摘要：为解决高电压环境和复杂空间区域电力设备的温度监测，本文研究了贴片式数字温度传感器，应用窄带物联网通信组网和数据传输，通过云计算和移动端APP进行数据存储和分析，分析了典型设备全生命周期典型温度曲线，构建了温度在线检测系统，为设备状态监测提供支撑。本系统充分应用物联网技术和理念，可以实现大容量低成本现场部署，精确故障定位，通信信号穿透能力强，具有广泛的推广价值。
关键词：温度测量 窄带物联网 贴片
ABSTRACT:To solve the problem of temperature monitoring in complex space, this paper built a online temperature measurement system for high voltage electric equipment, which using the patch type digital temperature sensor, the application of narrow band Internet communications network, through the cloud computing and mobile terminal APP for data storage and analysis, and analyzes the typical temperature curve in whole life cycle of a typical equipment for equipment condition monitoring. The system can realize large capacity and low cost field deployment, accurate fault location, strong penetration ability of communication signals, and has extensive promotion value.
KEY WORD: Temperature measurement, Narrowband Internet of things,The patch t
1 引言
在各种电力设备运行监测中，温度测量已经成为必备手段，它可以有效反应设备的绝缘状态，运行工况是否正常等。目前，常见的高电压环境下测量温度通常采用红外（紫外）光学测温等方法，其局限性在于，一方面仪器成本高，难以大量部署，难以做到长时间多点连续监测；另一方面，对于地下电缆、开关柜，GIS组合开关、高电压母线等设备处于高电压环境，有绝缘距离要求，设备本身或所处空间结构复杂，难以直接观测。
2解决问题的思路
本文应用物联网的理念，设计研究了一种能适应电力行业高电压工作环境、可以低成本大量就地部署、利用窄带物联网通信、采用云计算的温度在线测量系统。系统框架示意图如（图一）：
图一 系统示意图
2.1 现场单元
采用高精度热敏电阻作为温度传感器，集成窄带物联网芯片作为通信方式，电池供电，联同模数转换模块等集中封装,能有效防水，体积小，以贴片形式直接贴敷在高电压设备上（图二）。
图二 现场单元结构示意图
（1）温度传感器
为了得到数字化的温度传感信号，便于逻辑处理，一个可行的方法是将热敏电阻阻值的变化转换为脉冲周期变化，再对脉冲计数可以得到与温度值有一定关系的数字信号。经后台处理后就能够得到待测物体的温度值。此次由热敏电阻Rt，高精度标准电阻R1，电容等元件与定时触发器555构成温度传感器（图三）：
触发器555输出为方波脉冲:
高电平脉冲T1＝R1Cln2
低电平脉冲T2＝RtCln2
为减少电容C对测量精度的影响，取T1/T2的比值作为传感信号,Rt=R1T2/T1,由测量信号的两个脉冲T1，T2和阻值R1就可以计算出对应测量温度下的热敏电阻阻值Rt，从而Rt—T 关系曲线计算出被测温度值。
图三 温度传感器示意图
热敏电阻引出敷贴于被测量的高压设备表面，传感器安装在邻近测量点的适当位置上。
（2）选用热敏电阻的考虑[2]
1）由于半导体材料电阻率远高于金属，因此可将热敏电阻尺寸制得很小。例如，珠形热敏电阻可小至直径为φ0.2mm的珠形体，这样微小的测温元件不仅热惯性小、响应速度快、对待测的环境影响很小，而且可以用于测量非常狭窄空间的温度，例如空隙、高压触头间隙等。
2）热敏电阻阻值可在102－105欧姆间任意选择，由于阻值较高，不存在类似使用热电偶时的冷端补偿问题，也无需考虑线路引线电阻和接线方式对测温精度的影响，因此使用比较方便。
3）功耗损耗小，过载能力强，工作温度范围广，适用于远距离测温和温度控制。
（3）窄带物联网通信
由于本系统数据传输量很小，但要求通信穿透力强、功耗低、支持数量多，为此选用华为公司的窄带物联网通信芯片NB-IoT模块，它是基于蜂窝的窄带物联网，能实现低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，能显著改善用户设备的功耗，系统容量和深度覆盖。
NB-IoT的特点[4]是:(1)低速率。在窄带物联网技术应用于铁路、公路、交通、电网等业务时，由于NB-IOT是采用低阶调制的方式，因而可以较好地解决中低速率业务中的问题。(2) 高时延。窄带物联网中的信号传输要经过反复多次的传送，这就使之存在一定的通信时延，有时可能会达到10s。(3)低频次。窄带物联 网中的数据传输要处于较低的频次，避免过于频繁的传输，以免增加 NB-IOT终端的功率消耗。上述低成本和低功耗的特点，为其在工业领域的广泛应用奠定基础。目前，国内各大电信运营商都已经支持该通信方式。
