基于液态金属的输电线路无线温度采集与预警系统研究

基于液态金属的输电线路无线温度采集与预警系统研究

时峰， 张宇雄，湛留洋， 陈宣林，王冰倩

云南电网有限责任公司曲靖供电局，云南 曲靖 655000

摘要：随着国民经济和社会的不断发展，人们对供电可靠性的要求越来越高，各类输电线路在线监测装置为保障线路的安全运行发挥了重要作用，今后输电运维智能化的运行模式将成为必然。本文基于物联网无线温度传感技术，以液态金属为载体，介绍了一种输电线路无线温度采集与预警系统，该系统可实时监测架空输电线路关键部位的运行情况，具有体积小、重量轻、免维护，安装方便、提前预警、精准定位，测温精度高、响应速度快、抗干扰能力强等优点，能为输电线路的运维提供便利，最大限度预防和减少线路设备事故的发生，保障输电线路的可靠供电，具有广阔的市场应用前景。

关键词：液态金属；输电线路；物联网；无线温度传感技术；预警

0 引言

架空输电线路安全运行与否是电网安全运行的前提。目前，架空输电线路电气设备局部发热缺陷约占到电气部分缺陷的50%以上，一旦输电线路发生故障，往往导致“断一点、停一线、黑一片”的严重后果，需要投入大量的人力、物力进行故障查找和抢修，对电网和社会造成较大影响。传统的架空输电线路运维方法是利用红外热成像仪对电气部位进行热成像分析，此种方法检测人员必须到现场进行实地测量，才能得到可靠、真实的数据，特别是迎峰度夏期间，用电量大幅攀升，线路负荷普遍较重，同时也是输电线路发热的高发期。每年一到此时，需要大量的线路运维人员携带专用红外测温设备，翻山越岭跑现场进行测量。这种传统的线路运维方法无法在第一时间获取线路运行参数，不仅耗费了大量的人力、物力、财力，而且线路运维作业人员还面临着中暑、交通意外、溺水、动物伤害等等安全风险。近年来，随着物联网技术的不断发展，采用先进的物联网无线温度传感技术对架空输电线路关键部位进行温度实时监测和预警，已逐渐成为输电线路智能运维模式的一种有效技术手段。

1 技术原理

输电线路现场运行环境异常恶劣，各种电磁信号干扰情况迥异，容易造成监测数据的失真。为了提高科技护线力度，增强电力系统的应急响应能力，实现真正意义上的免维护，选择更优化的电源供电方式，低功耗的监测设备，更合理的信号传输方案，是实现高效、可靠输电线路在线温度监测系统的关键。传统的测温方法主要有接触式和非接触式两种方法，本文充分利用接触式温度传感器测量稳定、精度高的优势，采用基于物联网的无线温度传感技术，设计了相应的检测系统，对架空输电线路关键部位进行实时温度在线监测与预警，以解决目前输电线路运行温度无法实时获取的问题。该系统利用无线温度传感技术，通过安装在杆塔上的中继器接收无线温度探头捕获运行中的输电线路温度数据，将温度数据发送至服务器，从而实现对多点温度数据的实时监测，并通过对系统设定温度阈值，与手机连接的报警系统在温度异常时可以通过手机app发出预警信息，第一时间提醒线路运维人员对线路进行维护或检修，以预防和减少由于局部温度过高产生的线路故障，提高输电线路的稳定性、安全性。

2 温差发电技术

常见的输电线路在线监测装置主要通过太阳能、蓄电池、感应取电等方式提供电源。本文对采用液态金属集成热电温差发电自供电技术的无线温感探头进行研究，解决温度传感器的供电问题。液态金属在常温下呈液体状态，可流动，具有沸点高、导电性强，热导率高，制造工艺不需要高温冶炼，环保无毒的优点。采用液态金属高热导率低热阻的功能热界面材料与传统的温差发电技术结合，增大温差，进一步提高温差发电片的发电效率，进而给温度采集装置供电。

温差发电组件通常由若干对p、n半导体电偶对串联而成。只要温差发电组件的热面有热量输入，在组件冷、热两面之间建立起温度差，就会有源源不断的直流电发出，构建自供能无线测温模块。其工作原理如1图所示：

图1 温差发电技术工作原理图

3 系统设计

3.1 硬件系统

无线温度采集与预警系统主要由温感探头、中继器、服务器三部分构成，其架构图如图2所示。系统运行的基本流程是：温感探头检测温度，将温度数据传输到中继器，中继器再将温度数据传输到服务器。手机app通过数据接口从服务器获取温度数据，以反馈输电线路运行情况。此外，在近距离情况下，手机可通过蓝牙功能连接中继器，对中继器进行配置管理。中继器由MCU、存储模块、Lora无线模块、4G无线模块、蓝牙模块、蓄电池、太阳能电池板单元组成。温度探头由温度传感器、供电模块、lora模块组成。中继器与温度探头间采用lora数据传输技术，具有传输距离远、速度快、功耗低、体积小等特点。同时，还支持空中唤醒、无线配置、载波监听、自动中继、通信密钥等功能。温感探头安装底座采用卡扣式的金属板，充分利用输电线路耐张线夹原有螺丝直接紧固，既不需要重新开孔，也便于设备维护。耐张线夹接线板的金属底板能够快速感知线夹的温度变化，及时将温度数据反馈至中继器。经测试，低功耗电力线温度采集系统的测温误差为±1℃，传感器测量范围为-55℃~+150℃，防护等级达IP67级，不受强电磁环境的干扰。

