基于无线传感的电力系统温度自动监测

韩慕尧

（三峡大学，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

近年来，电力系统趋向大规模、自动化以及超高压模式，是一个国家社会进步和科技发展的显著标志，代表着国家经济的高度发展和人们物质水平的极大提升。电力系统包括发电场所和输电电路等，其中温度是衡量其运行的重要参数之一。电力系统运行中发生的异常温度变化可能随时危害电力的安全生产、运输及分配工作，因此及时获取电力系统各环节温度数据和温度异常警报对于约束恶性电力故障意义重大[1]。无线传感监测技术通过布局多个温度传感器形成无线传感温度采集网络，以无线网络为介质将采集的温度数据传输到计算机控制端进行数据处理，以可视化方式集中显示。若温度不符合标准温度区间，控制端立即发出温度异常警报通知维修人员及时查看变压器运行状态[2]。无线传感技术优势是节点能耗低、数据传输效率高以及准确度良好，利于及时定位变压器温度故障位置信息。为此，本次研究以电力系统中的变压器设备为例进行温度自动监测技术研究，利用无线传感技术设计一套低功耗和高传输性的温度采集方案，为实现社会电力安全传输和避免国家经济损失提供保障。

1 基于ZigBee无线传感的电力系统温度自动监测技术

1.1 ZigBee无线传感测温系统设计

图1为基于ZigBee技术设计的无线传感测温系统总体框图，系统主要包括电源模块、温度控制中心以及ZigBee无线温度传感网络3部分。

图1 ZigBee无线温度传感网络系统布局

1.1.1 电源模块

电源模块作为ZigBee无线温度传感网络中传感器节点与通信模块的能量来源，使用V21B压电式微能量采集器向系统提供电源能量。采集器采集环境中振动信号产生机械能，基于压电原理将机械能转化为电能使用，实现电源模块自动充电[3]。基于V21B微能量采集器设计的电源模块具有可靠性极强、灵敏度优、生命周期较长以及占用空间较少的优势，是无线传感系统供电的有利之选。

1.1.2 温度控制中心

温度控制中心是系统的核心部分，包括数据处理模块、数据库服务器以及数据查询模块等。自动实时监控模块的功能是监测传感器节点的状态信息，及时了解工作中和待命中传感器的状态参数，以便切换其工作状态[4]。控制中心的主要功能是将采集的数据进行集中处理，一方面存储在数据库，作为用户查询与维修工作的依据，另一方面作为变压器温度实时监测的制定依据，完成变压器温度数据的接收、处理、显示、存储、整合以及分析。

1.1.3 ZigBee无线温度传感网络

系统将MPU6050传感器作为温度测量设备，使用ZigBee通信技术进行无线温度传感。MPU6050传感器与ZigBee通信技术联合作用组成终端温度采集节点，布局在电力系统变压器周围实时采集温度数据[5]。此外，系统数据通信网络介质为GPRS网络。GPRS可以远距离传输温度数据，向数据控制端发送数据包。

1.2 自适应自动温度采样技术设计

在ZigBee无线温度传感网络系统中，消耗能量最多的是温度采集与温度数据通信两个环节。为了节约无线传感节点能量消耗，有必要减少不必要的数据传输，避免发生电能供应不足导致的温度采集中断，从而稳定电力系统变压器的温度采集工作。针对这一情况，参考张永超等人的研究，基于自适应采集策略减少变压器温度采集频率[6]。该策略以变压器温度变化情况自适应调整温度数据采集和发送的频次，减少数据丢失几率。

自适应自动测温策略设计如下。以变压器的温度数据为依据调节数据采样频次，此处设置一个温度阈值t，如果连续两次温度数据采样的差超过t值，则传感器节点执行向控制端无线发送温度数据的命令，反之无需发送。利用公式描述上述关系，定义采样周期为n，相邻两次采样的温度数据表示为Tn和Tn+1，那么传感器节点向温度数据处理模块发送数据的前提是Tn满足式（1）：

可见，传感器节点向控制中心发送变压器温度数据的频次由阈值t与温度差值间的关系决定。因为微弱的温度变化很难引起较大的变压器状态波动，所以该策略保障温度数据变化较小的情况下可以忽略第二次温度数据发送，减少节点发送数据的能量消耗。

