浅谈关于物联网技术的水电厂电气开关柜测温系统设计应用及产品选型

摘要：针对洪江水电厂电气开关柜温度无法在线监测的问题,本文提出了一种基于物联网技术的水电厂开关柜温度测量系统。该系统部署简单高效，能快速采集设备温度数据，通过4G或者WiFi无线信号将数据送入物联网云平台，实现开关柜温度远程实时监测，为开关柜状态诊断提供决策依据。此外，该系统解决了人工巡检成本高、数据及时率低、作业风险高等难题，消除设备潜在的隐患，保障了水电厂设备的安全稳定运行，在水电场景中具有特定地应用价值，并为智能电厂运行维护提供可靠的解决方案。

关键词：物联网技术;云平台；无线信号

0引言

洪江水力发电厂为灯泡贯流式机组,位于湖南省怀化市洪江区上游，在沅水干流的中上游河段, 是沅水干流开发规划中的重要梯级工程。电厂共装机6台单机45 MW的水轮发电机组，总装机容量270 MW,年设计发电量为10.17亿kW・h,是一座具有发电、航运、灌溉、供水等综合利用效益的水电厂。

本文基于洪江水电厂开关柜设备的实际测温需求，探索独立于传统温度采集系统之外的测温方案，提出一种基于物联网技术的水电厂电气开关柜温度测量系统。该系统在电厂开关柜中实施并成功应用,包括厂用配电系统开关柜和抽屉柜、高压断路器等设备，取得良好的实践，实现了温度在移动APP与WEB应用端在线监测，减少了重要电气设备运行风险，提高了安全运行指数。

1概述

电力行业经常发生因电力电缆和设备过热而引起的火灾事件，导致大面积的电缆烧损和设备损坏而被迫停机,短时间内无法恢复生产,从而造成重大经济损失。据国家电力安全事故通报统计,每年发生在电站的电力事故中40%是由电气设备过热所致铁各电厂高低压设备连接部位如母线连接点、开关、断路器动触头等由于气候冷热变化、材料老化、锈蚀、松动等原因易造成接触不良、接触电阻增大，长期运行造成的断路器触头过热、绝缘烧穿、设备起火。为了消除安全隐患,提高设备使用性能，因此开展基于物联网的电气开关柜远程监测与应用设计，解决电厂巡检人员作业风险大、数据共享难等问题，实现温度远程在线监测功能，进一步提高设备运行的可靠性和安全性。

2系统技术架构

系统技术架构由温度传感器及温度汇聚主机、智能网关RTU、物联网云平台、移动APP端和WEB应用端五大模块组成,利用物联网技术实现数据采集、汇聚、上传、存储、应用五大功能。其中智能网关RTU和物联网云平台为本系统的两大核心模块，该智能网关具有多种采集接口、兼顾常用的工业通信协议,具有较高的数据采集及运算能力铁系统技术架构图如图1所示。

图1系统技术架构图

2.1温度传感器

根据电气柜设备的结构和测量方式，本系统的温度传感器由接触式传感器和非接触式传感器组成。其中厂用配电系统抽屉柜采用非接触式红外温度传感器,将测温铜箔贴片粘贴在抽屉柜的三相触头上，安装红外传感器IR52读取铜箔温度，因为铜箔导热性好、耐热性强。因此温度读取速度快、准确率高。数据汇聚后统一发送到MT562测温主机中，对外以RS485接口进行数据传输，红外传感器的安装示意如图2所示

图2 红外温度传感器安装示意图

针对厂用配电系统开关柜进出线铜排和母排电缆接线端的温度监测，由于开关柜断路器铜排宽度达5cm,运行电流大,因此选用接触式无线无源温度传感器WT01,该传感器体积小、安装方便、组网灵活可靠,并且通过开关柜铜排的运行电流自感应取电。因此解决了传统温度传感器需更换电池的痛点，降低了作业风险和运维成本。WT01温度传感器通过无线射频（Zigbee协议）将数据发送至温度汇聚主机，汇聚主机使用MT565进行数据采集，并提供RS485接口进行数据通信,无线传感器的安装示意如图3所示。

