变电站温度监测系统软件设计与实现

 变电站作为智能电网的关键节点，是保障其安全性和可靠性的重要环节。据国家电力安全事故通报的统计，约四成变电站电气事故是高压电气设备温度异常引起的。虽然多数变电站已经安装了温度监测系统，但是现有系统大多存在实时性和扩展性差、数据难以共享等不足。因此，研究基于计算机、物联网、通信等技术的变电站温度监测系统是保障电力系统的安全运行和人民的生命财产安全的关键。
在深入研究变电站监控系统结构和功能需求的基础上，遵循智能电网对可靠性、高效性、实时性、安全性等方面的要求，本文研究和设计了基于IP网络通信的多变电站实时远程温度监测系统。
本文研究背景及研究目的指出了对变电站进行温度监测的重要性。针对传统变电站监控系统的不足，提出变电站温度监测软件的设计思想，并选用C/S与B/S相结合的软件体系架构。通过对测温技术的分析与比较，选择了红外热像测温与声表面波测温两种测温方案，并在此基础上，分析了系统的整体结构。
根据变电站运行环境的特点及测温系统的需求，对软件结构进行设计，将其分为数据采集层、数据管理层和应用显示层三部分，各层协同工作，共同实现数据的连通与共享。接下来，从实时性与可靠性方面综合考虑，对红外测温系统进行选型。结合轮询和多线程技术采集图像及标签数据，并采用RTP/RTCP（Realtime Transport Protocol/ Realtime Transport Control，实时传输/实时控制协议）实现数据传输。针对存在大量冗余的标签数据，进行验证、格式化和过滤操作，实现数据高效存储。
围绕系统需求和设计方案，在明确系统数据流向和实体关系模型的基础上，设计和实现了系统数据库，实现了系统管理、报表管理、报警管理、测温等功能模块，并依据规定的数据帧格式实现RTP/RTCP数据通信。重点实现了声表面波标签数据的实时处理和显示、红外图像的点温和区域测温、以及基于OpenCV的实时视频图像的接收和显示。最后对系统各模块进行测试和分析，测试结果表明，系统能够正常稳定地运行，功能符合设计需求，基本达到预期设计目标。

关键词：变电站，温度监测系统，声表面波传感器，红外热像

Abstract
Substation, as the key node of the Smart Grid, is an important part to guarantee its safety and reliability. According to the statistics from the state electricity safety accidents notification, about 40 percent of the substation electrical accidents are caused by the temperature anomalies of the high voltage electrical equipment. Most substations have installed temperature monitoring systems, but most of the existing systems have shortcomings in real-time capability, expandability, and data sharing, etc. Therefore, study the computer, Internet, and communication technologies based substation temperature monitoring system is significant to guarantee the safe and stable operation of power system and the safety of people's lives and property.
Based on the further study of the structure and function demand of the substation monitoring system, an IP network communication based multi-substation remote real-time temperature monitoring system is designed, following the requirements of the smart grid on reliability, efficiency, real time, and safety.
Firstly, the research background and purpose point out the importance of the substation temperature monitoring. Aiming at the shortcomings of the traditional substation monitoring system, the design idea of the substation temperature monitoring software is put forward, and the software architecture combining C/S with B/S is chosen. Through analyzing and comparing the temperature measuring techniques, the infrared thermal imaging temperature measuring scheme and the surface acoustic wave (SAW) temperature measuring scheme are selected, based on which, the overall structure of the system is analyzed.
Next, according to the substation operation environment and the requirement of the temperature measuring system, the software structure is designed and divided into data acquisition layer, data management layer, and application display layer. Three layers work cooperatively, implementing the data connection and sharing. Then, considering from the aspects of real-time and reliability, the infrared thermal imaging temperature measuring system selection is determined. The image and tag data are acquired based on polling and multithreading technologies. And Real-time Transport Protocol/Real-time Transport Control Protocol (RTP/RTCP) is used for data transforming. Data validating, formatting, and filtering operations are designed for tag data with a large number of redundant in order to implementing efficient data storing.
Then, based on the system requirements and the designed scheme, the system data flow and the entity relationship model are designed. The system database is designed and implemented, and the function modules like system management, report management, alarm management, comprehensive inquiry, temperature measurement, are implemented. Based on the design of the data frame format, the RTP/RTCP data communication is realized. The real-time processing and display of SAW tag data, the display of the infrared imagery’s point temperature and the area temperature, as well as the reception and display of the Open Source Computer Vision (OpenCV) based real-time video image are designed and implemented in detail.
Finally, each module of the system is tested and analyzed. The test results indicate that the system operates normally and steadily, and the functions meet the design demands, mainly achieving the expected designing goal.

