【摘要】 隨著經濟社會的發(fā)展,電力產業(yè)已經成為我國的支柱產業(yè)。經濟的發(fā)展必然導致用電量的增加,高壓電氣節(jié)點如變壓器、互感器、高壓開關柜、室外刀閘將承擔越來越大的安全輸送大負荷電能的壓力。而電力系統(tǒng)中眾多高壓電氣節(jié)點的發(fā)熱問題時刻威脅著系統(tǒng)的安全穩(wěn)定,高壓電氣節(jié)點的安全運行是系統(tǒng)正常供電的保障。隨著負荷的增大,導致連接點發(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)測高壓設備及其連接點溫升,實現溫度在線監(jiān)測,保證高壓電氣節(jié)點安全運行有著重大意義。本文研究高壓電氣設備本身、設備間連接點的在線測溫系統(tǒng),對一些關鍵技術進行了分析、論證和比較,最終選用了最適用于本系統(tǒng)的WSN方式,并對其進行了深入的研究；結合鶴崗地區(qū)的實際運行狀況,明確了建設鶴崗地區(qū)在線測溫系統(tǒng)的必要性,并重點對系統(tǒng)的總體架構、主站架構、后臺軟件架構、通信方式、系統(tǒng)功能分別進行了方案設計;在對各類型測溫單元比較總結后,選取了適用于本系統(tǒng)的測溫單元,并對系統(tǒng)的測溫終端進行了相應的軟硬件設計,重點設計了系統(tǒng)終端的溫度采集模塊并最終調試確立了最終的參數。本系統(tǒng)以在線測溫服務為核心,實現對各種高壓電氣設備、設備間連接點的溫度數據完整、準確、實時的采集功能,針對監(jiān)測到的溫度數據,及時地進行綜合分析,對已經出現的故障或者潛在的威脅及時采取措施,以保證電網的安全穩(wěn)定運行。該系統(tǒng)符合國家智能電網建設發(fā)展的方向和要求,具有先進性與實用性,相比同類系統(tǒng)處于領先地位,應用前景十分廣闊。

第1章緒論

1.1課題背景和意義
隨著我國經濟的飛速發(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。而智能電網的提出，被認為是當今世界電力發(fā)展和變革的最新動向，也是21世紀世界電力系統(tǒng)的重大科技創(chuàng)新與發(fā)展趨勢。電網運行自動化、智能化的監(jiān)控水平已成為國內外高度重視的關鍵問題。在線、實時、無人化的監(jiān)測系統(tǒng)已成為智能電網必不可少的一部分⑴隨著我國電力系統(tǒng)的建設，各類發(fā)電廠和變電站數量的激增，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)電廠和變電站內各類的高壓電氣設備及高壓電氣連接點。對于這些高壓電氣設備及高壓電氣連接點，保證其可靠的運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，我國電網的平均故障率偏高，經過調查發(fā)現，其中一個重要原因就是我們缺乏對高壓電氣節(jié)點有效的在線監(jiān)測措施，而對其實施的在線溫度監(jiān)測更是少之又少。根據電力事故的事后分析，絕大部分的火災是由電氣節(jié)點溫度過高而引起的，這種事故一旦發(fā)生，將致使設備燒毀甚至導致爆炸，，嚴重威脅生命及財產。如果能在平常實時的對高壓電氣節(jié)點在進行線溫度監(jiān)測并在發(fā)現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備及高壓電氣連接點溫度進行實時有效的監(jiān)測是非常必要的。在高壓電氣節(jié)點的故障中，由于發(fā)熱造成系統(tǒng)運行的問題，經常發(fā)生。因此，對高壓電氣節(jié)點實施在線溫度監(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：1、事故事先預警，使人員在第一時間采取措施，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小時全天無人在線實時監(jiān)測，既能夠使巡視人員免于福射的傷害，又進一步提高了設備運行的安全程度。分散的人員巡視變成了集中的電腦監(jiān)控，實現真正的智能化。

1.2國內外發(fā)展現狀
高壓電氣節(jié)點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化水平較國內領先，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備逐點測溫，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（含貓準機構）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。這種方法能夠準確的判斷設備的故障，但同時存在很多的缺點，如：1.對于光亮或者拋光的金屬表面的測溫讀數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，例如高壓開關柜內電氣節(jié)點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是一種對目標的被動式的非接觸的檢測與識別，因而隱蔽性好，不容易被發(fā)現，從而使紅外熱成像儀的操作者更安全、更有效。紅外熱成像技術不受電磁干擾，適用于高壓電氣節(jié)點的測量，能真正做到24h全天候監(jiān)控，且探測能力強，作用距離遠。紅外熱成像技術能直觀地顯示物體表面的溫度場，可采用多種顯示方式，不受強光影響，應用廣泛。
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第2章高壓電氣節(jié)點在線測溫系統(tǒng)需求分析