图3 无线测温传感器安装示意图

2.2智能网关RTU

本系统采用自研的电力智能网关RTU,该网关装置具有多种数据接入方式，兼容modbusRTU、modbusTCP等主流通信协议,并支持有线接入和无线接入方式，能实现局部区域内大量传感器或智能终端数据采集。网关内置4G与WIFI无线信号信模块,能实现现场端设备与远方物联网云平台的数据通信和信息互联。将网关RTU与温度主机连接,采用标准的modbusRTU通信协议，能快速便捷地对电气开关柜的温度进行采集。以无线网络为传输载

体，根据温度标准物模型将数据进行封装,包括属性、事件、服务，采用MQTT通讯协议将数据发送至物联网云平台，云平台接受数据后自动解析,实现数据一体化采集、存储、传输及解析。

2.3物联网云平台

物联网云平台是物联网生态系统中重要部分，通过多种的网络连接手段将设备状态信息与互联网连通，实现对设备智能化感知、识别和管理，是各类设备连接到场景应用的关键“桥梁”。本系统物联网云平台负责接收网关RTU上报的温度数据、并向网关RTU下发指令，实现数据进行读取、计算和显示。除此之外,云平台对网关设备进行统一认证和管理，提供可视化的安全管理。接入云平台的温度数据统一进行编码和治理,为移动APP端和WEB应用端提供数据服务。

2.4移动APP端和WEB应用端

移动APP端和WEB应用端是基于物联网云平台进行开发,通过调用云平台存储的温度数据,将数据呈现给用户，实现数据的可视化应用。应用端主要包括温度综合展示、趋势预警、越限告警、报表导出等功能模块，实现对电气开关柜状态的综合显示及智能预警,保障设备安全运行。

3系统总体架构

本系统总体架构按照纵向分层的原则开展整体建设，包括感知层、支撑层和应用层三个层次。感知层以洪江电厂现场电气柜温度监测为数据来源，包括各配电系统的开关柜铜排和抽屉柜触头温度。系统以物联网技术为传输手段,连接感知层和支撑层。支撑层主要由物联网平台组成，负责系统开发所需的关键资源与技术。物联网平台提供设备接入、设备管理、数据解析等服务，并提供数据存储和数据治理等功能，同时为其他系统数据调用提供支撑。应用层实现对洪江电厂电气柜温度监测可视化展示与应用，涵盖了 WEB应用与移动APP两个部分。系统总体架构图如图4所示。

图4 系统总体架构图

4系统功能架构

本系统功能架构根据电厂电气柜实际业务需求进行设计，系统功能包括区域温度综合展示、趋势预警、越限告警、报表导出四大模块。

温度综合展示模块实现对监测设备及监测情况的统一概览，包括开关柜位置、网关在线状态、温度数值、实时统计等功能,以图表的方式对监测区域、监测点位、监测时长、监测类型等信息进行综合展示；以区域为划分,实时显示该区域内温度,实时统计可对当前设备在线数量、预警、告警等情况进行展示。

趋势预警模块对周期内温度发展趋势进行分析预警,包括状态曲线、状态分析、趋势预警等功能,状态曲线可根据不同周期对温度信息进行可视化展示,状态分析可结合实时/历史数据进行均值、极值、方差等计算分析，趋势预警可根据监测值的异常变动进行实时预警。

越限告警模块对温度越限进行多路径告警，包括越限弹窗、消息推送、短信提醒等功能，越限弹窗指当温度超过预设范围时，系统通过强制弹窗以醒目的方式在前端进行警报。

报表导出模块用于实现电厂运行人员制定日常报表,包括报表生成、定时任务、数据分析等功能。报表生成通过自主组合设备点位和监测属性进行报表自动导出;定时任务可通过设置时间实现报表导出功能，数据分析可根据周期内监测情况对区域状态进行评估。系统功能架构图如图5所示。

图5 系统功能架构图

5系统应用

利用电气开关柜检修间隙安装测温传感器和智能网关RTU,在厂用配电系统开关柜实行挂网试点。每个开关柜A、B、C三相电缆触头分布安装3个红外测温传感器和1个温度汇聚主机，每段母线安装2个智能网关RTU采集终端，传感器与温度汇聚主机采用Zigbee协议自组网通信,温度汇聚主机与网关RTU采集终端之间采用RS485总线连接, 数据经网关RTU采集终端传输到物联网云平台，基于云平台开展APP应用功能开发，整体系统架构如图1所示。经过一个月的系统试运行，测温数据传输稳定，告警及时有效,并在APP上准确显示,实现对开关柜测温数据远程监测，减少设备运维工作量。图6为2D7-Q5开关柜三相触头1个月内温度曲线图，图7为APP端开关柜实时数据显示页面。