Keywords: substation, temperature monitoring system, surface acoustic wave sensor, infrared image

目录
图录 VII
表录 IX
注释表 X
第1章 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 课题研究目的及意义 1
1.3 国内外发展现状 2
1.3.1 电力监控系统的国内外发展现状 2
1.3.2 温度监测技术的国内外发展现状 3
1.4 论文结构和章节安排 4
第2章 变电站温度监测系统研究与分析 6
2.1 传统变电站电力监控系统分析 6
2.2 电气设备常见故障及诊断方法 7
2.2.1 电气设备常见故障 7
2.2.2 电气设备故障诊断方法 8
2.3 温度监测技术分析及方案选择 10
2.3.1 红外热像测温 10
2.3.2 光纤温度传感器测温 11
2.3.3 SAW RFID无线测温 11
2.3.4 测温方案对比分析及选择 12
2.4 变电站温度监测系统整体结构 13
2.5 变电站温度监测系统软件分析 14
2.5.1 变电站温度监测软件设计思想 14
2.5.2 变电站温度监测软件体系结构 15
2.6 本章小结 16
第3章 变电站温度监测系统软件总体设计 17
3.1 变电站温度监测系统软件需求分析 17
3.1.1 变电站温度监测系统软件功能需求 17
3.1.2 变电站温度监测系统软件性能需求 18
3.2 变电站温度监测软件结构设计 20
3.2.1 数据采集层 20
3.2.2 数据管理层 21
3.2.3 应用显示层 21
3.3 红外热像测温方案选型与方法分析 22
3.3.1 红外热像测温方案选型 22
3.3.2 热像测温方法分析 23
3.4 变电站温度监测系统软件开发方案分析与选择 25
3.4.1 操作系统的选择 25
3.4.2 软件开发平台的选择 26
3.4.3 数据库开发平台的选择 27
3.4.4 数据通信协议分析 27
3.4.5 数据采集技术分析 28
3.4.6 SAW标签温度数据处理方法分析 29
3.5 本章小结 30
第4章 变电站温度监测软件详细设计与实现 31
4.1 变电站温度监测软件功能模块详细设计 31
4.2 变电站温度监测系统数据库设计与实现 32
4.2.1 数据库设计 32
4.2.2 数据库建立 35
4.2.3 数据库访问 36
4.3 变电站温度监测软件基本功能模块实现 37
4.3.1 系统管理模块 37
4.3.2 报表管理模块 39
4.3.3 综合查询模块 40
4.3.4 报警处理模块 41
4.3.5 数据采集模块 42
4.4 SAW RFID测温模块 44
4.4.1 标签数据处理 44
4.4.2 标签数据显示 46
4.5 红外热像测温模块 47
4.5.1 红外热像测温的实现 47
4.5.2 伪彩色图像及可见光图像对比显示 48
4.5.3 点温和区域温度显示 49
4.5.4 红外视频实时显示 51
4.6 本章小结 52
第5章 软件测试与结果分析 54
5.1 测试方案分析 54
5.2 测试平台搭建 55
5.3 测试内容及结果分析 56
5.3.1 系统管理功能测试 56
5.3.2 报表管理功能测试 59
5.3.3 综合查询功能测试 60
5.3.4 报警处理功能测试 61
5.3.5 SAW RFID测温功能测试 62
5.3.6 红外热像测温功能测试 63
5.3.7 软件性能分析 65
5.4 本章小结 67
第6章 结束语 68
6.1 论文工作总结 68
6.2 问题和展望 69
参考文献 70
致谢 74
攻读硕士学位期间从事的科研工作及取得的成果 75

