【摘要】 隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,電力產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為我國的支柱產(chǎn)業(yè)。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必然導(dǎo)致用電量的增加,高壓電氣節(jié)點(diǎn)如變壓器、互感器、高壓開關(guān)柜、室外刀閘將承擔(dān)越來越大的安全輸送大負(fù)荷電能的壓力。而電力系統(tǒng)中眾多高壓電氣節(jié)點(diǎn)的發(fā)熱問題時(shí)刻威脅著系統(tǒng)的安全穩(wěn)定,高壓電氣節(jié)點(diǎn)的安全運(yùn)行是系統(tǒng)正常供電的保障。隨著負(fù)荷的增大,導(dǎo)致連接點(diǎn)發(fā)熱并形成惡性循環(huán)：溫升、膨脹、收縮、氧化、電阻增大、再度升溫直至釀成事故。因此,監(jiān)測高壓設(shè)備及其連接點(diǎn)溫升,實(shí)現(xiàn)溫度在線監(jiān)測,保證高壓電氣節(jié)點(diǎn)安全運(yùn)行有著重大意義。本文研究高壓電氣設(shè)備本身、設(shè)備間連接點(diǎn)的在線測溫系統(tǒng),對一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析、論證和比較,最終選用了最適用于本系統(tǒng)的WSN方式,并對其進(jìn)行了深入的研究；結(jié)合鶴崗地區(qū)的實(shí)際運(yùn)行狀況,明確了建設(shè)鶴崗地區(qū)在線測溫系統(tǒng)的必要性,并重點(diǎn)對系統(tǒng)的總體架構(gòu)、主站架構(gòu)、后臺軟件架構(gòu)、通信方式、系統(tǒng)功能分別進(jìn)行了方案設(shè)計(jì);在對各類型測溫單元比較總結(jié)后,選取了適用于本系統(tǒng)的測溫單元,并對系統(tǒng)的測溫終端進(jìn)行了相應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì),重點(diǎn)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)終端的溫度采集模塊并最終調(diào)試確立了最終的參數(shù)。本系統(tǒng)以在線測溫服務(wù)為核心,實(shí)現(xiàn)對各種高壓電氣設(shè)備、設(shè)備間連接點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)完整、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的采集功能,針對監(jiān)測到的溫度數(shù)據(jù),及時(shí)地進(jìn)行綜合分析,對已經(jīng)出現(xiàn)的故障或者潛在的威脅及時(shí)采取措施,以保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。該系統(tǒng)符合國家智能電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的方向和要求,具有先進(jìn)性與實(shí)用性,相比同類系統(tǒng)處于領(lǐng)先地位,應(yīng)用前景十分廣闊。

第1章緒論

1.1課題背景和意義
隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，對電力的需求也在日益加大，對電力的依賴性越來越強(qiáng)。而智能電網(wǎng)的提出，被認(rèn)為是當(dāng)今世界電力發(fā)展和變革的最新動(dòng)向，也是21世紀(jì)世界電力系統(tǒng)的重大科技創(chuàng)新與發(fā)展趨勢。電網(wǎng)運(yùn)行自動(dòng)化、智能化的監(jiān)控水平已成為國內(nèi)外高度重視的關(guān)鍵問題。在線、實(shí)時(shí)、無人化的監(jiān)測系統(tǒng)已成為智能電網(wǎng)必不可少的一部分⑴隨著我國電力系統(tǒng)的建設(shè)，各類發(fā)電廠和變電站數(shù)量的激增，對于供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求;尤其是發(fā)電廠和變電站內(nèi)各類的高壓電氣設(shè)備及高壓電氣連接點(diǎn)。對于這些高壓電氣設(shè)備及高壓電氣連接點(diǎn)，保證其可靠的運(yùn)行將直接影響著電力系統(tǒng)本身的可靠性。與一些歐美國家相比，我國電網(wǎng)的平均故障率偏高，經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其中一個(gè)重要原因就是我們?nèi)狈Ω邏弘姎夤?jié)點(diǎn)有效的在線監(jiān)測措施，而對其實(shí)施的在線溫度監(jiān)測更是少之又少。根據(jù)電力事故的事后分析，絕大部分的火災(zāi)是由電氣節(jié)點(diǎn)溫度過高而引起的，這種事故一旦發(fā)生，將致使設(shè)備燒毀甚至導(dǎo)致爆炸，，嚴(yán)重威脅生命及財(cái)產(chǎn)。如果能在平常實(shí)時(shí)的對高壓電氣節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行線溫度監(jiān)測并在發(fā)現(xiàn)問題后迅速采取措施，防患于未然，將有著重大的意義。因此，對變電站高壓電氣設(shè)備及高壓電氣連接點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的監(jiān)測是非常必要的。在高壓電氣節(jié)點(diǎn)的故障中，由于發(fā)熱造成系統(tǒng)運(yùn)行的問題，經(jīng)常發(fā)生。因此，對高壓電氣節(jié)點(diǎn)實(shí)施在線溫度監(jiān)測已成為亟待解決的問題[2]。電力系統(tǒng)在安裝了在線測溫裝置后，有以下改進(jìn)：1、事故事先預(yù)警，使人員在第一時(shí)間采取措施，避免事故發(fā)生或者將事故所造成的損失最小化。2、將正常的3-4天一次的人工巡視改為24小時(shí)全天無人在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，既能夠使巡視人員免于福射的傷害，又進(jìn)一步提高了設(shè)備運(yùn)行的安全程度。分散的人員巡視變成了集中的電腦監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)真正的智能化。