当多次连续温度采样值的差值均在阈值t以下时，也就是较长时间内当前采样值与上一次发送温度数据均小于阈值，此时定义Hn为较长时间内无发送数据的第n次采样值，并将Hn发送到温度数据处理模块作为变压器温度监控的参考依据。综上可知，自适应自动温度采样技术可以减少冗余采样信息发送，同时科学依据变压器温度变化情况定义采样的频次与时间间隔，满足了低功耗电力系统温度监测系统的设计需求。

1.3 基于LabVIEW的温度数据存储与显示

LabVIEW是一种图形化编辑语言。本次电力变压器温度无线传感系统基于LabVIEW构思显示界面，设计数据分析与显示界面。利用LabVIEW软件作为数据存储和显示设计程序，主要实现了以下功能。

1.3.1 温度数据自动存储功能

电力系统变压器温度监测不仅要发现异常温度数据了解设备故障，更要掌握一段时间内变压器的温度变化情况，通过数据挖掘发现设备发生温度异常故障的原因，因此长时间内精准记录变压器的温度数据尤为关键。LabVIEW软件集成了专业化的数据记录控件，为温度监测系统编写个性化的驱动程序，自动化记录各个时期的变压器温度数据，相比人工记录提高了温度数据存储的安全系数[7]。

1.3.2 温度数据显示功能

以油浸式变压器为例，LabVIEW控制中心软件可以同时呈现变压器上部油温与下部油温，如图2所示。界面右端布局了一些常用的温度监测应用功能，如开始/终止监测、读取数据、打印曲线报表以及获取节点状态信息等指令[8]。当变压器出现高温或者低温异常时，系统会自动发出警报，同时对应的指示灯亮起。

图2 变压器温度显示界面

1.3.3 可视化温度报表打印功能

LabVIEW集成了打印程序设计功能，赋予了监测系统打印温度监测曲线的功能。打印机等硬件设备与打印程序连接成功后，即可执行打印命令。用户进入打印页面选择正确的报表类型，创建新的报表，然后确定报表打印的日期区间，核对单位名称等信息获得对应的曲线图像，将其添加至打印列表完成打印。

2 测试与分析

为了测试本文提出的无线传感温度监测方法的有效性，以电力系统油浸式变压器为监测对象搭建无线传感监测实验环境。实验采用的无线温度传感采集系统如图1所示。

2.1 温度监测精度分析

实验连续监测24 h内变压器上层油温变化情况，每隔一定时间人为测量上层油温。3人对人工测量数据进行反复确认，保障测量数据的精准度，并将此数据作为真实上层油温数据与本文方法测量的数据进行对比，结果如图3所示。

图3 变压器油温监测结果对比

图3记录了每隔4 h的温度数据采集情况，每个时间节点上温度采集数值基本一致，最大差值不超过1 C°，从而证明本文方法采集电力变压器温度的可靠性较强，可以作为有效温度数据使用。

2.2 温度监测数据传输量分析

本文方法应用自适应温度采样策略采集电力变压器的温度数据，为突出本文方法节约数据传输量的优越性，同时采用不增加自适应采集策略的测温方法进行对比测试。记录两种方法在8 h内传输数据包情况，结果如表1所示。

表1 两种方法数据传输量对比

表1数据显示，2:00—3:00自适应测样策略自动传输的数据包为14组，而固定模式策略传输了25组数据包。随着采样时间的增加，固定模式策略发送数据包的总量远远超出自适应测样策略。可见，本文方法应用自适应测样策略获取电力变压器温度信息，有效节约了数据包发送次数，减少了系统传输数据的能量消耗，实现了低功耗温度采集。

4 结 论

本文以无线传感技术为核心设计了低功耗电力变压器温度采集方案，具有两点优势。一是采用ZigBee无线传感技术构造无线测温系统，节约温度采集节点的能量消耗。二是基于自适应采用策略调整温度采集和数据发送的频次，减少冗余温度数据发送的次数，节约系统能量消耗。无线传感测温方法减少了布线测温的烦琐步骤，数据传输依靠网络介质完成。本文设计的无线测温系统在LabVIEW软件辅助下呈现了良好的数据显示界面体验感，并在系统测试环节验证了本文方法的可靠性，具有一定的市场应用价值。