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安科瑞電氣股份有限公司 201801

摘要：采集關(guān)鍵電力設(shè)備接點的實時溫度，克服有線溫度監(jiān)測系統(tǒng)存在的諸如線路多，布線復(fù)雜，維護困難，高壓隔離等方面的不足，將測溫傳感器與無線通信技術(shù)相結(jié)合，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及移動互聯(lián)網(wǎng)云端與電力自動化技術(shù)相結(jié)合，云邊協(xié)同，實現(xiàn)智能化無線測溫系統(tǒng)方案。無線測溫系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單可靠，擴展性好，布點靈活等特點,可以結(jié)合行業(yè)深層需求及其他技術(shù)，進一步在電廠推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無線測溫   無源無線傳感器  電氣接點測溫  測溫系統(tǒng)

1 鋼鐵工業(yè)電氣裝置需求分析

鋼鐵工業(yè)是個龐大復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng), 大量使用中低壓開關(guān)柜、高壓電動機、發(fā)電機等電氣設(shè)備。 對自動化程度和連續(xù)生產(chǎn)的高要求,不僅對其供電可靠性越來越高,而且對鋼鐵工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵的配電及高壓電動機設(shè)備的穩(wěn)定可靠性也提出了更高的要求。 電氣設(shè)備在長期運行過程中,電氣一次模塊觸點和連接等部位因老化或接觸電阻過大而發(fā)熱, 進而導(dǎo)致接頭異常升溫甚至引發(fā)燃爆事故。變電站或配電室內(nèi)開關(guān)柜等電氣設(shè)備安裝密集,電動機也都是各工藝段的關(guān)鍵設(shè)備,故此類事故可能會導(dǎo)致大量電氣設(shè)備損壞,并引發(fā)下游大范圍供電線路或重要用電設(shè)備突然停電,造成巨大的直接和間接經(jīng)濟損失。近年來,傳感器及物聯(lián)網(wǎng),設(shè)備的在線監(jiān)測,及大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的快速發(fā)展,結(jié)合鋼鐵工業(yè)的特點及需求,新技術(shù)的研究與應(yīng)用對解決此類問題提供了新的解決方案。

2 關(guān)鍵新技術(shù)的選用

針對上述提出的問題,結(jié)合溫度傳感器、Sub-1G無線傳輸、云應(yīng)用及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)現(xiàn)狀,本文提出了多種新技術(shù)的解決方案并結(jié)合實際案例進行應(yīng)用。

2.1 溫度測量技術(shù)的選用

傳統(tǒng)的測溫方法包括通過熱電偶、熱電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器等測溫,溫度傳感器與測溫儀之間采用金屬導(dǎo)線傳輸溫度信號。電氣設(shè)備測溫檢測,由于溫度傳感器直接安裝于高壓接點/觸點上,其信號傳輸金屬導(dǎo)線的絕緣性能無法保證。 同時,對于改造類項目實施難度較大,因此推薦采用無線測溫方法進行檢測。目前無線測溫方法包括電磁感應(yīng)供電無線測溫、電池供電無線測溫方式及紅外在線測溫方式。紅外測溫需要鏡頭對準發(fā)熱點,塵土震動對其影響較大;有源無源測溫較合適,無需布線,易于安裝,但有源測溫需要外供電池,受電池壽命影響,需要更換;電磁感應(yīng)供電無線測溫具有測溫速度快、周期短、免維護、使用壽命長、故障率低等特點。表1詳細比較了各種無線測溫方法的性能。

表 1 無線測溫技術(shù)性能比較

2.2無線傳輸技術(shù)選用

無線通信是利用電磁波信號在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式,其中應(yīng)用較為廣泛及具有較好發(fā)展前景的短距離無線通信方式包括:Sub-1G技術(shù)、藍牙技術(shù)(Bluetooth)、工業(yè)無線技術(shù)( WiFi)、超寬帶技術(shù)(UWB)、近場通信技術(shù) (NFC)。

藍牙技術(shù)(Bluetooth)屬于一種超短距離的無線傳輸技術(shù),傳輸距離10m范圍以內(nèi),傳輸速率約1 Mb / s,其有效速率約為 723 kb / s;超寬帶技術(shù) (UWB)傳輸速率一般結(jié)余 53 ~ 480 Mb / s 傳輸距離小于40 m;近場通信技術(shù)(NFC)適用于近距離貼近操作。Sub-1G技術(shù)的主要特征包括:傳輸速率較低;通信距離較長;設(shè)備功耗極低,發(fā)射輸出僅為10dBm;通信組網(wǎng)簡潔。這些主要特征使Sub-1G 通信技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。表2給出了幾種技術(shù)性能比較。

表2 無線傳輸技術(shù)性能比較

2.3 移動互聯(lián)網(wǎng)與云技術(shù)選用

傳統(tǒng)的系統(tǒng)監(jiān)控及運行一般以集中式或者分布式的 SCADA 系統(tǒng)應(yīng)用為主,并在控制室內(nèi)由操作員及工程師使用。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)及智能手機的發(fā)展和應(yīng)用,通過傳感器監(jiān)測到的關(guān)鍵設(shè)備的各種實時數(shù)據(jù)也可以通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h方云服務(wù)器, 特別是對于區(qū)域廣,布線困難的區(qū)段,數(shù)據(jù)的獲取將會變得更加方便和容易。傳輸?shù)皆品?wù)器上的數(shù)據(jù)比起傳統(tǒng)專門的服務(wù)器存儲,成本更低,可靠性更高,供不同用戶使用更方便。通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆品?wù)器的數(shù)據(jù),可以通過智能手機的APP顯示出來,并通過不同的功能模塊定制化實現(xiàn)。根據(jù)不同用戶的需求和設(shè)備使用情況,可以對存儲的數(shù)據(jù)按照既定算法進行數(shù)據(jù)分析,及早通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù),并給予用戶提示或者告警信息,減少及降低設(shè)備故障甚至事故的發(fā)生。