1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
高壓電氣節(jié)點(diǎn)測溫的方法主要分為人工測溫，紅外熱成像測溫，有線在線測溫，無線在線測溫。國內(nèi)中小型的變電站都是人工測溫的方式，國外的變電站綜合自動(dòng)化水平較國內(nèi)領(lǐng)先，基本上均是有線在線測溫，精度更高。人工測溫主要是巡檢人員使用紅外測溫儀對設(shè)備逐點(diǎn)測溫，紅外測溫儀包括光路部分和電子傳感變換部分，光路部分又包括鏡頭（含貓準(zhǔn)機(jī)構(gòu)）和濾色片，電子傳感變換部分又包括傳感器部分和信號處理部分。這種方法能夠準(zhǔn)確的判斷設(shè)備的故障，但同時(shí)存在很多的缺點(diǎn)，如：1.對于光亮或者拋光的金屬表面的測溫讀數(shù)影響較大并且易受環(huán)境因素的影響。2.測量外部物體的溫度方便，不方便測量封閉的或者存在障礙物的物體，例如高壓開關(guān)柜內(nèi)電氣節(jié)點(diǎn)的溫度或一些電控器件的溫度。3.另外，人工測量使得檢測人員長期暴露在高電壓、強(qiáng)磁場的環(huán)境中，對人員的身體也造成了極大的傷害。紅外熱成像測溫技術(shù)是一種對目標(biāo)的被動(dòng)式的非接觸的檢測與識別，因而隱蔽性好，不容易被發(fā)現(xiàn)，從而使紅外熱成像儀的操作者更安全、更有效。紅外熱成像技術(shù)不受電磁干擾，適用于高壓電氣節(jié)點(diǎn)的測量，能真正做到24h全天候監(jiān)控，且探測能力強(qiáng)，作用距離遠(yuǎn)。紅外熱成像技術(shù)能直觀地顯示物體表面的溫度場，可采用多種顯示方式，不受強(qiáng)光影響，應(yīng)用廣泛。
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第2章高壓電氣節(jié)點(diǎn)在線測溫系統(tǒng)需求分析

2.1系統(tǒng)需求分析
鶴崗電網(wǎng)是黑龍江省東部電網(wǎng)的重要組成部分，近年來由于高壓母線搭接點(diǎn)、斷路器觸頭的溫度升高導(dǎo)致的事故頻發(fā)，就可能導(dǎo)致變電站起火或設(shè)備爆炸的嚴(yán)重后果，不僅嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全生產(chǎn)，還會(huì)嚴(yán)重威脅公共安全，給供電、用電方帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。鶴崗地區(qū)電網(wǎng)的特殊地理位置對于黒龍江電網(wǎng)而言尤為重要，鶴崗地區(qū)電網(wǎng)位于黑龍江東北部，黒龍江電網(wǎng)按其地理位置可分為東、中、西三個(gè)部分，東部電網(wǎng)與中部電網(wǎng)由2回500kV線路和4回220kV線路相聯(lián)，如果由于溫升導(dǎo)致的鶴崗電網(wǎng)事故擴(kuò)大進(jìn)而影響整個(gè)黑龍江電網(wǎng)，那么后果不堪設(shè)想。雖然鶴崗電網(wǎng)開始陸續(xù)安裝使用一些簡單的在線測溫裝置，由于缺乏統(tǒng)一的平臺，各類測溫裝置長期孤立運(yùn)行，資源不能共享；同時(shí)在線測溫所得到的數(shù)據(jù)也無法與離線試驗(yàn)、運(yùn)行巡檢等其它重要狀態(tài)量有機(jī)結(jié)合，自動(dòng)化和信息化程度不高，導(dǎo)致對隱患的監(jiān)測及預(yù)警能力不強(qiáng)，未能有效發(fā)揮其輔助診斷的作用。
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2.2系統(tǒng)測溫方式分析
目前國內(nèi)外關(guān)于電氣高壓節(jié)點(diǎn)的溫度監(jiān)測方法的研究較多，但是由于這些節(jié)點(diǎn)處在強(qiáng)電磁場、高電壓環(huán)境中，所以目前大多數(shù)的研究都側(cè)重于如何實(shí)現(xiàn)測溫系統(tǒng)的抗干擾能力與高壓環(huán)境中的絕緣問題，并且根據(jù)測溫單元是否直接接觸高壓電氣節(jié)點(diǎn)，可分為接觸式與非接觸式兩類，現(xiàn)在主流的高壓電氣節(jié)點(diǎn)測溫系統(tǒng)主要有以下幾種：

