電力變壓器是電力系統(tǒng)中用以改變電壓的主要電氣設(shè)備，長期工作在高電壓、大電流、強(qiáng)磁場的環(huán)境中，使得熱量聚集。變壓器的溫升既影響帶負(fù)荷能力又影響使用年限，還會(huì)增加電力系統(tǒng)的損耗，如果散熱不良還會(huì)危及設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至?xí)斐晒收?。為了保證變壓器安全運(yùn)行，迫切需要能及時(shí)、準(zhǔn)確地判斷變壓器的運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)監(jiān)測變壓器的溫度變化，以及時(shí)采取適當(dāng)措施，保證變壓器安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。變壓器油溫度是變壓器安全運(yùn)行的重要指標(biāo)之一，按GB1094電力變壓器標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的油浸式電力變壓器，在GB/T15164—9d(油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則)中規(guī)定其熱點(diǎn)溫度基準(zhǔn)值98℃，即在此溫度下絕緣的相對老化率為1。在80～140℃范圍內(nèi)，溫度每增加6K，老化率就增加1倍。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)是由許許多多功能相同或不同的無線傳感終端(或稱為節(jié)點(diǎn))組成，是以嵌入式技術(shù)為核心的數(shù)據(jù)采集與通信系統(tǒng)。每一個(gè)無線傳感終端由數(shù)據(jù)采集模塊(傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器)、數(shù)據(jù)處理和控制模塊(微處理器、存儲器)、通信模塊(無線收發(fā)器)和供電模塊等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)對于多路溫度傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，能夠很方便地實(shí)現(xiàn)變壓器的繞組溫度和油溫的檢測。

1、系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

變壓器運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生鐵心損耗、繞組銅損耗及其他的附加損耗，這些損耗轉(zhuǎn)變成熱量會(huì)使變壓器的有關(guān)部分溫度升高。為了了解監(jiān)測變壓器的溫度，識別高溫點(diǎn)的位置，采用單個(gè)傳感器是不夠的，在變壓器的多個(gè)位置布設(shè)多個(gè)傳感器，更有利于掌握變壓器的溫度狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)變壓器的溫度異常并識別高溫點(diǎn)位置，才能進(jìn)行相應(yīng)的處理。由于需要使用多傳感器監(jiān)測多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的溫度，為了便于靈活布設(shè)本系統(tǒng)采用的無線傳感器不需事先安裝在變壓器的某個(gè)固定位置上而是可以在現(xiàn)場安裝布設(shè)時(shí)再確定監(jiān)測位置，然后在監(jiān)控端設(shè)置溫度監(jiān)視點(diǎn)為對應(yīng)位置，實(shí)現(xiàn)對該點(diǎn)溫度的監(jiān)視。圖1是變壓器溫度無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

圖1 變壓器溫度無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

由于變壓器運(yùn)行時(shí)的主要損耗來源于鐵心和繞組，并且只有達(dá)到一定的溫差后才能向外散熱，所以變壓器的各部位的溫度不一樣。一般地，繞組溫度很高，鐵芯次之，對每一部分來說，溫度是自下部到上部逐漸升高的。為了能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)采集和分析，本系統(tǒng)采用智能化的溫度分析方法，以識別溫度的變化趨勢，及時(shí)進(jìn)行溫度預(yù)測。本系統(tǒng)主要包括無線傳感溫度采集節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心主節(jié)點(diǎn)兩個(gè)主要部分，每臺變壓器都可布設(shè)4或6個(gè)無線傳感溫度采集節(jié)點(diǎn)，對稱安裝在變壓器的各面，以實(shí)現(xiàn)對變壓器溫度的監(jiān)測和分析。監(jiān)控中心主節(jié)點(diǎn)由無線傳感中心節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測分析計(jì)算機(jī)構(gòu)成，可實(shí)時(shí)監(jiān)視多個(gè)變壓器的溫度狀態(tài)，并根據(jù)溫度歷史數(shù)據(jù)預(yù)測溫度的變化，同時(shí)對同一變壓器的多個(gè)溫度傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，識別高溫點(diǎn)的位置，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障征兆，實(shí)現(xiàn)智能溫度監(jiān)測。

2、無線傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

無線傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)由基于Zigbee技術(shù)的無線傳感節(jié)點(diǎn)及無線數(shù)據(jù)采集終端組成，為了便于傳感器的布設(shè)和更換，傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)使用變壓器表面安裝方式。每個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)集成了Zigbee通信模塊的無線傳感器，每個(gè)無線傳感節(jié)點(diǎn)將其采集的數(shù)據(jù)通過Zigbee通信傳輸給變電站監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的分析和顯示以及報(bào)警處理。

系統(tǒng)使用鉑電阻測溫元件進(jìn)行溫度的檢測，各Zigbee無線傳感節(jié)點(diǎn)硬件的基本結(jié)構(gòu)是完全一樣的。Zigbee無線傳感節(jié)點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過傳感器檢測溫度狀態(tài)數(shù)據(jù);并將采集的數(shù)據(jù)送到信號調(diào)理模塊，進(jìn)行信號的放大、濾波處理;由多路復(fù)用實(shí)現(xiàn)對同一變壓器的多點(diǎn)溫度檢測，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號;然后送到Zigbee通信模塊。

