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基于全方位超越数字孪生技术测温态势感知系统的研究

2025-01-06 44 上传者：管理员

摘要：研究了高压柜无线测温态势感知系统的设计、实现与性能评估。首先介绍了数字孪生技术的基本概念及理论基础；其次探讨了高压柜无线测温态势感知系统的总体架构以及关键技术与方法；最后以某电厂高压柜为例，对其无线测温态势感知系统各模块进行了设计与开发，并对其性能进行了测试与评估。测试结果表明，系统在功能、性能、实时性、可靠性和安全性等方面均表现良好，达到了设计要求和实际应用需求。

关键词：
态势感知系统
数字孪生技术
无线测温
用电安全
电力系统
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高压柜设备是电力系统中的重要组成部分，其安全稳定运行直接关系到电网的可靠性和用户的用电安全。由于高压柜设备在运行过程中，电流通过会产生大量热量以及受到外部环境变化的影响，可能会引发温度异常，从而导致设备故障，甚至引发火灾等严重事故[1]，因此，对高压柜的温度监控和管理显得尤为重要。

1、数字孪生技术的基本概念及理论基础

1.1 数字孪生技术简介

数字孪生技术是指在虚拟空间中创建与现实物理对象相对应的数字模型，通过该模型对物理对象的状态和行为进行实时监控、分析和优化[2]。这一技术融合了物联网、人工智能、大数据和虚拟现实等多种前沿技术，以实现对物理世界的精确模拟和管理。具体来说，数字孪生体不仅是一个静态的数字模型，还是一个动态的、与物理对象同步更新的系统，通过不断获取和处理来自物理对象的实时数据，反映物理对象的当前状态，并能预测其未来状态和行为。

1.2 态势感知系统概述

态势感知系统是指通过对环境中各类信息的综合感知、理解和预测，全面了解和掌握系统当前状态，进而为决策提供支持的技术体系[3]。态势感知最早应用于军事领域，用于实时监控战场态势，现已广泛应用于安全防护、交通管理、电力系统等多个领域。

1.3 无线测温技术简介

无线测温技术是一种通过无线传感器网络实时监测温度变化的技术[4-5]。与传统有线测温方式相比，无线测温技术利用无线传感器将温度数据传输到数据接收终端，无须复杂的电缆布线，从而提高了测温系统的灵活性和可靠性。该技术广泛应用于工业制造、电力系统、环境监测等领域。

2、系统设计

2.1 系统架构

2.1.1 物理层设计

在进行物理层设计时，需要选择合适的硬件设备，并制定详细的安装和配置方案。无线测温系统的总体结构主要由上位监控中心与无线传感网络组成。高压开关柜中的多个测温节点组成无线传感网络，温度传感器在对高低压开关柜内的各个温度点进行数据采集之后，将温度信号通过一定的方式转换成电信号，再由ZigBee芯片发射到数据协调器。然后，通过以太网传输到监控中心，监控中心对温度数据展开分析与处理，以此来实现对温度的实时监控。

无线测温系统以Windows作为操作平台，采用相应的数据库语言编写程序，工作人员可以通过交互实现预警、智能诊断与温度查询等功能。

2.1.2 数据传输层设计

数据传输层设计是确保温度数据从采集点到中央处理系统或云平台的传输过程稳定且可靠的关键环节。在高压柜无线测温态势感知系统中，数据传输层的设计包括数据采集、无线传输、数据接收和初步处理等步骤。

2.1.3 数据处理层设计

数据处理层旨在确保从数据接收终端传输来的数据得到高效、准确的处理和分析，从而可以提供实时监控和预警服务。在高压柜无线测温态势感知系统中，数据处理层的设计包括数据存储、数据分析、异常检测和态势感知等步骤。

2.2 关键技术与方法

2.2.1 传感器选型

传感器选型是无线测温态势感知系统设计中不可或缺的环节之一，其决定了温度数据采集的准确性和可靠性。在高压柜无线测温态势感知系统中，传感器需要满足高灵敏度、宽测量范围、高稳定性和耐恶劣环境等要求。

2.2.2 无线通信协议

在高压柜无线测温态势感知系统中，无线通信协议的选择对于系统的稳定性、可靠性和实现低功耗至关重要。本文选择了LoRa无线通信协议，其具有低功耗、长距离传输和强抗干扰能力等特性，非常适合高压环境下的传感器数据传输。LoRa无线通信协议使用868 MHz频段，提供良好的穿透力和信号覆盖范围；采用星形拓扑结构，传感器节点将数据传输至集中式的LoRa网关。

