淺談無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)在電廠的研究和應(yīng)用 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
閱讀: 時(shí)間:2023/09/25 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
摘要:采集關(guān)鍵電力設(shè)備接電的實(shí)時(shí)溫度,克服有線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的諸如線路多,布線復(fù)雜,維護(hù)困難等不足,將無(wú)線無(wú)源傳感器與Zigbee無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合,將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)云端與電力自動(dòng)化 技術(shù)相結(jié)合,云邊協(xié)同,實(shí)現(xiàn)智能化無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)方案。無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,擴(kuò)展性好,布點(diǎn)靈活等特點(diǎn),可以結(jié)合行業(yè)深層需求及其他技術(shù),進(jìn)一步在電廠推廣應(yīng)用。 關(guān)鍵詞:無(wú)線測(cè)溫;Zigbee;物聯(lián)網(wǎng);云端;無(wú)線無(wú)源傳感器 0引言 發(fā)電行業(yè)是個(gè)龐大復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng),大量使用中低壓開(kāi)關(guān)柜、高壓電動(dòng)機(jī)、變壓器等電氣設(shè)備,對(duì)自動(dòng)化程度和連續(xù)生產(chǎn)的高要求,不僅對(duì)其供電可靠性要求越來(lái)越高,而且對(duì)發(fā)電行業(yè)系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵的配電及高壓電動(dòng)機(jī)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(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中,電氣一次模塊觸點(diǎn)和連接等部位因老化或接觸電阻過(guò)大而發(fā)熱,進(jìn)而導(dǎo)致接頭異常升溫甚至引發(fā)燃爆事故。電廠電氣設(shè)備安裝密集,電動(dòng)機(jī)也都是各工藝段的關(guān)鍵設(shè)備,此類設(shè)備損壞及引起的事故可能會(huì)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(jì)損失。 近年來(lái),傳感器及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),設(shè)備的在線監(jiān)測(cè),及大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的快速發(fā)展,結(jié)合發(fā)電行業(yè)的特點(diǎn)及需求,新技術(shù)的研究與應(yīng)用對(duì)解決此類問(wèn)題提供了新的方案 1關(guān)鍵新技術(shù)的研究 針對(duì)上述提出的問(wèn)題,結(jié)合溫度傳感器,Zig- bee 無(wú)線傳輸,云應(yīng)用及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)現(xiàn)狀,提出了多種新技術(shù)的解決方案,并結(jié)合實(shí)際需求提出應(yīng)用方案。 1.1溫度傳感器選擇 傳統(tǒng)的測(cè)溫方法包括通過(guò)熱電偶、熱電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器等測(cè)溫,溫度傳感器與測(cè)溫儀之間采用金屬導(dǎo)線傳輸溫度信號(hào)。由于溫度傳感器直接安裝于高壓接點(diǎn)、觸點(diǎn)上,其傳輸溫度信號(hào)的金屬導(dǎo)線的絕緣性能無(wú)法保證,同時(shí),對(duì)于改造類項(xiàng)目,實(shí)施難度較大。目前無(wú)線測(cè)溫方法包括感應(yīng)供電無(wú)線測(cè)溫、CT取電測(cè)溫、電池供電無(wú)線測(cè)溫方式及紅外在線測(cè)溫方式。各無(wú)線測(cè)溫技術(shù)性能比較如表1所示。
相比其他測(cè)溫方式,感應(yīng)供電測(cè)溫具有測(cè)溫速度快,周期短,免維護(hù),使用壽命長(zhǎng),故障率低等特點(diǎn)。 1.2無(wú)線傳輸技術(shù)選用 無(wú)線通信是利用電磁波信號(hào)在自由空間中傳播的特性進(jìn)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(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)有Zigbee,藍(lán)牙(Bluetooth)、無(wú)線寬帶(Wi-Fi)、寬帶(UWB)和近場(chǎng)通信(NFC)。 其中,Zigbee技術(shù)是一種具有低速率、近距離、低功耗、低復(fù)雜度、通信可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)的無(wú)線通信技術(shù)。Zigbee協(xié)議由IEEE802.15.4任務(wù)小組與Zigbee聯(lián)盟共同制定,其PHY層和MAC層采用IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),網(wǎng)絡(luò)層由Zigbee聯(lián)盟制定,應(yīng)用層則允許根據(jù)用戶的應(yīng)用需求進(jìn)行開(kāi)發(fā)。 Zigbee有三個(gè)工作頻段,本項(xiàng)目采用的無(wú)源測(cè)溫傳感器采用2.4 GHz頻段,該頻段的數(shù)據(jù)傳輸速率為250 Kbps,其分為16個(gè)信道,目前為全球通用,且免申請(qǐng)免付費(fèi)。