图6 2D7-Q5开关柜温度监测曲线图

图7 APP端开关柜实时数据显示页面

6安科瑞温度在线监测系统解决方案

6.1概述

电气接点在线测温装置适用于高低压开关柜内电缆接头、断路器触头、刀闸开关、高压电缆中间头、干式变压器、低压大电流等设备的温度监测，防止在运行过程中因氧化、松动、灰尘等因素造成接点接触电阻过大而发热成为安全隐患，提高设备安全保障，及时、持续、准确反映设备运行状态，降低设备事故率。

Acrel-2000T无线测温监控系统通过RS485总线或以太网与间隔层的设备直接进行通讯，系统设计遵循国际标准Modbus-RTU、Modbus-TCP等传输规约，安全性、可靠性和开放性都得到了较大地提高。该系统具有遥信、遥测、遥控、遥调、遥设、事件报警、曲线、棒图、报表和用户管理功能，可以监控无线测温系统的设备运行状况，实现快速报警响应，预防严重故障发生。

6.2应用场所

适合在泛在电力物联网、钢厂、化工、水泥、数据中心、医院、机场、电厂、煤矿等厂矿企业、变配电所等电力设备的温度监测。

6.3系统结构

温度在线监测系统结构图

6.4系统功能

测温系统主机Acrel-2000T安装于值班监控室，可以远程监视系统内所有开关设备运行温度状态。系统具有以下主要功能：

温度显示：显示配电系统内每个测温点的实时值，也可实现电脑WEB/手机APP远程查看数据。

温度曲线：查看每个测温点的温度趋势曲线。

运行报表：查询及打印各测温点时间的温度数据。

实时告警：系统能够对各测温点异常温度发出告警。系统具有实时语音报警功能，能够对所有事件发出语音告警，告警方式有弹窗、语音告警等，还可以短信/APP推送告警消息，及时提醒值班人员。

