集终端；温度汇集终端将数据进行处理后依次传给温度监测中心和调度中心；其中，自取能无线温度传感器、温度汇集终端和温度监测中心构成一个温度检测系统；本实施例实现至少一个的温度检测系统与调度中心通信，且一个温度汇集终端对应一个或多个自取能无线温度传感器，实现一个区域内的整体监测。本实施例对各部分的介绍如下：

自取能无线温度传感器；

本实施例的自取能无线温度传感器包括电场耦合极板和自取能无线温度传感芯片；电场耦合极板通过一块金属板实现，其固定在变电站内被测点旁的高压交流流过的设备（即高压带电器件）的上方，例如布置在变电站电缆接头、闸刀触点、开关触点或铜排连接点等位置，再与自取能无线温度传感芯片连接。通过这些传感芯片实时感知变电站变电设备的运行情况，以便及时发现影响变电站安全稳定运行的外部因素以及实时监测变电站设施的内部故障。自取能无线温度传感芯片的结构框图如图2所示，其在单芯片上利用CMOS工艺集成微控制器I、存储器、温度传感器、无线通信模块I以及自取能模块。微控制器I分别与自取能模块、温度传感模块、存储器和无线通信模块I通信；自取能模块与无线通信模块I通信；温度传感模块与存储器连接。其中：

自取能模块用于给所述自取能无线温度传感芯片供电，其包括整流器、储能电容、DC-DC转换器和电源管理模块；整流器的交流端与电场耦合极板连接，直流端依次与储能电容和DC-DC转换器连接；电源管理模块与储能电容连接，用于监测储能电容中能量积累情况，并发出控制脉冲启动DC-DC转换器。本实施例的自取能模块基于电场耦合原理，其中的整流器收集电场耦合极板与高压带电器件之间的等效电容在交流高压下产生的位移电流，并转成直流后为储能电容充电。电源管理模块对储能电容中能量积累情况进行监视，当储能达到足够支持芯片进行一次温度采集并进行数据处理及无线发送的能量后发出控制脉冲启动DC-DC转换器工作，为所述芯片供电；温度传感模块包括连接的温度传感器和A/D转换模块；在芯片上电后，温度传感器用于测量被测变电站设备发热点处的温度；A/D转换模块将温度传感器采集到的模拟信号转换成数字信号送到微控制器I中进行数据处理。微控制器I根据预设的测温时间间隔控制温度传感器进行温度采集，并将采集得到的温度数据通过无线通信模块I以无线射频方式传给温度汇集终端。

温度汇集终端；

温度汇集终端作为无线传感器网络的网关，一方面无线接收同一个系统中各无线温度传感器发送的温度数据，并实现数据处理、存储、显示及报警功能；另一方面将温度数据通过RS485通信接口上传到温度监测中心。

本实施例的温度汇集终端的结构框图如图3所示，包括微控制器II、无线通信模块II、RS485接口、为温度汇集终端提供工作电源的电池供电模块、显示屏、蜂鸣器和指示灯；微控制器II分别与无线通信模块II、显示屏、蜂鸣器、指示灯和RS-485接口连接；无线通信模块II与同一个检测系统中的自取能无线温度传感器通信。

温度汇集终端的程序流程图如图4所示。该流程为循环过程，自取能无线温度传感芯片不停地对开关柜、触头的温度状态进行监测，并将监测到的温度信息通过无线通信模块I发送出去。温度汇集终端中的无线通信模块II接收温度数据，并将温度数据输入到微控制器II，微控制器II对接收到的数据进行处理，使得微控制器II实时输出各种控制信号，以确保系统正确运行。例如，温度汇集终端接收自取能无线温度传感芯片发送的温度数据后，根据预设的待测点温度值，通过微控制器II控制液晶显示屏显示测温点的实时温度数据，微控制器II控制蜂鸣器鸣响，控制指示灯发光，实现温升过高故障报警，并且通过RS-485接口向本地监控室中的温度监测中心上报温度信息及报警信息，完成数据通信。

温度监测中心；

温度监测中心一方面经RS485通信接口与各温度汇集终端连接，根据接收到的温度数据进行在线温度监控、分析、显示及报警；另一方面通过电力系统通信专网将本地的温度数据发送到上一级调度管理系统。

调度中心；

调度中心通过电力系统通信专网收集各地变电站设备的温度数据，进行区域统筹数据处理以及储存备份。

具体的，本实施例对监测系统的实现方法如下：

（1）将电场耦合极板安装在变电站内开关设备测温点旁的高压带电器件的上方；

（2）自取能模块与电场耦合极板相连接，为无线温度传感芯片供电；

（3）温度传感模块测量被测变电站设备发热点处的温度，将温度值传给微控制器I，并通过存储器保存数据；

（4）微控制器I根据预设的测温时间间隔控制温度传感模块进行温度采集，并将采集得到的温度数据通过无线通信模块I传给温度汇集终端；

（5）温度汇集终端接收自取能无线温度传感芯片发送的温度数据后，根据预设的待测点温度值，通过微控制器II控制液晶显示屏显示测温点的实时温度数据，控制蜂鸣器鸣响以及指示灯发光，实现温升过高故障报警，并将温度数据通过RS-485接口传给温度监测中心；