图2 硬件系统架构图

3.2 软件系统

3.2.1 软件设计

监测系统的软件部分由C语言编写，操作台与控制中心连接，系统页面前端在完成初始化工作后，持续等待中继器的配置命令，通过配置命令配置前端的工作周期以及相应的温度阈值，配置完成后前端便开始向中继器发送采集到的温度数据，并在收到中继器的回应帧后更新相应的时间以及上报周期。没有收到中继器回应帧时，数据进行重传，共重传两次，数据传送至中继器后，系统前端进入休眠状态，当达到相应的上报周期时再重新唤醒进行数据传输。其工作流程如图3所示。

图3 软件系统工作流程图

3.2.2 通信协议

系统前端节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量主要消耗在无线通信模块上。前端节点传输信息时要比执行计算时更消耗电能，传输l比特信息100m距离需要的能量大约相当于执行3000条计算指令所消耗的能量。所以，通信传输容量主要考虑收发数据包的策略。本系统在Lora通信时优先考虑前端节点的功耗最小化和有效节能，其次考虑网络容量，故本方案采用基于TDMA时分复用并结合CSMA/CA的机制，在载波多路检测的基础上，增加碰撞避免功能，还同时使用停止等待协议，可有效实现多个前端节点并发与中继器节点的无冲突通信，前端节点在不传输数据时处于深度休眠状态，只能依赖于RTC唤醒，以最大程度地节省电能。

3.3 同步问题

系统设计的技术难点是分布式系统的时间同步问题，即需保证各个前端节点的本地时间与中继器一致，至少应保证各个节点的时钟误差始终保持在网络设计的误差范围内，同时要合理安排数据收发策略，即分时复用信道的算法，并考虑以下几个问题：

（1）同步时机，解决多长时间同步一次的问题。本方案使用节点的逻辑地址按照自然顺序如1，2，… 进行顺序编号，每次通信时捎带回包进行校时。即节点在主动发送数据时捎带请求，中继器回发标准时间给节点，节点用此标准时间进行本地更新，保证一次数据收发即可进行一次全网时间同步。

（2）同步方式。中继器每次收到数据后，确认时捎带本地标准时间数据给前端节点。

（3）TDMA参数设计，解决如何划分时间片大小，即分配给每个终端节点多少通信时间。时间片的大小与前端节点的功耗强相关。根据经验，时间片可根据收发数据包时间确定，应保证时间片大于发送数据包时间和处理数据包时间两者之和，根据理论计算和实测，本方案设定的时间片为5秒。

3.4 冲突处理

理论上，如果各节点本地时钟一致，TDMA机制可以保证不会冲突。在节点数量大量增加的情况（超出功耗最优的设计数量）下可能出现冲突或数据包碰撞，此时中继器可启动CDMA/CA机制：即当中继器检测接收到的Lora信号异常时启动退避重发机制，前端相应地采用ARQ（自动重传）机制启动重发进程，这样就保证了Lora局域网内数据的可靠传输。

一般情况下，本系统可保证至少50个节点长时间超低功耗工作，如果节点数超出这个网络规模，数据碰撞会造成能量损耗，重传增加，前端节点的生存时间会快速下降。

3.5 重发机制和超时等待

系统设定为3次重发，不成功则认为此次通信失败，并进行计数，若累计失败次数为3次，则本次该节点不再继续发送数据，以节省能量。超时设定为2s，若超时未收到回包，则认为此次发送失败，并进行回包重发，并按上述“重发机制”处理。

4 应用前景

传统的输电线路温度检测方法存在诸多弊端。本文以液态金属为载体，将高导热液态金属做热界面材料应用于温差发电技术中，基于物联网的无线温度传感技术温度监测和预警系统具有较高的时效性，可实时监测架空输电线路关键部位的运行情况，通过系统预设，运用自动化功能，当设备发热温度超过设定临界值时及时发出警报，为输电线路的运行提供便利，最大限度的预防和减少设备事故发生，保障输电线路持续供电。无线温度探头能够有效抵抗电磁干扰和复杂恶劣的气候环境，设备体积小、重量轻，安装简易，灵活度高，自供电维护成本低，具备测温精度高、响应速度快、抗干扰能力强等优点。该装置不需要线路运维人员到工作现场即可实时掌握架空输电线路关键部位的实时运行温度，做到全天候、实时监测运行温度，一旦架空输电线路电气部分异常发热时，能及时收集发热信息，精准定位发热部位；一旦设备发热温度超过设定临界值时，可及时发出预警信号，对设备运行风险提前预警，线路运维人员可通过后台终端PC、手机APP或信号接收机即时查看故障，精确定位监测。该装置安装时不需要改变输电线路原来的运行状态，只要将待安装部位的螺栓松动退出螺帽后，再将无线温度探头装上拧紧螺帽既可，安装非常方便，具有广阔的市场应用前景。无线温感探头安装图如图4所示。

图4 无线温感探头安装图

5 结束语

随着社会经济的不断发展，社会用电量大幅度增加，传统的以人工为主的输电线路温度检测运维模式已越来越不能满足人们的需要，未来输电运维智能化的管理模式对我们提出了更高的要求。体积小，重量轻，安装方便，操作简单，系统化、集成化将是今后输电线路在线监测装置发展的必然趋势。只有不断加大技术攻关和科技创新的力度，才能让线路设备运维人员占据主动，赢得先机，变“人防”为“技防”，变“被动”为“主动”，变“事后弥补”为“事前预防”，降低作业人员的劳动强度和安全风险，促进电力系统维护工作的发展。

参考文献:

[1]赵晓渊.基于物联网技术的电力无线温度在线监测方案[J].山西焦煤科技,2016(08).

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[3]肖广辉.基于UHF Gen2标准的无源无线电力设备温度采集系统设计[J].电工技术 2017(12).