2.1系統(tǒng)需求分析
鶴崗電網是黑龍江省東部電網的重要組成部分，近年來由于高壓母線搭接點、斷路器觸頭的溫度升高導致的事故頻發(fā)，就可能導致變電站起火或設備爆炸的嚴重后果，不僅嚴重影響電網的安全生產，還會嚴重威脅公共安全，給供電、用電方帶來巨大的經濟損失。鶴崗地區(qū)電網的特殊地理位置對于黒龍江電網而言尤為重要，鶴崗地區(qū)電網位于黑龍江東北部，黒龍江電網按其地理位置可分為東、中、西三個部分，東部電網與中部電網由2回500kV線路和4回220kV線路相聯，如果由于溫升導致的鶴崗電網事故擴大進而影響整個黑龍江電網，那么后果不堪設想。雖然鶴崗電網開始陸續(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行，資源不能共享；同時在線測溫所得到的數據也無法與離線試驗、運行巡檢等其它重要狀態(tài)量有機結合，自動化和信息化程度不高，導致對隱患的監(jiān)測及預警能力不強，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
目前國內外關于電氣高壓節(jié)點的溫度監(jiān)測方法的研究較多，但是由于這些節(jié)點處在強電磁場、高電壓環(huán)境中，所以目前大多數的研究都側重于如何實現測溫系統(tǒng)的抗干擾能力與高壓環(huán)境中的絕緣問題，并且根據測溫單元是否直接接觸高壓電氣節(jié)點，可分為接觸式與非接觸式兩類，現在主流的高壓電氣節(jié)點測溫系統(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；并且在實際應用中，由于環(huán)境的復雜程度不一造成安裝的復雜度較高，并對于一些封閉設備，如高壓開關柜并不適用；同時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計有關）。

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；安裝時同樣由于環(huán)境的復雜程度，使得安裝較為復雜；同樣無法測量封閉式設備；測溫探頭可以由監(jiān)測主機直接供電，無需電池。
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第3章高壓電氣節(jié)點在線測溫系統(tǒng)整體方案設計.......... 15
3.1系統(tǒng)設計原則.......... 15
3.2在線測溫系統(tǒng)總體結構設計.......... 16
3.3在線測溫系統(tǒng)主站設計 ..........  17
3.3.1主站系統(tǒng)結構設計.......... 17
3.3.2主站系統(tǒng)功能設計.......... 19
3.3.3主站系統(tǒng)軟件結構設計.......... 20
3.4在線測溫系統(tǒng)通信方式設計.......... 21
3.5本章小結 ..........23
第4章高壓電氣節(jié)點在線測溫系統(tǒng)終端設計.......... 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計 ..........26
4.3測溫終端取電技術的實現.......... 30
4.4溫度采集模塊設計.......... 33
4.5本章小結 ..........39
第5章總結與展望.......... 40
5.1總結 ..........40
5.2展望 ..........40

第4章高壓電氣節(jié)點在線測溫系統(tǒng)終端設計

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，要么造價較高，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)領域，限制了多種測溫終端的應用。電力高壓環(huán)境測溫就是一個典型的比較特殊的被測量環(huán)境，對于這樣一個物理結構復雜、測量點分布不集中、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不能適應一些新型電氣設備，尤其是封包式電氣設備的需求，例如高壓開關柜為了避免閃污事故及短路事故，柜體內君進行了絕緣包封，紅外測溫的方法不能測量柜體內的溫度，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

論文通過深入分析現階段電力系統(tǒng)中高壓電氣節(jié)點測溫的課題背景，認真比較了當前高壓電氣節(jié)點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，最終選用了無線測溫方案。本文設計開發(fā)了一套適用于鶴崗地區(qū)電網的高壓電氣節(jié)點無線測溫系統(tǒng)，并對測系統(tǒng)的終端進行了具體的模塊設計。本文具體的工作如下：
1)分析比較了當前高壓電氣節(jié)點溫度測量的幾種方法，最終選用了無線測溫，并對鶴崗電網的需求進行了分析，研究了 WSN在智能變電站中的應用及前景；
2)結合鶴崗當地電網的實際情況，著重對系統(tǒng)的總體、主站、功能、通信方式提出了具體的設計方案，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)終端的各個模塊進行了具體的方案設計，并確定了終端的取電方式，之后重點對溫度采集模塊進行了軟硬件的設計，并確認了最終的相關參數。
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參考文獻（略）