2.2.3 数据融合算法

在高压柜无线测温态势感知系统中，数据融合算法的设计尤其重要，它能够将多个传感器节点采集的数据进行有效整合，提高数据的准确性和可靠性，从而提供更为全面的温度态势分析。通过数据清洗去除噪声和异常值，确保数据的准确性，采用基于统计方法的异常检测算法识别并剔除异常数据。同时，对于丢失或不完整的数据，使用插值算法进行补全，确保数据的连续性。

2.2.4 可视化技术

在高压柜无线测温态势感知系统中，可视化技术能将复杂的数据转换为直观的图形和图表，帮助用户快速理解和分析系统的运行状态。首先，采用数据可视化工具（如Grafana）来展示实时和历史温度数据。实时温度数据通过折线图显示，用户可以直观地看到各传感器节点的当前温度值和温度变化趋势。历史温度数据则以柱状图、热力图等多种形式展示，帮助用户分析温度变化的长期趋势和异常情况。

3、应用与实现

3.1 某电厂高压柜案例分析

3.1.1 现场情况描述

重庆某火力发电厂主厂房设有高压配电室，该火力发电厂是区域电网的核心枢纽，负责向周边多个城市和工业区供电。该高压配电室内的高压柜设备包括多个高压断路器、母线接头和电缆接头等关键部位，这些设备在长期运行中容易因过热导致故障，从而影响电网的稳定运行。因此，对高压柜设备进行实时温度监控和管理显得尤为重要。

高压配电室的高压柜安装在室内，环境温度和湿度较为稳定，但设备运行过程中产生的热量集中在局部区域，如母线接头和断路器触头等。高压柜内部的空间较为狭小，且布线复杂，传统有线测温方式在安装和维护上存在诸多不便。因此，采用无线测温技术对高压柜进行温度监控已成为当前的最佳选择之一。

现场勘查发现，高压柜内部的温度分布不均，局部高温区域较为明显，尤其在夏季高负荷运行时，温度升高更为显著。此外，发电厂内的高压设备长期运行，电磁干扰较强，对测温设备的抗干扰性能提出了较高要求。同时，为了保证发电厂的正常运行，测温系统的安装和调试需尽量减少对现有设备的干扰和影响，确保高效、快速地完成部署。

为了全面掌握高压柜的温度状态，需要在高压柜的各个关键部位安装温度传感器，实时监测温度变化情况。根据现场情况，传感器的选型和安装需要考虑防水、防尘、防电磁干扰等因素，并确保数据传输的稳定性和可靠性。同时，系统还需要具备数据存储、分析和展示功能，通过可视化界面直观显示温度变化趋势和报警信息，便于运维人员及时发现和处理异常情况。

高压柜的现场情况要求无线测温态势感知系统具备高精度、高可靠性和强抗干扰能力，能够在复杂环境中稳定运行，并提供全面、实时的温度监控和智能预警服务，为发电厂的安全运行提供有力保障。

3.1.2 需求分析

为了确保高压柜的安全稳定运行，系统需要具备实时温度监控功能。在系统各关键部位安装温度传感器，每分钟采集一次数据，及时响应温度变化。由于高压柜内部布线复杂且存在强电磁干扰，传感器需采用LoRa无线通信技术，以确保稳定的数据传输覆盖整个发电厂区域。采集的数据需要通过加权平均法、卡尔曼滤波和贝叶斯估计等算法进行清洗、融合和处理，以提高其准确性和可靠性。

系统须具备异常温度检测和预警功能，为此本文设置了合理的温度阈值，采用基于规则的系统和机器学习算法进行实时检测，以确保及时报警。使用时序数据库（如InﬂuxDB）存储数据，通过Grafana等工具进行可视化展示，生成温度曲线、热力图和报警记录。传感器须具备IP67或更高级别的防护能力，具备防水、防尘和抗振动特性，并设计冗余通信机制和自愈网络，以保证系统的稳定性和可靠性。

系统还需便于安装、调试和维护。首先，采用模块化设计来确保传感器和通信模块的便捷安装与更换，同时设计远程管理和配置功能，以便于系统维护和扩展。其次，系统需要支持多用户登录，通过界面对不同用户的权限级别进行配置和管理，确保数据安全并控制操作权限。通过这些需求分析，确保高压柜无线测温态势感知系统的高效、稳定和可靠运行。

3.2 系统实现

3.2.1 硬件安装

需要对高压柜的各关键部位进行现场勘察，确定传感器的具体安装位置。这些关键部位包括母线接头、断路器触头、变压器绕组和电缆接头等。在确定安装位置后，开始安装高精度温度传感器，如K型热电偶和PT100热敏电阻。

