高壓輸電線路泄漏電流在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計

勾占鋒，王青三

(1.鄭州師范學院信息技術系，河南鄭州450044;2.南陽熱電有限公司，河南南陽473000)

0 引言

電力安全傳輸是保障國民生產、生活的重要因素，而高壓輸電又是其中最關鍵的一個環(huán)節(jié).在高壓輸電線路中采用高壓絕緣子來增加爬電距離，保障安全傳輸.高壓輸電線路絕緣子當其外表面粘附有一定的污穢物，同時遇到濕潤空氣作用后，污層電導會增大，使絕緣等級下降，泄漏電流增大，進而發(fā)展會產生局部放電、電弧閃絡，引起高壓線路意外跳閘斷電，給國民經濟造成重大損失.因此，高壓輸電線路泄漏電流的監(jiān)測有重大的意義.

為了防止污閃，除了被動的清洗之外，國內外學者也對絕緣子泄露電流的檢測提出了各種方法，主要分為非電流測量方法和電量測量方法兩大類，但就發(fā)展趨勢而言，目前主要采用電量測量方法.1994年楊萬開［1］等研制了利用光纖傳感器檢測運行中絕緣子誤會條件泄露電流的測量系統(tǒng).之后，有很多學者對泄露電流的檢測進行了研究［2-6］，主要的趨勢是利用無線傳輸網絡進行自動檢測［7-8］.

筆者根據高壓輸電線路的特點，提出了一種用于保障輸電線路可靠安全運行的無線實時在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案，所完成的系統(tǒng)能夠遠程無線監(jiān)測絕緣子的泄漏電流以及溫濕度、風向風速等環(huán)境數據，為狀態(tài)檢修提供決策依據，起到預警的作用，大大提高輸電線路的安全運行管理水平.

1 項目背景

高壓輸電線路具有分布地區(qū)廣、地理環(huán)境復雜的特點，以往電力部門都是根據經驗制定計劃，對各條輸電線路的絕緣子進行現(xiàn)場人工清洗，這樣的工作方式不具有針對性，同時也耗費人力、物力，對污穢嚴重的絕緣子若沒有及時發(fā)現(xiàn)并清洗，就會發(fā)生跳閘斷電事故.

根據輸電線路的特點，本系統(tǒng)使用遠程無線監(jiān)測方法，在監(jiān)控中心實時監(jiān)測絕緣子的泄漏電流，通過泄漏電流大小間接反映污穢情況，使管理人員可根據情況合理安排現(xiàn)場清洗.

在參考電力行業(yè)標準［9］的基礎上，根據大量在線監(jiān)測數據進行了反復試驗，初步確定報警參考值:當泄漏電流有效值大于10 mA且脈沖頻次大于10次/s時，已接近污閃，為預警值;當泄漏電流有效值大于或等于20 mA時，極易發(fā)展成污閃，為污閃報警值.

2 系統(tǒng)設計

高壓輸電線路泄漏電流在線監(jiān)測系統(tǒng)由傳輸網絡、前端設備和監(jiān)控中心三部分組成，如圖1所示.下面對傳輸網絡、前端設備、監(jiān)控中心的工作過程分別進行說明.

2.1 傳輸網絡

根據高壓輸電線路的特點，選擇移動通信網絡(GSM)進行傳輸.移動通信網絡具有覆蓋范圍廣、傳輸距離遠的優(yōu)點，在移動通信網絡能夠覆蓋的地區(qū)都能使用，不需要考慮距離的因素.

圖1 系統(tǒng)組網示意圖Fig.1 System network diagram

2.2 前端設備

前端設備安裝在高壓架空線路桿塔上，完成泄漏電流、溫濕度、風速風向、電壓等的監(jiān)測以及數據處理、分析、編碼和數據的接收、發(fā)射，主要包括各種采集器、編碼、傳輸、發(fā)射、太陽能電池和GSM通訊模塊等.前端設備主要部件包括泄漏電流傳感器(CSC)、溫濕度傳感器(THC)、風向和風速傳感器(WDRC)、室外機單元(RCMS)、太陽能電池(BATTERY)和GSM天線等六部分，前端設備及外圍配件的連接方式如圖2所示.