1. 紅外線通信高壓電氣節(jié)點(diǎn)測溫系統(tǒng)（接觸式）：
高壓測溫探頭與被測物體直接接觸，測溫精度較高，但考慮到電氣的隔離，高壓測溫探頭需與被測物體間采用紅外線通信方式。這就要求在安裝時(shí)需將高壓測溫發(fā)射端和需與被測問題端直線相對（可以小角度傾斜），但有一定的安全距離，從而降低了測量的可靠性及穩(wěn)定性；并且在實(shí)際應(yīng)用中，由于環(huán)境的復(fù)雜程度不一造成安裝的復(fù)雜度較高，并對于一些封閉設(shè)備，如高壓開關(guān)柜并不適用；同時(shí)紅外線通信的通信速率較低；測溫探頭需采用電池供電（電池使用壽命與具體設(shè)計(jì)有關(guān)）。

2. 紅外線熱累堆積傳感器照射測溫系統(tǒng)（非接觸式）：
高壓測溫探頭不與被測物直接接觸，被測物體表面的散熱、測溫精度與探頭相對于被測物的直線距離、探頭與物體間的夾角直接影響測溫的精度，大部分情況下的測溫精度較低；安裝時(shí)同樣由于環(huán)境的復(fù)雜程度，使得安裝較為復(fù)雜；同樣無法測量封閉式設(shè)備；測溫探頭可以由監(jiān)測主機(jī)直接供電，無需電池。
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第3章高壓電氣節(jié)點(diǎn)在線測溫系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì).......... 15
3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則.......... 15
3.2在線測溫系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).......... 16
3.3在線測溫系統(tǒng)主站設(shè)計(jì) ..........  17
3.3.1主站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).......... 17
3.3.2主站系統(tǒng)功能設(shè)計(jì).......... 19
3.3.3主站系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).......... 20
3.4在線測溫系統(tǒng)通信方式設(shè)計(jì).......... 21
3.5本章小結(jié) ..........23
第4章高壓電氣節(jié)點(diǎn)在線測溫系統(tǒng)終端設(shè)計(jì).......... 24
4.1測溫系統(tǒng)終端的選取.......... 24
4.2在線測溫終端總體設(shè)計(jì) ..........26
4.3測溫終端取電技術(shù)的實(shí)現(xiàn).......... 30
4.4溫度采集模塊設(shè)計(jì).......... 33
4.5本章小結(jié) ..........39
第5章總結(jié)與展望.......... 40
5.1總結(jié) ..........40
5.2展望 ..........40

第4章高壓電氣節(jié)點(diǎn)在線測溫系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)

4.1測溫系統(tǒng)終端的選取
常規(guī)的測溫終端要么需要人工干預(yù)，要么造價(jià)較高，要么有安全隱患，要么存在局限性，尤其是對于特殊的行業(yè)領(lǐng)域，限制了多種測溫終端的應(yīng)用。電力高壓環(huán)境測溫就是一個(gè)典型的比較特殊的被測量環(huán)境，對于這樣一個(gè)物理結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測量點(diǎn)分布不集中、人工無法或不便于接近的環(huán)境，選取合理的測溫終端對于系統(tǒng)的建設(shè)具有重要意義。傳統(tǒng)的測溫方法，例如紅外測溫的方法已經(jīng)不能適應(yīng)一些新型電氣設(shè)備，尤其是封包式電氣設(shè)備的需求，例如高壓開關(guān)柜為了避免閃污事故及短路事故，柜體內(nèi)君進(jìn)行了絕緣包封，紅外測溫的方法不能測量柜體內(nèi)的溫度，而斷路器觸頭又極易溫度升高引起事故，因此紅外測溫的方法已不適用于其溫度的監(jiān)測[2G]。
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總結(jié)

論文通過深入分析現(xiàn)階段電力系統(tǒng)中高壓電氣節(jié)點(diǎn)測溫的課題背景，認(rèn)真比較了當(dāng)前高壓電氣節(jié)點(diǎn)溫度測量的幾種方案(光纖測溫、紅外測溫、無線測溫等)，指出了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選用了無線測溫方案。本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套適用于鶴崗地區(qū)電網(wǎng)的高壓電氣節(jié)點(diǎn)無線測溫系統(tǒng)，并對測系統(tǒng)的終端進(jìn)行了具體的模塊設(shè)計(jì)。本文具體的工作如下：
1)分析比較了當(dāng)前高壓電氣節(jié)點(diǎn)溫度測量的幾種方法，最終選用了無線測溫，并對鶴崗電網(wǎng)的需求進(jìn)行了分析，研究了 WSN在智能變電站中的應(yīng)用及前景；
2)結(jié)合鶴崗當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的實(shí)際情況，著重對系統(tǒng)的總體、主站、功能、通信方式提出了具體的設(shè)計(jì)方案，并介紹了本系統(tǒng)的主要監(jiān)測單元；
3)對在線測溫系統(tǒng)終端的各個(gè)模塊進(jìn)行了具體的方案設(shè)計(jì)，并確定了終端的取電方式，之后重點(diǎn)對溫度采集模塊進(jìn)行了軟硬件的設(shè)計(jì)，并確認(rèn)了最終的相關(guān)參數(shù)。
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參考文獻(xiàn)（略）