图录
图 2.1 变电站电力监控系统结构图 6
图 2.2 红外热像仪工作原理图 10
图 2.3 分布式光纤温度监测系统示意图 11
图 2.4 声表面波温度监测系统示意图 12
图 2.5 变电站温度监测系统总体结构 13
图 2.6 典型C/S体系结构 15
图 2.7 典型B/S体系结构 15
图 3.1 变电站温度监测系统软件结构 20
图 3.2 有DSP的红外测温系统结构图 22
图 3.3 无DSP的红外测温系统结构图 22
图 3.4 基于轮询与多线程机制的数据采集示意图 28
图 3.5 数据处理流程图 29
图 4.1 变电站温度监测系统软件功能模块图 31
图 4.2 数据库设计基本流程图 33
图 4.3 第一层数据流图 33
图 4.4 第二层数据流图 33
图 4.5 数据库设计总体E-R图 34
图 4.6 实体的属性关联图 35
图 4.7 用户登录操作流程图 37
图 4.8 用户管理模块操作流程图 38
图 4.9 温度监测日报表实现流程图 39
图 4.10 历史温度数据的列表显示流程图 40
图 4.11 温度数据分析流程图 42
图 4.12 数据帧结构示意图 43
图 4.13 RTP/RTCP 协议数据的网络传输流程图 44
图 4.14 标签数据处理流程图 45
图 4.15 实时温度曲线实现流程图 47
图 4.16 红外热像测温步骤示意图 47
图 4.17 伪彩处理流程图 48
图 4.18 点温显示流程图 50
图 4.19 区域测温函数执行流程图 51
图 4.20 视频图像发送/接收原理示意图 52
图 5.1 SAW RFID测温系统实物图 55
图 5.2 测试平台搭建示意图 55
图 5.3 用户登录界面 57
图 5.4 查询用户界面 57
图 5.5 添加用户、修改用户界面 58
图 5.6 变电站设置界面 58
图 5.7 监测设备设置界面 59
图 5.8 报警设置界面 59
图 5.9 报表管理界面 60
图 5.10 历史温度曲线查询界面 61
图 5.11 报警信息提示界面 61
图 5.12 报警短信提示界面 62
图 5.13 SAW标签温度显示和实时温度曲线绘制界面 62
图 5.14 红外图像的伪彩色及点温显示界面 63
图 5.15 红外图像的区域测温显示界面 64
图 5.16 视频发送端界面 64
图 5.17接收视频数据界面 64
图 5.18 发送端数据包格式示意图 65
图 5.19 3路视频测试结果 66
图 5.20 9路视频测试结果 66

表录
表 1.1 2009年~2014年9月 电力人身伤亡责任事故统计表 2
表 2.1 常见电气设备故障特征 7
表 2.2 基于相对温差的部分电流致热型设备故障等级 8
表 2.3 部分电气设备材料的温度及温升极限 9
表 2.4 常用测温技术对比 12
表 2.5 C/S和B/S体系结构对比 16
表 3.1 典型220KV变电站规模 17
表 3.2 软件功能需求 18
表 4.1 变电站温度监测系统数据库表汇总 36
表 4.2 T_SAWSensor表结构 36
表 4.3 T_SAWTempInfo表结构 36
表 4.4 有效数据帧格式 43
表 4.5 功能标识符定义 43
表 5.1 软件测试运行环境 56
表 5.2 用户登录模块测试用例 56
表 5.3 用户管理模块测试用例 57
表 5.4 报表管理模块测试用例 59
表 5.5 历史温度曲线查询模块测试用例 60
表 5.6 报警管理模块测试用例 61
表 5.7 SAW RFID测温模块测试用例 62
表 5.8 红外热像测温模块测试用例 63
表 5.9 多线程数据采集测试结果统计表 65