在通信上,采用免沖突多載波信道接入(CSMA-CA)方式,有效避免了無(wú)線電載波間的沖突,并采用密鑰長(zhǎng)度為128位的加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密,確保了通信數(shù)據(jù)的安全保密性。并且,Zigbee設(shè)備能耗低,發(fā)射輸出為0~3.6 dBm[3IoZigbee支持星形和網(wǎng)格對(duì)等兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。實(shí)際應(yīng)用可將兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合,使用混合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),簇樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),其網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示。
簇樹狀網(wǎng)絡(luò)中,采用分布式地址分配方案來(lái)分配網(wǎng)絡(luò)地址,即為每一個(gè)父設(shè)備分配一個(gè)有限的網(wǎng)絡(luò)地址段,并由父設(shè)備分配給其自身。對(duì)于給定深度的節(jié)點(diǎn),作為父設(shè)備所能分配的自區(qū)段地址數(shù)為Cskip(d),計(jì)算公式為
利用Cskip(d)作為偏移,向子設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址。父設(shè)備為它的*個(gè)子簇頭設(shè)備分配一個(gè)比自己大1的地址,隨后分配給子簇頭設(shè)備的地址將以Cskip(d)為間隔,以此類推為所有的子簇頭分配地址。 1.3移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與云技術(shù)選用 傳統(tǒng)的系統(tǒng)監(jiān)控及運(yùn)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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及智能手機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用,通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)到的關(guān)鍵設(shè)備的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)也可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)方云服務(wù)器,特別是對(duì)于區(qū)域廣,布線困難的區(qū)段,數(shù)據(jù)的獲取將會(huì)變得更加方便和容易。其二,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(chǔ),成本更低,可靠性更高,供不同用戶使用更方便。其三,通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆品?wù)器的數(shù)據(jù),可以通過(guò)智能手機(jī)的APP顯示出來(lái),并通過(guò)不同的功能模塊定制 化實(shí)現(xiàn)。其四,根據(jù)不同用戶的需求和設(shè)備使用情況,可以對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)按照既定算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,及早通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)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。 2具體應(yīng)用方案 常見(jiàn)的兩臺(tái)60 MW或者100 MW機(jī)組的火電廠,一般使用數(shù)百臺(tái)中低壓開(kāi)關(guān)柜及使用大量的輔機(jī)電動(dòng)機(jī),對(duì)開(kāi)關(guān)柜及高壓電動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部位進(jìn)行智能測(cè)溫改造。經(jīng)過(guò)技術(shù)對(duì)比,使用無(wú)線無(wú)源“溫度傳感器+Zigbee”溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng),準(zhǔn)確地采集關(guān)鍵設(shè)備及設(shè)備關(guān)鍵部位的溫度信號(hào),通過(guò)智能網(wǎng)關(guān),可以接入既有的光纖通信網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)共享,通過(guò)控制中心的無(wú)線測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),溫部位及設(shè)備定位,溫報(bào)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(xiǎn)。并且,依靠云服務(wù)及邊緣系統(tǒng)的云邊協(xié)同,實(shí)現(xiàn)了測(cè)溫信號(hào)的移動(dòng)運(yùn)維,不僅可以通過(guò)智能*測(cè)到關(guān)鍵設(shè)備的溫度信號(hào),并能 在溫時(shí)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào),及時(shí)推送到具體負(fù)責(zé) 人員的智能手機(jī)終端,實(shí)現(xiàn)高效的問(wèn)題處理,較大地降低配電柜設(shè)備事故風(fēng)險(xiǎn),保證供電可靠性、生產(chǎn)連續(xù)性及安全生產(chǎn)。初設(shè)應(yīng)用方案的基本架構(gòu)如圖2所示。
