（华北电力大学）
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:Tosolvetheproblemoftemperaturemonitoringincomplexspace,thispaperbuiltaonlinetemperaturemeasurementsystemforhighvoltageelectricequipment,whichusingthepatchtypedigitaltemperaturesensor,theapplicationofnarrowbandInternetcommunicationsnetwork,throughthecloudcomputingandmobileterminalAPPfordatastorageandanalysis,andanalyzesthetypicaltemperaturecurveinwholelifecycleofatypicalequipmentforequipmentconditionmonitoring.Thesystemcanrealizelargecapacityandlowcostfielddeployment,accuratefaultlocation,strongpenetrationabilityofcommunicationsignals,andhasextensivepromotionvalue.
KEYWORD:Temperaturemeasurement,NarrowbandInternetofthings,Thepatcht
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
[1]陈允鹏,黄晓莉,杜忠明.《能源转型与智能电网》，中国电力出版社,2017年.
[2]Chenyunpeng,huangxiaoli,duzhongming,《energytransformationandsmartgrid》,Chinaelectricpowerpress,2017.
[3]王志勇，《高压母线温度测量装置》，电力系统自动化，2000年第13期.
[4]Wangzhiyong,temperaturemeasurementdeviceofhighvoltagebus,automationofpowersystem,issue13,2000.
[5]张之辉,曹家庆，《开关设备一次回路温升的监测》，《高压电器》1995年第5期.
[6]Zhangzhihui,caojiaqing,monitoringthetemperatureriseofprimarycircuitofswitchingequipment","highvoltageelectricalappliances",1995,5thissue.
[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]Guozhuanglong,gongzhengping,researchonnarrowbandInternetofthingstechnologyanditsapplicationscenarios,electronicworld,08,2018.
[9]LennartBalgard,LeifLundin(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]LennartBalgard,LeifLundin(Sweden)，Monitoringofprimarycircuittemperatureandcircuitbreakeroperatingconditionsinsubstations,proceedingsofthe12thinternationalpowersupplyconference.
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。