注释表
SAW Surface Acoustic Wave，声表面波
RFID Radio Frequency Identification，无线射频识别
SCADA Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制系统
SF6 Sulfur Fluoride 6，六氟化硫
C/S Client/Server，客户机/服务器
B/S Browser/Server，浏览器/服务器
GIS Gas Insulated Substation，气体绝缘变电站
MTBF Mean Time Between Failure，平均故障间隔时间
RDBMS Relation Data Management System，关系型数据库管理系统
DSP Digital Signal Process，数字信号处理
SQL Structured Query Language，结构化查询语言
E-R Entity-Relationship，实体-联系
PK Primary Key，主关键字
FK Foreign Key，外关键字
OpenCV Open Source Computer Vision，开源计算机视觉
IP Internet Protocol，因特网互联协议
TCP Transmission Control Protocol，传输控制协议
UDP User Datagram Protocol，用户数据报协议
MD5 Message Digest Algorithm 5，消息摘要算法第五版
RTP/RTCP Realtime Transport Protocol/ Realtime Transport Control Protocol，实时传输协议/实时传输控制协议
URL Uniform Resource Locator，统一资源标识符
PC Personal Computer，个人计算机

第1章绪论
1.1 课题研究背景
进入21新世纪，在我国全面建设小康社会的重要时期，社会用电需求高速增长，我国人均用电水平也在快速上升[[]]。据2009至2014年间《全国电力工业统计数据一览表》显示，我国用电量保持逐年递增的趋势。电力作为经济社会发展的重要基础设施之一，保障了国民经济的快速发展和人民生活水平不断提高。
随着国家及社会各个行业对电力的依赖增强，电力供应量日益增加，对电力系统安全性和可靠性的要求日益提高，智能电网的建设势在必行[[]]。2009年，在国家电网公司召开的“特高压输电技术国际会议”上正式提出“坚强智能电网”的概念，由此掀开了建设坚强智能电网的篇章[[]]。坚强智能电网具有高可靠性，即实时监测电网设备的运行状态，便于及早发现事故隐患，从而减少因设备故障导致供电中断的现象。
变电站作为电网的关键节点，是坚强智能电网建设中一个不可缺少的内容。随着电力系统投资及规模的增大，变电站的数量也在逐渐增加。以重庆为例，在2015年至2020年期间，计划建设500KV主城区变电站一座，扩建500KV陈家桥变电站，到2020年末，辖区范围将形成6座500KV变电站分区供电的坚强格局，还将建成12座220KV变电站、68座110KV变电站，使市区供电范围变电容量翻番[[]]。
按照变电站建设的技术要求，在城市用电负荷密集的地区，一个110千伏变电站的供电半径仅为1.5千米左右，可以推知，变电站广泛遍布在城市居民的周围。因此，为了保障城市居民的生命财产安全，也为了满足坚强智能电网对变电的需求，需要提高变电站电气设备的可靠性，向智能变电站方向发展，运用无人值守变电站的自动化技术，实时监测变电站电气设备的运行状态，对变电站电气设备故障做到提早预防和报警，减小电气设备故障造成的损失。
1.2 课题研究目的及意义
我国地域广阔，人口众多，是世界电力需求大国，但同时也是电力人身伤亡责任事故发生频繁的国家。表1.1中统计了近几年来我国电力生产人身死亡事故。
表 1.1 2009年~2014年9月 电力人身伤亡责任事故统计表
2009年 2010年 2011年 2012年 2013年 2014年9月前
事故次数 31 32 44 49 56 20
死亡人数 57 54 68 86 67 28