圖2 Zigbee無線傳感溫度采集節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)使用的鉑電阻測溫傳感器是霍尼韋爾公司的薄膜鉑電阻HEL2700的Pt1000系列，在0℃時(shí)具有1000Ω的標(biāo)準(zhǔn)阻值，且電阻值隨溫度的變化而變化，可用于對油溫和變壓器繞組表面溫度的檢測。它具有較大的溫度－電阻系數(shù)(3.8Ω/℃)，可以減小導(dǎo)線電阻對溫度的影響。由于鉑電阻的熱電阻與溫度的關(guān)系存在非線性，在高溫區(qū)表現(xiàn)更明顯，因此需要對鉑電阻的非線性進(jìn)行校正。無線傳感節(jié)點(diǎn)中的調(diào)理電路可以實(shí)現(xiàn)電阻與溫度關(guān)系的校正補(bǔ)償，獲得線性的溫度—電阻關(guān)系，并將鉑電阻傳感器的阻值變化轉(zhuǎn)化為0～5V的電壓，通過A/D轉(zhuǎn)換之后，送入Zigbee通信模塊進(jìn)行處理。本系統(tǒng)的Zigbee通信模塊采用TI公司的CC2430，CC2430的傳輸距離大概為50～70m，適合構(gòu)建一般小型變電站變壓器的狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

圖3?功能結(jié)構(gòu)圖

3、監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心是變壓器溫度無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)的核心，它能實(shí)現(xiàn)對來自各變壓器的溫度傳感數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲、查詢與融合分析。整個(gè)系統(tǒng)的功能框圖如圖4所示，它由Zigbee中心節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、數(shù)據(jù)查詢與分析終端等部分組成。

實(shí)時(shí)監(jiān)控終端是變壓器溫度無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)重要的組成部分，Zigbee無線模塊接收到來自于各變壓器的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)后，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理單元將數(shù)據(jù)幀拆分，得到對應(yīng)于各傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，由實(shí)時(shí)監(jiān)控終端顯示系統(tǒng)顯示出來，并可對各無線傳感溫度采集節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)、參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與查詢。實(shí)時(shí)監(jiān)控終端需要同時(shí)監(jiān)控顯示來自多個(gè)變壓器的參數(shù)，當(dāng)監(jiān)控變壓器較多時(shí)，可以使用多個(gè)終端同時(shí)顯示變壓器的溫度狀態(tài)參數(shù)。實(shí)時(shí)監(jiān)控終端顯示軟件采用了labview進(jìn)行開發(fā)。圖5為可同時(shí)監(jiān)控單個(gè)變壓器的油溫、變壓器上部和下部三個(gè)點(diǎn)的溫度時(shí)的監(jiān)控界面。

為了在變壓器溫度發(fā)生異常時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行處理，在監(jiān)控終端中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)分析預(yù)警功能。在接收、顯示變壓器溫度數(shù)據(jù)的同時(shí)，可自動(dòng)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在出現(xiàn)溫度偏離正常值時(shí)，及時(shí)通知監(jiān)控中心人員注意。監(jiān)護(hù)中心的智能診斷軟件主要基于信息融合的方法進(jìn)行溫度異常識別，通過對變壓器不同位置的傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，判別變壓器溫度變化趨勢，根據(jù)需要及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息以便監(jiān)控人員關(guān)注發(fā)生異常變化的變壓器。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的中心，為了確保變壓器溫度數(shù)據(jù)的完整性，也為了方便數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析，監(jiān)護(hù)中心會(huì)將接收到的所有變壓器的溫度參數(shù)存儲起來，并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)回放和分析，以進(jìn)一步進(jìn)行變壓器溫度異常故障的診斷和分析。

由于技術(shù)產(chǎn)品成熟度和成本等原因，變壓器上普遍沒有安裝熱點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)，從而使變電系統(tǒng)惡性事故的預(yù)測、預(yù)防和監(jiān)控缺乏可靠穩(wěn)定的技術(shù)手段?；赯igbee技術(shù)的變壓器溫度無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)利用設(shè)置在變壓器表面的多個(gè)傳感器，能實(shí)時(shí)監(jiān)測變壓器的溫度狀態(tài)，在溫度異常時(shí)進(jìn)行報(bào)警。相比于傳統(tǒng)的有線監(jiān)測方法，本系統(tǒng)不需布線，可按需貼裝在變壓器表面任何位置，更加方便靈活，便于更換。由于利用多傳感器數(shù)據(jù)推算變壓器中心溫度，推算結(jié)果更加可信，從而能夠更有效地保證變壓器的正常運(yùn)行。該系統(tǒng)經(jīng)過試用，能夠正常監(jiān)測變壓器的溫度狀態(tài)，可用于變電站的變壓器油溫和繞組表面溫度監(jiān)控，有很重要的實(shí)用價(jià)值。

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