圖2 前端設備及外圍配件連接示意圖Fig.2 External front-end equipment and accessories connection diagram

泄露電流傳感器專業(yè)設計了高精度、雙量程、微電流傳感器，檢測交流電流的實時值.系統(tǒng)在硬件和軟件等方面對傳感器進行了線性修正及特殊處理，確保在電流信號很小時也能達到所要求的線性度和測量精度.

分機主要完成信號處理、A/D轉換、定時自動報警等功能，由信號處理模塊、A/D轉換模塊、時鐘模塊、監(jiān)控模塊和CPU模塊這五部分完成相應的功能.介紹如下.

a)信號處理模塊負責對各傳感器的微弱信號進行帶通濾波、線性放大、采樣保持、信號預處理，保證對采集信號進行精確地放大.

b)A/D轉換模塊完成對泄露電流、蓄電池電壓和溫濕度的模擬信號到數字信號的轉換.

c)監(jiān)控模塊保證系統(tǒng)的正常運行以及特殊情況的告警處理，監(jiān)測單片機的運行狀態(tài)，防止單片機程序死鎖，保證長期穩(wěn)定可靠運行.

d)時鐘模塊提供分機的定時信號，使分機按照規(guī)定的時間定時休眠與醒來，在醒來時分機檢測是否有主機指令或回送主機數據，當泄漏電流超限時分機會即時自動報警.

e)CPU模塊在時鐘模塊控制下定時醒來一次，控制電源模塊、信號采集模塊、D/A模塊和通訊模塊按照一定的程序工作，另外在告警超限時自動發(fā)出報警信號.

電源供電模塊采用太陽能電池板對蓄電池進行智能充電，根據不同的天氣情況、電池的剩余容量自動地按照適合于蓄電池的充電曲線進行充電，根據電池電壓、溫度、充電時間、充電電流自動決定充電的開始與停止.同時該模塊還完成太陽能電池到+5 V、-5 V、+12 V的電壓轉換，另外由單片機控制各模塊的單獨供電，對暫時不用的模塊進行斷電處理，以充分降低電能的損耗.

GSM無線通訊模塊負責數據的調制解調和無線通訊的發(fā)射、接收，通過軟硬件抗干擾措施解決信號的抗干擾問題.該模塊受CPU控制，通過串口與CPU連接，使用遵從GSM 07.05標準的AT指令按照短消息方式收發(fā)數據信息.

2.3 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心設計由監(jiān)控主機、數據傳輸設備以及運行在主機上的監(jiān)控軟件組成.

監(jiān)控主機實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制和管理、污穢電流的統(tǒng)計分析、查詢、統(tǒng)計打印、告警提示和專家建議，從而實現(xiàn)對整個區(qū)域的污穢監(jiān)測和現(xiàn)代化維護管理.數據傳輸設備完成監(jiān)控主機與前端分機的數據交換.

監(jiān)控軟件設計為業(yè)務處理臺、服務控制中心、數據庫系統(tǒng)三大模塊，三者可以分別安裝在不同的PC上，也可以安裝在同一臺PC上，具有很強的靈活性.軟件系統(tǒng)對接收到的泄漏電流和其他數據進行分析處理，可以把泄漏電流按照數學模型計算出來，并可給出某段時間內的最大值、平均值以及和其它氣候條件的對照，給監(jiān)測人員一個直觀的判斷依據.軟件設有告警系統(tǒng)，可以用聲、光報警，也可用短消息的方式把告警信息自動發(fā)送給監(jiān)管人員.同時軟件使用MapInfo地理信息系統(tǒng)，可以很明晰地顯示各檢測點的實際地理位置，并能對地圖無限放縮、漫游，實現(xiàn)直觀、良好的人機界面.

3 工作方式設計

系統(tǒng)的工作方式設計為正常工作、告警主動上傳、主機發(fā)送指令3種情況.

正常工作時，室外分機定期檢測各點的泄漏電流、溫度和濕度、風向、風速等參量，把這些數據進行計算、處理、打包后按一定的時間間隔以短消息的方式發(fā)給監(jiān)控主機，由中心的系統(tǒng)軟件對這些數據處理、儲存、顯示.這里的時間間隔可以由管理人員通過系統(tǒng)軟件隨時設定、修改.