从上表中可以看出，我国电力系统安全还存在很大问题。数字化智能变电站以一次设备、二次设备为基础，有研究表明，温度的增加，会使材料软化、化学分解和老化、设备过热、绝缘性能下降、接触电阻增加，从而使电气设备的可靠性大大降低[[]]。据国家电力安全事故通报的统计，每年约有40%变电站电力事故的起因是高压电气设备过热[[]]。例如一次设备的主回路接头接触不良，随着电流增大，接头温度升高，轻则发生停电故障，重则引发火灾；又例如二次设备的运行环境温度过高，使设备寿命缩短、功能失效，不能有效保护和控制一次设备。我国近20年发生的输、变电站火灾共140多次，造成的经济损失多达50亿元人民币[[]]。
电气事故的发生并非无法避免，因为电气设备从异常发热到发生事故需要经过一段时间，如果可以及早发现异常并采取相应措施，就能减少或杜绝此类电气事故的发生。然而许多传统变电站依旧采用人工巡检的方式来监测电气设备的运行状态，难以满足变电站电力系统对实时性、经济性、安全性和可靠性等方面日渐增长的要求，进而无法保障变电站的安全运作。
通过以上分析可知，对变电站电气设备进行实时温度监测势在必行，从国家发展改革委2014年第14号令《电力监控系统安全防护规定》对“电力监控系统”的定义可以看出，电力监控系统是整个电力系统的控制中枢，对于保障电力系统的安全稳定运行和电力可靠供应具有重要意义[[]]。因此，本课题对变电站温度监测系统进行研究，一方面为了防范变电站电气设备因温度异常引起停电、火灾等事故，另一方面，建立统一信息平台，整合变电站运营过程中产生海量信息，实现数据的互联和共享，这对于保障电力可靠供应和电力系统的安全稳定运行具有重要意义。
1.3 国内外发展现状
1.3.1 电力监控系统的国内外发展现状
在国外，对电力监控系统的研究起步比较早，从20世纪70年代初开始，国外发达国家已经开始重视对变电站监控系统的研究。自1981年第六届国际供电会议召开后，基于微机远动装置的变电站监控系统逐渐淘汰了原有变电站远动装置。80年代初，美国、日本等发达国家开始使用计算机对电力系统的数据进行采集和监控[[]]。此后，德国SIEMENS公司、ABB公司、法国阿尔斯通公司等均研发出变电站综合自动化系统。
现阶段，变电站监控系统在欧美等发达国家已经得到广泛应用，并且多数实现了无人值守方式。美国电网公司在配电网SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制）系统中应用了配电管理系统，从而提高调度运行以及电网管理的自动化水平[[]]。
在我国，电力监控系统的研究起步滞后发达国家约10年。我国第一个变电站综合自动化系统于1987年由清华大学研制，该系统在山东省威海市望岛变电站投入运作[[]]。进入90年代，随着计算机技术和通信技术的快速发展，远动装置开始具备遥控、遥调功能，但是该系统电缆连线复杂。到90年代后期，随着微电子和网络技术的飞速发展，变电站监控系统采用分层分布式结构，各种自动调节装置和继电保护装置开始广泛采用微型计算机，系统配置更加灵活、易于扩展。
进入21世纪后，智能电力监控系统得到了快速发展和广泛应用，如国电南瑞的ISA系统、北京哈德威四方的CSC2000系统、山东大学的ES60系统，以及东方电子的DF3003系统均在国内有较大影响11。
随着科技的发展，越来越多先进技术应用到电力监控系统，其中，温度监测技术的发展也是电力监控发展的一个重要部分。
1.3.2 温度监测技术的国内外发展现状
一些小型变电站常采用人工测温和手持式红外线测温技术，有些变电站仍在采用蜡片测温这一原始方法，但大部分电气设备的测温采用基于电信号的传感器，如热电偶、热电阻等温度传感器，但是由于其对电磁场的抗干扰能力较弱，测温效果一般。此外，光纤测温、红外测温、无线测温三种技术也被逐渐应用到电气设备的温度监测中。
1. 光纤测温