2.1無(wú)線無(wú)源“溫度傳感器+Zigbee” 經(jīng)過(guò)技術(shù)對(duì)比,選定Easergy TH110溫度傳感器,其主要性能參數(shù)如表2所示。
Easergy TH110自供電基于網(wǎng)絡(luò)電流,與測(cè)量點(diǎn)直接接觸可以確保高性能的、準(zhǔn)確的溫度監(jiān)測(cè)。并且,TH110非常小巧不占用空間,便于安裝調(diào)試及后期維護(hù)。 TH110采用Zigbee節(jié)能型通信協(xié)議,Easergy TH110確保有可靠和強(qiáng)大的通信能力,可以用來(lái)創(chuàng)建共享的操作解決方案的圖片及在項(xiàng)目應(yīng)用中的場(chǎng)景如圖3所示。
建議比較重要的工藝段相關(guān)配電室開(kāi)關(guān)柜及高壓電動(dòng)機(jī)都安裝TH110的溫度傳感器,包括各類水泵、風(fēng)機(jī)、漿液循環(huán)泵、氧化風(fēng)機(jī)等區(qū)間。 2.2測(cè)溫系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì) 由于測(cè)溫傳感器分布區(qū)域廣,數(shù)量多,測(cè)溫系統(tǒng)架構(gòu)采用以太網(wǎng)作為主要架構(gòu),并可使用既有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,節(jié)省成本及較大地降低施工難度。 ——現(xiàn)場(chǎng)的各TH110溫度傳感器通過(guò)Zigbee協(xié)議無(wú)線傳輸?shù)綔囟冉邮昭b置。 ——溫度接收裝置通過(guò)Modbus RTU通信協(xié)議將溫度信號(hào)傳輸?shù)礁鱾€(gè)現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)將協(xié)議轉(zhuǎn)換為Modbus TCP規(guī)約,并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)的以太網(wǎng)交換機(jī),通過(guò)光纖通道傳輸?shù)娇刂浦行牡墓ぷ髡局小? ——現(xiàn)場(chǎng)的千里眼服務(wù)器也接入通信網(wǎng)絡(luò),將各TH110的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)上傳到云平臺(tái),以供智能手機(jī)的千里眼APP使用。 2.3測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)SCADA的設(shè)計(jì) 測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)SCADA操作員工作站可以置于控制中心內(nèi),通過(guò)既有網(wǎng)絡(luò)由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫接收裝置上傳的溫度數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)工作站可以通過(guò)簡(jiǎn)潔明了的—次系統(tǒng),清晰地顯示各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù),及各個(gè)區(qū)間的具體架構(gòu)。所有區(qū)間測(cè)溫傳感器的歷史數(shù)據(jù)都可以通過(guò)SCADA系統(tǒng)顯示出來(lái),便于用戶與常規(guī)溫度數(shù)據(jù)相比較。當(dāng)傳感器測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)高于設(shè)定的報(bào)警值,SCADA系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警指示給操作員,并可以定位到具體的設(shè)備及安裝部位, 方便工程師去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行查看及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,消除潛在故障的風(fēng)險(xiǎn)。 2.4云平臺(tái)“千里眼”系統(tǒng)的應(yīng)用 IOT由IT信息技術(shù)和OT運(yùn)營(yíng)技術(shù)深度融合,千里眼APP系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)QT技術(shù)的應(yīng)用體現(xiàn)。圖4為千里眼APP在其他行業(yè)的應(yīng)用截圖。
設(shè)計(jì)方案中,通過(guò)既有電力設(shè)備關(guān)鍵部位加裝測(cè)溫傳感器,獨(dú)立測(cè)溫SCADA系統(tǒng)及千里眼APP 云邊端協(xié)同應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步透明化,并提高系統(tǒng)管理水平。將電廠內(nèi)各安裝TH110溫度傳感器的開(kāi)關(guān)柜、變壓器及高壓電動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部位的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,為配電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān) 視、運(yùn)行維護(hù)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,千里眼可以提供報(bào)警管理,可以根據(jù)嚴(yán)重程度區(qū)分不同等級(jí)的報(bào)警,并通過(guò)短信通知用戶,讓用戶在獲取報(bào)警信息,并可以通過(guò)手機(jī)APP確認(rèn)和記錄報(bào)警事件,篩 選和導(dǎo)出報(bào)警信息,形成專門的報(bào)告,預(yù)防事故及故障的發(fā)生。除了智能手機(jī)端顯示溫度型號(hào)及提供報(bào)警之外,千里眼還可提供資產(chǎn)快查及工單派工的功能,提高用戶的運(yùn)維效率及智能化程度。其他行業(yè)的試點(diǎn)應(yīng)用,監(jiān)測(cè)到了數(shù)次設(shè)備的異常溫度信號(hào),并且及時(shí)檢修維護(hù),*避免了重大事故的發(fā)生。 