告警主動上傳方式是當室外分機判斷檢測到的泄漏電流數據高于設置的門限值時，立即主動上傳此數據.

主機發(fā)送指令是指主機可以隨時對室外分機下達各種指令，包括點測、校時、修改門限設置、恢復默認設置、修改分機發(fā)送數據的時間間隔等.其中，點測指要求分機測量當時的數據并立即返回測量值，校時指對分機的時鐘校對時間，以使系統(tǒng)中的設備都工作于同一時鐘系統(tǒng)下.室外機的GSM模塊一直處于接收狀態(tài)，當收到主機指令后可以立即響應，完成指定操作，并發(fā)回相應信息.

4 技術難點解決方案

系統(tǒng)中的重點在于室外分機的設計.由于安裝在野外的高壓輸電線路桿塔上，條件非常惡劣，周圍高壓線的強電磁場干擾和日曬、雨淋、雷電、灰塵、冰凍的危害對設備的可靠性設計提出了很高的要求.本設計在嵌入式程序中加入很多容錯措施，對模擬信號的放大方面進行了采樣保持、峰值跟蹤等設計，對各部分電路分時供電，并且在機箱上也進行了雙層屏蔽、密封處理，使電路在各種惡劣環(huán)境下都能可靠穩(wěn)定工作.

泄漏電流監(jiān)測系統(tǒng)是本設計的難點.溫度采集器、無線收發(fā)器須安裝在高壓導線上，卻不能使用高壓線上的電源，又要遭受更強的電磁場、高頻諧波干擾，一旦安裝上就難以進行維護，這些給此部分電路提出了更多研究課題.本設計中采用特制的太陽能電池給模塊供電，同時設計特殊的防過充電、過放電、限制充電次數的電路進行保護.整個模塊由時鐘芯片控制定時供電、斷電，數據進行無線收發(fā)時又采用定制的控制協(xié)議來達到既省電、又能隨時、可靠傳輸數據的目的.溫度采集時沒有使用傳統(tǒng)的模擬信號，而是采用了高集成的數字溫度傳感器，傳輸數字信號時還另外提升了信號電平，以防止被高壓線的強噪聲淹沒.系統(tǒng)中的所有電路都采用了特殊的屏蔽處理，無線通信使用了超高頻的頻段并做多級抗干擾處理.

5 現(xiàn)場應用

本系統(tǒng)設計成功后，經過現(xiàn)場一年時間的穩(wěn)定運行，積累了很多一手數據，為管理人員絕緣子的泄漏電流情況，合理安排調度提供了實際參考數據.圖3為系統(tǒng)軟件的一個曲線截圖，圖4為其中一個桿塔上一天時間內三個絕緣子的泄漏電流數據和周圍環(huán)境數據，該數據顯示絕緣子泄漏電流較小，污穢程度很輕.通過這些在監(jiān)控端的數據，使用戶能夠清晰的掌握每個絕緣子的泄漏電流的變換，一旦發(fā)生泄漏電流超出告警值，就可以有針對性的進行清掃，大大提高了工作效率，保障了電力傳輸的安全.

圖3 系統(tǒng)軟件部分數據曲線截圖Fig.3 The curve part of the data system software screenshot

6 結論

圖4 某桿塔設備傳回的部分數據截圖Fig.4 Tower part of the data returned by the device screenshot

通過對高壓輸電線路的特點進行分析，設計了符合實際需求由傳輸網絡、前端設備、監(jiān)控中心三部分組成的高壓輸電線路泄漏電流在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據泄露電流情況采用正常工作、告警主動上傳、主機發(fā)送三種工作方式，對保障輸電線路的安全提供了有力的保障.通過對本系統(tǒng)的試用，使工作人員初步掌握了高壓架空線路接點的泄漏電流變化規(guī)律，及時預判了接點故障的產生，達到了狀態(tài)檢修的目的.這套系統(tǒng)不但給管理部門提供了直觀的判斷依據，給相關行業(yè)的技術改進提供了第一手的數據資料，而且節(jié)省了大量人工巡檢的人力、物力，具有較高的經濟效益.

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