在国外，20世纪80年代，英国YORK公司成功研制出DTS-1，DTS-2型分布式光纤温度传感器；90年代初，日本藤仓公司研制出DFS-1000分布式光纤温度传感器系统[[]]。在国内，多所大学开展光纤温度传感器的研究，比如，1991年，重庆大学成功研制出多模拉曼分布式光纤温度传感器系统；1994 年，中国计量学院成功研制出FGC-W1激光拉曼分布式光纤温度传感器系统[[]]。目前，国内的研究已有很大进步，但与国外相比还存在一定差距。
2. 红外测温
在国外，20世纪60年代，瑞典国家电力公司研制出AGA系列热成像仪，最早在电力系统巡检中应用[[]]。70年代，国外开始利用红外热像技术检测变电站设备或高压输电线路连接件故障。现在，红外热成像检测技术已经成为常用的无损检测技术。我国红外测温和热成像技术的起步晚于发达国家。20世纪80年代，红外热成像技术才开始在电力、化工等工业领域普及。1999年国家制定了《带电设备红外诊断应用规范》，并于2008年对其作出修订，标志着我国电力设备红外热像诊断技术在标准化道路上迈出了新的一步[[]]。现在，我国在红外热像技术方面的研究已取得了一定成果，但是与世界发达国家水平仍有很大差距。
3. 无线测温
微电子技术和无线通信技术的发展推动了低功耗无线温度监测技术的进步。目前，国内外多家公司和科研院校已经分别研制出了多种无线温度在线监测系统，如ABB公司研制的“Safe Guard”非接触型温度监测装置[[]]。
虽然目前我国的大多数变电站都已安装监控系统，但在实际应用中还是存在着诸多的问题，比如各应用系统之间运行独立，在特殊环境下（比如大雾、雾霾、夜晚）无法全面了解变电站的实际运作情况，制约着智能电网的发展。
本文将针对现有监控系统存在的问题，结合适于本系统的测温技术，依据相关标准的规定，对变电站温度监测系统软件进行设计。
1.4 论文结构和章节安排
本文主要完成的是变电站温度监测系统软件的设计开发工作，通过分析变电站的特点及测温系统的需求，设计了变电站温度监测软件的总体方案，并重点对C/S架构下的软件功能模块进行详细设计与实现。本文将针对变电站温度监测系统软件的设计与实现展开论述，论文的章节安排如下：
第一章：绪论。首先分析课题的研究背景和研究意义，然后分别对电力监控系统和温度监测技术在国内外的发展现状进行介绍，最后介绍论文的组织结构。
第二章：变电站温度监测系统研究与分析。首先对传统的变电站电力监控系统进行分析，明确现有系统的不足。接下来，对电气设备常见故障及故障诊断方法进行分析，并对比分析了常用的温度监测技术，选择适于变电站环境的监测技术。在此基础上，提出了本文变电站温度监测系统的整体结构，最后，提出了本文变电站温度监测系统软件的设计思想，选择B/S（Browser/Server，浏览器/服务器）与C/S（Client/Server，客户机/服务器）相结合的软件体系结构，并说明本文主要工作是针对C/S软件结构的详细设计。
第三章：变电站温度监测系统软件总体设计。首先，结合变电站的特点，对软件的功能和性能需求进行了分析，在此基础上，设计了变电站温度监测系统软件结构。针对红外热像测温系统的不同方案进行对比和选型，并对软件开发平台进行了分析和选择。最后，结合变电站温度监测系统的需求，选择网络通信协议，分析了数据采集技术和SAW（Surface Acoustic Wave，声表面波）传感器数据的处理方法。
第四章：变电站温度监测系统软件详细设计与实现。首先，对软件各个功能模块进行详细设计。然后，设计和搭建系统数据库，实现对数据库的访问。接下来，详细介绍各个功能模块的实现方法，并重点实现了数据帧格式的规定、SAW RFID （Radio Frequency Identification，射频识别）测温模块以及红外测温模块。
第五章：软件测试与结果分析。首先介绍并选择软件测试方法，然后搭建实验室软件测试平台，对软件各个功能模块进行测试，并对测试结果进行分析，最后对系统的性能进行了分析说明。
第六章：总结和展望。对本文工作做了总结，并提出工作中有待改进的问题，对后续设计工作进行了展望。