历史事件查询：能够温度越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析等。

6.5系统硬件配置

温度在线监测系统主要由设备层的温度传感器和温度采集/显示单元，通讯层的边缘计算网关以及站控层的测温系统主机组成，实现变配电系统关键电气部位的温度在线监测。

名称	外形	型号	参数说明
系统组态软件		Acrel-2000/T	硬件：内存4G，硬盘500G，以太网口。 显示器：21寸，分辨率1280*1024。 操作系统：Windows764位简体中文旗舰版。 数据库系统：MicrosoftSQLServer2008R2。 通讯协议：IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、ModbusRTU、ModbusTCP等国际标准通信规约
智能通信 管理机		Anet-2E4SM	通用网关，2路网口，4路RS485，可选配1路LORA，带电告警功能，支持485，4G从模块扩展。
无线测温集中采集设备		Acrel-2000T/A	壁挂式安装 标配一路485接口、一路以太网口 自带蜂鸣器告警 柜体尺寸480*420*200（单位mm）
	Acrel-2000T/B	硬件：内存4G，硬盘128G，以太网口 显示器：12寸，分辨率800*600 操作系统：Windows7 数据库系统：MicrosoftSQLServer2008R2 可选Web平台/APP服务器 柜体尺寸为480*420*200（单位mm)
显示终端		ATP007 ATP010	DC24V供电；一路上行RS485接口；一路下行RS485接口；可接收20个ATC200/1个ATC400/1个ATC450-C。
	ARTM-Pn	面框96*96*17mm，深度65mm；开孔92*92mm； AC85-265V或DC100-300V供电； 一路上行RS485接口，Modbus协议； 可接收60个ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。
	ASD320 ASD300	面框237.5*177.5*15.3mm，深度67mm；开孔220*165mm； AC85-265V或DC100-300V供电； 一路上行RS485接口，Modbus协议； 可接收12个ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。
智能温度 巡检仪		ARTM-8	开孔88*88mm嵌入式按照； AC85-265V或DC100-300V供电； 一路上行RS485接口，Modbus协议； 可接入8路PT100传感器，适用于低压开关柜电气接点、变压器绕组、点击绕组等场合的测温；
	ARTM-24	35MM导轨安装； AC85-265V或DC100-300V供电； 一路上行RS485接口，Modbus协议； 24路NTC或PT100、1路温湿度测温、2路继电器告警输出，用于低压电气接点、变压器绕组、点击绕组等场所测温；
无线收发器		ATC450-C	可接收60个ATE100/ATE100M/ATE200/ATC400/ATE100P/ATE200P传感器数据。
	ATC600	ATC600有两种规格；ATC600-C可接收240个ATE100/ATE100M/ATE200/ATC400/ATE100P/ATE200P传感器数据。ATC600-Z做中继透传。
电池型无线测温传感器		ATE100M	电池供电，寿命≥5年；-50℃~+125℃； 精度±1℃；470MHz，空旷距离150米； 32.4*32.4*16mm(长*宽*高)。
	ATE200	电池供电，寿命≥5年；-50℃~+125℃； 精度±1℃；470MHz，空旷距离150米； 35*35*17mm，L=330mm(长*宽*高，三色表带)。
	ATE200P	电池供电，寿命≥5年；-50℃~+125℃； 精度±1℃；470MHz，空旷距离150米,防护等级IP68；35*35*17mm，L=330mm(长*宽*高，三色表带)。
CT取电型无线测温传感器		ATE400	CT感应取电，启动电流≥5a； -50℃~125℃；精度±1℃470MHz，空旷距离150米； 合金片固定、取电；三色外壳；25.82*20.42*12.8mm(长*宽*高)。
有线温度 传感器		PT100	用于低压接点测温时，具体封装、精度、线制、线材、线长与供应商联系； 用于变压器、电机绕组测温时，建议变压器或电机内部预埋好Pt100
	NTC	用于低压接点测温时，具体封装、精度、线制、线材、线长与供应商联系；

7安科瑞AMB300系列母线槽红外测温解决方案

安科瑞AMB300系列母线槽红外测温解决方案，这是一款非接触式红外测温装置，能够解决母线槽温升过高的问题，实时把连接器中每相温度数据上传后台，提示管理人员应对报警点予以重视或采取必要的预防措施。

此母线槽红外测温解决方案由人机HMI触摸屏，红外测温模块，红外采集器，电源模块组成。该系统通过RS485线与本地触摸屏和后台监控进行通信（如下图），系统设计遵循际标准Modbus-RTU传输规约，安全性、可靠性和开放性都得到了很大地提高。RS-485作为一种串行通信的接口具有传输距离长、速度较高、电平兼容性好、使用灵活方便、成本低廉和可靠度高等特点，与无线通信方式相比，具有价格低、抗共模干扰能力强等优点。

AMB300红外测温组网示意图

AMB300红外测温系统拓扑图

AMB300红外测温原理示意图

AMB300-D4 AMB300-D1 AMB300-Z

AMB300红外测温管理软件界面

安科瑞系统平台界面

8结论

本文针对洪江水电厂电气开关柜温度在线监测需求问题，设计了一种基于物联网的水电厂开关柜温度监测系统，实现了对电厂配电系统电气开关柜的温度快速采集，并在APP应用端实时监测。该系统采用物联网技术开展数据采集、传输和计算，大大地减少了现场施工量及人工成本，快速实现了开关柜测温系统建设和应用,为开关柜智能诊断提供决策基础。因此该系统在技术和功能上设计完整、适用性强，提升了水电厂设备安全管理水平，具有较高的推广价值。

参考文献：

[1] 康志远，李杰林，罗立军，吴 杰，邓 耀，马腾飞.基于物联网技术的水电厂电气开关柜测温系统设计.

[2] 蒋羽鹏.基于红外测温技术的开关柜温度在线监测系统[J]，电力设备管理,2021⑼：87-89.

[3] 李徽胜，罗惠雄，刘佳.基于物联网技术的无线测温系统设计[J].自动化技术与应用,2022,41(5)：103-106.

[4] 崔士刚，郝建国，刘忠洋.开关柜无线测温技术研制与应用[J].数字通信世界,2022⑷：96-98.

[5] 安科瑞企业微电网设计与应用手册2022年05版.

审核编辑 黄宇