3安科瑞溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述 電氣接點(diǎn)在線測(cè)溫裝置適用于高低壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)電纜接頭、斷路器觸頭、刀閘開(kāi)關(guān)、高壓電纜中間頭、干式變壓器、低壓大電流等設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè),防止在運(yùn)行過(guò)程中因氧化、松動(dòng)、灰塵等因素造成接點(diǎn)接觸 電阻過(guò)大而發(fā)熱成為安全隱患,提高設(shè)備安全保障,及時(shí)、持續(xù)、準(zhǔn)確反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),降低設(shè)備事故率。 Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)RS 485總線或以太網(wǎng)與間隔層的設(shè)備直接進(jìn)行通訊,系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU、Modbus-TCP等傳輸規(guī)約,安全性、可靠性和開(kāi)放性都得到了較大地提高。該系統(tǒng)具有遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)、遙設(shè)、事件報(bào)警、曲線、棒圖、報(bào)表和用戶管理功能,可以監(jiān)控?zé)o線測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行狀況,實(shí)現(xiàn)快速報(bào)警響應(yīng),預(yù)防嚴(yán)重故障發(fā)生。 3.1應(yīng)用場(chǎng)所 適合在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)、鋼廠、化工、水泥、數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)、電廠、煤礦等廠礦企業(yè)、變配電所等電力設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)。 3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3.3系統(tǒng)功能 測(cè)溫系統(tǒng)主機(jī)Acrel-2000T安裝于值班監(jiān)控室,可以遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)所有開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行溫度狀態(tài)。系統(tǒng)具有以下主要功能: 3.3.1溫度顯示 顯示配電系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)時(shí)值,也可實(shí)現(xiàn)電腦WEB/手機(jī)APP遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)。
3.3.2溫度曲線 查看每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度趨勢(shì)曲線。
3.3.3運(yùn)行報(bào)表 查詢及打印各測(cè)溫點(diǎn)時(shí)間的溫度數(shù)據(jù)。
3.3.4實(shí)時(shí)告警 系統(tǒng)能夠?qū)Ω鳒y(cè)溫點(diǎn)異常溫度發(fā)出告警。系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)語(yǔ)音報(bào)警功能,能夠?qū)λ惺录l(fā)出語(yǔ)音告警,告警方式有彈窗、語(yǔ)音告警等,還可以短信/APP推送告警消息,及時(shí)提醒值班人員。
3.3.5歷史事件查詢 能夠溫度越限等事件記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和管理,方便用戶對(duì)系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯,查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析等。
3.4系統(tǒng)硬件配置 溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由設(shè)備層的溫度傳感器和溫度采集/顯示單元,通訊層的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)以及站控層的測(cè)溫系統(tǒng)主機(jī)組成,實(shí)現(xiàn)變配電系統(tǒng)關(guān)鍵電氣部位的溫度在線監(jiān)測(cè)。
4結(jié)及應(yīng)用 無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)在發(fā)電行業(yè)的應(yīng)用方案,配套管理系統(tǒng)及千里眼APP提供溫度異常告警、實(shí)時(shí)設(shè)備溫度采集、周期性溫度監(jiān)測(cè)及報(bào)表、設(shè)備狀態(tài)評(píng)估等功能,能減少及避免因溫度導(dǎo)致的重大故障的發(fā)生。其次,隨著技術(shù)的發(fā)展,其他傳感器的應(yīng)用,從不同角度獲得關(guān)鍵設(shè)備及系統(tǒng)的數(shù)據(jù),從而更客觀地進(jìn)行設(shè)備及系統(tǒng)監(jiān)測(cè),可以作為下步研究工作方向。而且,智能化、萬(wàn)物互聯(lián)等新技術(shù)的應(yīng)用, 會(huì)對(duì)運(yùn)維人員的能力及慣提出更高的要求,智能化系統(tǒng)需要進(jìn)一步提高用戶的實(shí)際體驗(yàn),開(kāi)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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