第2章变电站温度监测系统研究与分析
为了满足持续增长的电力需求，我国每年都在大力投资建设变电站，变电站监控系统成为保障变电站安全的关键。但是现有电力监控系统存在许多不足，难以满足电力系统安全的需求。本章通过对常用温度监测技术的对比分析，选择适用于变电站系统的测温方案，给出了本课题研究的变电站温度监测系统的整体结构，并分析了本系统软件的设计思想及软件体系结构。
2.1 传统变电站电力监控系统分析
变电站电力监控系统是保障变电站安全运作的重要手段，目前我国多数变电站已经安装有监控系统，图2.1所示为传统变电站监控系统结构。

图 2.1 变电站电力监控系统结构图

变电站电力监控系统利用自动控制、信号处理、数据传输等技术，及时掌握变电站内电气设备运行的参数和状态[[]]。这种结构在我国变电站监测系统中已经运用了十几年，有效地减少了变电站电气事故的发生[[]]。但是，面对电力系统对实时性、经济性、可靠性等方面日渐增长的要求，该系统结构逐渐暴露出如下问题：
1. 传统变电站站内应用系统众多，多数为针对站内特定的监控参数开发的专用系统，致使信息孤岛林立，各个系统之间无法实现数据共享，且多数变电站监测系统负责站内监测，没有实现在统一信息平台上对多变电站的实时监控。
2. 当监测多个变电站或电气设备规模较大时，大多监测系统存在数据采集效率低、实时性差等问题，致使影响变电站监测系统的性能。
3. 当前多数变电站电气设备温度监测仍然需要工作人员定期巡检、人工测量，工作费时、费力、效率低下；另外，有些电气设备的温度监测点位置较高或位于不便触及的位置，致使工作人员不能及时发现潜藏的安全隐患。
4. 监测系统的结构相对简单，不具备扩展能力；人机交互界面较为粗糙、单一，不能满足工作人员对监测数据进行分析和查询的需要。
为了解决现有监控系统的问题，保障电力系统安全运作，开发一体化、可扩展、易操作、安全性高的监控系统是我国电力监控领域发展的重要目标。因此，本课题致力于解决现有监控系统中存在的问题，结合计算机技术、传感器技术、互联网技术等现代化技术，研究并开发满足变电站安全运作需求的变电站温度监测系统。
2.2 电气设备常见故障及诊断方法
2.2.1 电气设备常见故障
变电站电气设备中存在很多热源，其运作时产生热效应，通常，热效应在设备的安全范围内，但在许多因素的影响以及设备长期运行的情况下，电气设备会发生热故障。针对不同电气设备类型，其引发电气故障的起因不同，主要包括接触电阻增大、导体的材质不佳或导体损伤，常见电气设备的故障特征如表2.1所示。

表 2.1 常见电气设备故障特征
设备类别及部位 故障特征
电气设备与金属部件的连接接头和线夹 接触不良
金属部件与金属部件的连接接头和线夹 接触不良
金属导线 松股、断股、老化或截面积不够
输电导线的连接器 接触不良
隔离开关 转头 转头接触不良或断股
刀口 弹簧压接不良
断路器 动静触头 压指压接不良
中间触头 压指压接不良
电流互感器 内连接 螺杆接触不良
套管 柱头 柱头内部并线压接不良
电容器 熔丝 熔丝容量不够
熔丝座 熔丝与熔丝座之间接触不良
高压套管 局部放电故障，油路或气路的堵塞