3 應(yīng)用方案綜述

項目針對鞍山鋼鐵6KV部分的總站和窯頭站的57面開關(guān)柜進行進行智能測溫改造，經(jīng)過技術(shù)對比,使用無線無源溫度傳感器+溫度監(jiān)測系統(tǒng),準確的采集關(guān)鍵部位的溫度信號 ,通過控制中心的無線測溫監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)溫度信號的實時監(jiān)測,超溫部位及設(shè)備精準定位,超溫報警,保證關(guān)鍵設(shè)備壽命及生產(chǎn)連續(xù)性,減少及避免潛在事故的風(fēng)險。并且測溫系統(tǒng)實現(xiàn)了測溫信號的移動運維,不僅可以通過智能手機實時監(jiān)控到關(guān)鍵設(shè)備的溫度,并能在超溫時自動發(fā)出報警信號,及時推送到具體負責(zé)人員的智能手機終端,實現(xiàn)高效的問題處理,極大的降低配電裝 置及電氣設(shè)備事故風(fēng)險,保證供電可靠性,生產(chǎn)連續(xù)性及安全生產(chǎn)。

3.1 無線無源測溫:溫度傳感器+Sub-1G 

經(jīng)過技術(shù)對比,選定 ATE400無源無線溫度傳感器應(yīng)用于開關(guān)柜關(guān)鍵部位測溫。其主要性能參數(shù)如表3所示.

表3 ATE400溫度傳感器參數(shù)表

ATE400無源無線溫度傳感器基于一次電流進行感應(yīng)取電,與測量點直接接觸可以確保高性能的準確的溫度監(jiān)測。并且,ATE400非常小巧不占用空間,便于安裝調(diào)試及后期維護。 ATE400無線通信采用Sub-1G通信技術(shù)確保有可靠和強大的通信能力。ATE400的圖片及在項目應(yīng)用中的場景如圖1所示。

圖1 ATE400傳感器外觀及現(xiàn)場高壓柜觸頭/電纜頭應(yīng)用

3.2 無線測溫系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

由于測溫傳感器分布區(qū)域廣,數(shù)量多,測溫系統(tǒng)架構(gòu)采用以太網(wǎng)作為主要架構(gòu)。現(xiàn)場的各ATE400溫度傳感器通過無線傳輸?shù)綔囟冉邮昭b置，溫度接收裝置通過Modbus-RTU 通信協(xié)議將溫度信號傳輸?shù)礁鱾€現(xiàn)場的網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)將協(xié)議裝換為Modbus-TCP 規(guī)約,并經(jīng)現(xiàn)場的以太網(wǎng)交換機,通過光纖通道傳輸?shù)娇刂浦行牡墓ぷ髡局小y溫系統(tǒng)云服務(wù)器也接入通信網(wǎng)絡(luò),將各ATE400的測溫數(shù)據(jù)上傳到云平臺,以供智能手機的APP使用。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 測溫系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

3.3無線測溫系統(tǒng)

無線測溫系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)IOT技術(shù)的應(yīng)用體現(xiàn)之一，圖3為系統(tǒng)部分功能截圖。IOT由IT信息技術(shù)和OT運營技術(shù)深度融合,能夠極大的改造電力設(shè)備,實現(xiàn)過程和能源的優(yōu)化。本項目中,通過測溫系統(tǒng)應(yīng)用,會將變配電站內(nèi)安裝ATE400溫度傳感器的開柜溫度數(shù)據(jù)進行處理,為配電設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)視、運行維護作業(yè)管理和設(shè)備資產(chǎn)管理提供“互聯(lián)網(wǎng)+"靈活應(yīng)用方案。而且,測溫系統(tǒng)可以提供報警管理,可以根據(jù)嚴重程度區(qū)分不同等級的報警,并通過短信通知用戶,讓用戶在短時間獲取報警信息,并可以通過手機APP 確認和記錄報警事件,篩選和導(dǎo)出報警信息,形成專門的報告,預(yù)防事故及故障的發(fā)生。 除了智能手機端顯示溫度及提供報警之外,測溫系統(tǒng)還可提供資產(chǎn)快查及工單派工的功能,提高用戶的運維效率及智能化程度。

圖3 無線測溫系統(tǒng)溫度顯示、報表及曲線等界面

4 結(jié)語 

無線測溫系統(tǒng)在鞍山鋼鐵的智能化測溫改造及應(yīng)用,提供溫度異常告警、實時設(shè)備溫度采集、周期性溫度監(jiān)測及報表、設(shè)備狀態(tài)評估等功能,能減少及避免重大因溫度導(dǎo)致故障的發(fā)生。系統(tǒng)運用效果良好,大量減少了運維及管理人員的工作量,提高了檢修操作的精準度。其次,隨著技術(shù)的發(fā)展和其它傳感器的應(yīng)用,從不同角度獲得關(guān)鍵設(shè)備及系統(tǒng)的數(shù)據(jù),更客觀地進行設(shè)備及系統(tǒng)監(jiān)測,作為下步研究工作方向之一。而且,智能化、萬物互聯(lián)等新技術(shù)的應(yīng)用,會對運維人員的能力及習(xí)慣提出更高的要求,智能化系統(tǒng)需要進一步提高用戶的實際體驗,開發(fā)更多更貼近用戶的功能,比如資產(chǎn)管理、工單處理、故障排除等,得到更多的應(yīng)用。

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