2.2数据后台
采用通用云平台计算技术进行数据存储和分析。主要功能包括处理各现场单元的实时温度数据，形成数据库；内置每个现场单元的地理位置信息，所测量设备的参数和典型温度曲线；在监视到温度剧变时，主动推送预警信息到客户端等等。
2.3 客户端
开发了移动终端APP应用，内置专家分析模块，不仅可以实时监视设备温度变化，对因绝缘老化或者外力破坏造成的温度剧变实时告警，而且应用设备全生命周期理念，内置各种类型设备典型温度曲线，具有预警功能。
3 系统特点
（1）本系统的现场单元采用贴片式，集成热敏电阻、模数转换模块，窄带物联网通讯模块等，全绝缘防水封装，尺寸小，现场安装方便。现场单元采用低功耗元件，电池供电，使用时间可达5年，并可在设备定期检修期间更换电池。可以低成本、大容量部署。
（2）适合区域性大量布点，形成温度测量网络。为每个现场单元赋予唯一编码，对应所贴敷高压电气设备和安装地点的GPS坐标等地理位置信息，存储于后台数据库。客户端可以从数据后台读取，方便故障位置查找，非常适合地下高压电缆的故障定位处理。
（3）采用窄带物联网通信技术，穿透能力强，适用于10千伏及以上地下电缆接头、开关柜，GIS组合开关、高电压母线等电力设备的温度监测。这些高电压设备处于高电压环境，有绝缘距离要求，设备本身或所处空间结构复杂，难以直接观测，无法应用红外测温等常规手段。
（4）系统的后台应用云端计算和存储，客户端采用移动终端App方式，方便维护和使用。同时，本系统可以作为一个子系统，嵌入到各种电力监视EMS系统之中。
（5）客户端内置专家分析模块，不仅可以实时监视设备温度变化，对因绝缘老化或者外力破坏造成的温度剧变实时告警，而且应用设备全生命周期理念，内置各种类型设备典型温度曲线，具有预警功能。
4 应用场景示例
在配电网运行中，电缆接头因绝缘降低，导致短路跳闸，是电缆故障的主要原因。通常情况下，地下电缆的温度取决所带负载，与通过的电流成正比，而与外部环境温度关系不大。当由于运行时间长或水浸等影响，电缆头绝缘会逐步降低，发热导致温度升高，积累到一定程度会导致绝缘破坏而短路跳闸。由于绝缘通常降低是一个缓慢过程，因此在观测到电缆头温度逐步升高之后可以预警，采取转供电等方式及时检修处理，最大限度减少停电损失。通常，一条电缆有很多个接头，本系统可以快速定位故障点，减少抢修复电时间。
5 结论
本文采用物联网技术构建了电力设备温度在线测量系统。其中，现场单元采用热敏电阻作为温度传感器，贴片式封装，电池供电，易于现场大量部署；采用窄带物联网通信，信号穿透能力强，解决了地下电缆等场合数据传输难题；应用云计算和移动端APP等技术作为后台数据管理及客户端管理，并可嵌入到EMS管理系统之中；用设备全生命周期理念，分析了典型电力设备温度曲线，可以支撑设备状态检修和故障处理。本系统理念先进，造价低，适合大量部署，是在电力行业应用“云、大、物、移、智”技术的典型示范，必将有力支撑智能电网的发展，具有广阔的市场前景。
图四 电缆头典型温度曲线
参考文献
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[2]Chen yunpeng, huang xiaoli, du zhongming,《energy transformation and smart grid》, China electric power press, 2017.
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[6]Zhang zhihui,cao jiaqing, monitoring the temperature rise of primary circuit of switching equipment", "high voltage electrical appliances", 1995, 5th issue.
[7]郭壮龙,龚正平,武果.《窄带物联网技术方案及应用场景研究》，《电子世界》 2018年08期.
[8]Guo zhuanglong, gong zhengping, research on narrowband Internet of things technology and its application scenarios, electronic world, 08, 2018.
[9]Lennart Balgard,Leif Lundin (Sweden)，《变电站内一次回路温度和断路器运行状态的监视》，第12届国际供用电会议论文集.
[10]Lennart Balgard,Leif Lundin (Sweden)，Monitoring of primary circuit temperature and circuit breaker operating conditions in substations, proceedings of the 12th international power supply conference.
作者简介
王雨潼（2000-），女，研究方向为电力系统保护及自动化，邮箱9746146@qq.com。
论文作者:王雨潼
论文发表刊物:《电力设备》2018年第18期
论文发表时间:2018/10/22
标签：温度论文; 窄带论文; 热敏电阻论文; 设备论文; 测量论文; 测温论文; 电压论文; 《电力设备》2018年第18期论文;