变电站电气设备热故障通常分为三级：一般热故障、严重热故障、危急热故障。一般热故障是指电气设备存在过热现象，温升在10-20℃之间，热像特征微小；严重热故障是指电气设备存在较大程度的过热现象，温升在20-40℃之间，或实际温度在60-80℃之间；危急热故障是指电气设备温升超过40℃，或最高温度超过标准规定的最高允许温度，热像特征非常清晰[[]]。
电流致热型设备的故障等级判断依据如表2.2所示。电压致热型故障一般定为严重或危急故障。

表 2.2 基于相对温差的部分电流致热型设备故障等级
设备类别和部位 相对温差值 / %
一般故障 严重故障 危急故障
真空断路器 ≥20 ≥80 ≥95
SF6断路器 ≥20
充油套管 ≥20
高压开关柜 ≥35
空气断路器 ≥50
隔离开关 ≥35
其他导流设备 ≥35

综上所述，电气设备故障一般由于设备接头接触不良、接触面不足、绝缘体受潮劣化、超负荷运作等导致温度异常，但是根据不同电气设备材料的不同，其设备故障的诊断方法也不尽相同。
2.2.2 电气设备故障诊断方法
在《带电设备红外诊断应用规范》中规定了电气设备故障判断方法：图像特征判断法、同类比较判断法、绝对温度判断法、相对温差判断法、档案分析判断法、实时分析判断法，但在实际应用中，常用的有绝对温度判断法和相对温差判断法[[]]。
1. 绝对温度判断法：表2.3中列出了部分设备和材料的温度及温升极限。根据监测的目标设备表面温度值，对照表2.3，若超过最大值，则温度超限。
绝对温度判断法简易、直观，但是受到外界环境因素的干扰，无法准确测量设备的温度，不适宜判断小温升故障，而相对温差判断法可以弥补此法的不足。

表 2.3 部分电气设备材料的温度及温升极限
部件、材料和绝缘介质的类别 最大值
温度/℃ 周围温度不超过40℃时的温升/K
触头
(1) 裸铜或裸铜合金
1) 空气中 75 35
2) SF6中 105 65
3) 油中 80 40
(2) 镀银或镀镍
l) 空气中 105 65
2) SF6中 105 65
3) 油中 90 50
(3) 镀锡
l) 空气中 90 50
2) SF6中 90 50
3) 油中 90 50
用螺栓或与其等效的联结
(l) 裸铜、裸铜合金或裸铝合金
l) 在空气中 90 50
2) 在SF6中 115 75
3) 在油中 100 60
(2) 镀银或镀镍
l) 在空气中 115 75
2) 在SF6中 115 75
3) 在油中 100 60
(3) 镀锡
l) 在空气中 105 65
2) 在SF6中 105 65
3) 在油中 100 60

2. 相对温差判断法：相对温差是指两个对应监测点之间的温差与其中温度较高点的温升之比的百分数。相对温差的计算公式如式(2.1)所示。
(2.1)
式中，, ——发热点的温升和温度
,——相对应正常点的温升和温度
——环境温度参照体的温度
在本课题研究中，将绝对温度判断法与相对温差判断法结合起来，先由绝对温度初步判断电气设备是否故障，并将其作为参考，再通过相对温差判断法计算同类设备的相对温差，判断电气设备是否发生热故障。具体的故障判断方法将在后面章节介绍。
2.3 温度监测技术分析及方案选择
通过以上分析可知，对变电站常见故障节点进行温度实时监测和分析处理是变电站安全运作的有力保障。但变电站环境特殊，需要选择适合变电站特点的测温方案。本节将对常见的电气设备温度监测技术进行分析和对比。
常规的温度监测方式是使用热电偶、热电阻、半导体等温度传感元件测温，但是这些元件是有源传感器，在变电站环境内无法保证良好的绝缘性、抗电磁干扰性，因此不适用于变电站电气设备的温度测量。目前变电站温度监测的主流方案有：红外热成像测温、光纤测温、无线传感器测温。下面对这几种测温技术进行分析。