（6）本地监控室中的温度监测中心通过RS-485接口接收所述温度汇集终端上报的温度信息及报警信息，完成数据通信，并且通过电力系统通信专网，将本地温度信息及报警信息上传给调度中心；

（7）调度中心收集本区域内多个本地监控室中的温度监测中心上传的温度及报警信息，对区域内的变电站设备进行温度数据统筹处理以及储存备份。

本发明的主要特点是在变电站电缆接头、闸刀触点、高压开关柜触头、铜排连接点等位置布置自取能无线温度传感芯片，可以直接对待测点附近的温度进行测量；通过这些传感芯片实时感知变电站变电设备的运行情况，以便及时发现影响变电站安全稳定运行的外部因素以及实时监测变电站设施的内部故障。自取能无线温度传感芯片体积小，可直接放置在温度待测点上，不影响变电站设备工作结构；功耗低，采用电场感应方式来取能，属于自供能系统，无需外加电源。通过无线传输技术将自取能无线温度传感芯片采集到的温度数据发送到各温度汇集终端，测量结果通过RS485方式传输到变电站的主控室，将本地的温度数据通过电力系统通信专网传输到区域调度中心，对于多个测温节点，它们可以组成一个无线传感网。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.基于自取能无线温度传感器的变电站设备温度监测系统，其特征在于，包括自取能无线温度传感器、温度汇集终端、温度监测中心和调度中心；

所述自取能无线温度传感器将检测到的变电站内设备的温度传给所述温度汇集终端；所述温度汇集终端将数据进行处理后依次传给所述温度监测中心和调度中心；

所述自取能无线温度传感器包括电场耦合极板和自取能无线温度传感芯片；

所述电场耦合极板设置在变电站内开关设备测温点旁的高压带电器件的上方，并与所述自取能模块连接；

所述自取能无线温度传感芯片包括微控制器I、自取能模块、温度传感模块、存储器和无线通信模块I；所述微控制器I分别与所述自取能模块、温度传感模块、存储器和无线通信模块I通信；所述自取能模块与所述无线通信模块I通信；所述温度传感模块与所述存储器连接；所述微控制器I、自取能模块、温度传感模块、存储器和无线通信模块I集成在一片芯片上。

2.如权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述自取能无线温度传感器、温度汇集终端和温度监测中心构成一个温度检测系统；至少一个的温度检测系统与所述调度中心通信；

一个温度汇集终端对应一个或多个所述自取能无线温度传感器。

3.如权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述自取能模块用于给所述自取能无线温度传感芯片供电，其包括整流器、储能电容、DC-DC转换器和电源管理模块；

所述整流器的交流端与所述电场耦合极板连接，直流端依次与所述储能电容和DC-DC转换器连接；

所述电源管理模块与所述储能电容连接，用于监测储能电容中能量积累情况，并发出控制脉冲启动所述DC-DC转换器。

4.如权利要求3所述的监测系统，其特征在于，所述自取能模块基于电场耦合原理，其中的整流器收集所述电场耦合极板与所述高压带电器件之间的等效电容在交流高压下产生的位移电流，并转成直流后为所述储能电容充电。

5.如权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述温度传感模块包括连接的温度传感器和A/D转换模块；

所述温度传感器用于测量被测变电站设备发热点处的温度；

所述A/D转换模块将所述温度传感器采集到的模拟信号转换成数字信号送到微控制器I中进行数据处理。

6.如权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述无线通信模块I用于将所述自取能无线温度传感芯片采集得到的温度信息以无线射频方式发射给所述温度汇集终端。

7.如权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述温度汇集终端包括微控制器II、无线通信模块II、RS485接口、电池供电模块、显示屏、蜂鸣器和指示灯；

所述微控制器II分别与所述无线通信模块II、显示屏、蜂鸣器、指示灯和RS-485接口连接；

所述无线通信模块II与同一个检测系统中的所述自取能无线温度传感器通信；

电池供电模块用于为所述温度汇集终端提供工作电源。

8.如权利要求1所述的监测系统，其特征在于，在将电场耦合极板安装在变电站内开关设备测温点旁的高压带电器件的上方后：

自取能模块与所述电场耦合极板相连接，为无线温度传感芯片供电；其中的温度传感模块测量被测变电站设备发热点处的温度，将温度值传给微控制器，并通过存储器保存数据；所述微控制器根据预设的测温时间间隔控制温度传感模块进行温度采集，并将采集得到的温度数据通过无线通信模块传给温度汇集终端；所述温度汇集终端接收所述自取能无线温度传感芯片发送的温度数据后，根据预设的待测点温度值，通过微控制器控制液晶显示屏显示测温点的实时温度数据，控制蜂鸣器鸣响以及指示灯发光，实现温升过高故障报警，并将温度数据通过RS-485接口传给温度监测中心；本地监控室中的温度监测中心通过RS-485接口接收所述温度汇集终端上报的温度信息及报警信息，完成数据通信，并且通过电力系统通信专网，将本地温度信息及报警信息上传给调度中心；所述调度中心收集本区域内多个本地监控室中的所述温度监测中心上传的温度及报警信息，对区域内的变电站设备进行温度数据统筹处理以及储存备份。

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