3.2.2 软件开发

高压柜无线测温态势感知系统软件开发的重点在于如何开发各个功能模块以确保系统的高效、稳定运行，包括数据清洗、聚合和计算消息队列，再由Flink（一个流计算框架）进行实时流处理。

3.3 性能测试与评估

3.3.1 测试方法

本文采用了多种测试方法对系统性能进行评估，以此来确保系统在不同场景下均具有稳定性和可靠性。首先，通过功能测试验证系统各个模块的正常工作，包括数据采集、传输、处理、异常检测、预警和可视化展示等功能。将模拟数据和真实数据进行对比，保证系统在不同数据条件下的稳定性。其次，进行压力测试，评估系统在高负载情况下的性能，确保其在高并发和大数据量条件下的稳定性。最后，使用压力测试工具（如Apache JMeter）模拟大量数据输入，观察系统的响应时间、数据处理能力和稳定性，并逐步增加数据量和并发用户数，记录系统性能指标。

3.3.2 测试结果与分析

功能测试结果显示，数据采集模块能够准确读取温度数据，并通过LoRa网络稳定传输到中央处理系统。数据处理模块成功对数据进行清洗和融合，异常检测和预警功能能够实时响应温度异常情况。可视化展示模块能够实时展示温度数据和报警信息，用户界面简洁明了，操作便捷。

压力测试结果显示，系统在高负载情况下表现稳定，能够处理大量并发数据输入。即使1 000个传感器同时输入并发数据，系统的响应时间仍保持在200 ms以内，数据处理能力达到每秒2 000条记录，证明系统具有较高的扩展性和处理能力。此结果证明系统架构设计合理，能够在实际应用中支持大规模数据监控需求。

实时性测试结果显示，系统的数据处理速度和响应速度满足实时监控的要求。从数据采集到展示的全程时间平均为500 ms，最大延迟不超过800 ms，能够及时响应温度变化。这表明系统在不同网络环境下表现均良好，实时性高，能够满足高压柜实时监控的需求。

可靠性测试结果显示，系统连续运行72 h无故障，日志文件中无重大错误记录。各模块功能正常，数据采集和处理能力稳定，这说明系统具有高可靠性，能够在实际应用中长期稳定运行，提供持续的监控和预警服务。

安全性测试结果显示，系统的数据加密和身份验证机制能够有效防止数据泄露及被篡改。数据在传输和存储过程中通过对称加密算法AES-128加密，未发现任何数据泄露或被篡改情况。身份验证机制确保只有授权用户能够访问系统，未出现未授权访问的情况。这证明系统具有较高的安全防护能力，能够保障数据的保密性和完整性。

综上所述，高压柜无线测温态势感知系统在功能、性能、实时性、可靠性和安全性等方面均表现良好，达到了设计要求和实际应用需求。系统的高效运行不仅为高压柜的安全监控提供了有力保障，也有助于提高电力系统整体的运行安全性和可靠性。通过全面的性能测试与评估，可以确认该系统能够在实际应用中发挥重要作用，确保高压柜设备的安全稳定运行。

4、结论

本文详细介绍了高压柜无线测温态势感知系统的设计、实现与性能评估。通过对系统各个模块的详细设计和开发，确保了系统的高效运行和稳定性。通过多种测试方法，全面评估了系统在不同场景下的性能。测试结果表明，系统在功能、性能、实时性、可靠性和安全性等方面均表现良好，达到了设计要求和实际应用需求。系统能够处理大量并发数据输入，实时性高，稳定性和安全性强，能够长期无故障运行，为高压柜的安全监控提供了有力保障。

参考文献:

[1]蒋叶峰.无线测温系统在电力系统的应用[J].水泥,2024(6):78-79.

[2]于虹. 10 kV高压开关柜无线测温技术分析[J].电子世界,2020(24):17-18.

[3]何珏,王奇,孙萌,等.电力局域网通信安全态势智能感知系统设计[J].电子设计工程,2023,31(16):134-137,142.

[4]张达强.高低压开关柜无线实时测温系统的研究运用[J].仪器仪表与分析监测,2024(2):33-37.

[5]谭志勇,夏锐,王媛媛,等.一种基于UHF RFID无源无线测温技术及其应用[J].农村电气化,2023(8):43-47.

文章来源:孟令建.基于全方位超越数字孪生技术测温态势感知系统的研究[J].电子产品世界,2025,32(01):60-63.