一種電涌保護器智能監(jiān)測系統(tǒng)的研制

翁慧穎，陸海波，錢 江，鹿鳴明，郭創(chuàng)新

（1.麗水電業(yè)局，浙江 麗水 323000；2.浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027）

隨著電力系統(tǒng)自動化技術(shù)的發(fā)展，變電站自動化程度越來越高.弱電設備的通信線纜會將各類過電壓引入，造成設備無法正常運行甚至損壞［1－2］.安裝電涌保護器SPD（Surge Protective Device）可阻止雷電流從各類電纜引入，實現(xiàn)分流，是變電站二次系統(tǒng)防雷的最主要措施［3－4］.這些SPD在線長期運行時，在雷電過電壓（流）脈沖波侵擾和自然老化的雙重作用下，其性能會逐漸下降，一旦劣化失效，會造成嚴重后果.因此，現(xiàn)場在線SPD性能狀態(tài)的測試［5］和故障診斷［6］以及設備整體雷電過電壓（流）防護能力［7］的評估工作同樣極為重要.但隨著變電站SPD的增多，人工現(xiàn)場測試、評估和維護工作量急劇增大，這在人力、物力和時間方面往往讓管理人員力不從心.

目前，國內(nèi)外對于雷電流的測量已有較多的研究［8－9］，但專門針對變電站電涌保護器（SPD）在線監(jiān)測的成套系統(tǒng)尚不多見.市面上已有的一些便攜式SPD測量儀，對SPD的測試需通過人工定期監(jiān)測，大大增加了監(jiān)測SPD的工作量［10］.

筆者遵循IEC 61850［11］變電站自動化系統(tǒng)標準，開發(fā)了一套能對已安裝的SPD在線性能狀態(tài)進行實時監(jiān)測和老化預警的智能系統(tǒng).該系統(tǒng)可以取代耗費大量人力、物力的現(xiàn)場測試，同時能夠采集雷擊電流波形等參數(shù)，結(jié)合安裝位置可以較為有效地判斷雷電流的入侵方式，為變電站整改防雷措施提供依據(jù).該系統(tǒng)已經(jīng)在陳寮山微波站現(xiàn)場運行，效果良好.

1 總體設計方案

SPD智能監(jiān)測管理系統(tǒng)架構(gòu)主要由中心顯示管理平臺、通信模塊和現(xiàn)場測量終端組成.現(xiàn)場測量終端負責收集SPD各類信號，主要包括狀態(tài)采集和接地點的泄流波形等；通信模塊根據(jù)具體實際情況選擇合適的方式傳輸終端數(shù)據(jù)；中心顯示管理平臺則負責匯總顯示，并與用戶交互，也可在此進行數(shù)據(jù)后期處理與分析.系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖1所示.

現(xiàn)場測量終端安裝在各變電站，SPD泄流接地線的泄流波形經(jīng)雷電流傳感器轉(zhuǎn)化成電壓信號，通過隔離電路由高速AD轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進入FPGA/DSP處理模塊，SPD遙信端狀態(tài)信號經(jīng)I/O光電隔離電路直接進入FPGA/DSP處理模塊.終端數(shù)據(jù)經(jīng)由通訊模塊選擇以太網(wǎng)或GPRS實時發(fā)送到中心顯示管理平臺，由中心顯示管理平臺對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行綜合管理和分析.中心顯示管理平臺對失效SPD或遭受雷擊的SPD進行報警顯示，并對所有數(shù)據(jù)進行圖表化管理，支持生成各類統(tǒng)計報表和臺帳.

圖1 SPD智能監(jiān)測管理系統(tǒng)框架Figure 1 Framework of intelligent SPD monitoring system

2 關鍵模塊設計

2.1 監(jiān)測終端

現(xiàn)場測量終端主要由電流傳感器、前向通道、FPGA（Field－Programmable Gate Array）采樣控制模塊、DSP中央控制模塊和數(shù)據(jù)傳輸接口等組成，如圖2所示.

圖2 信號采集與處理流程示意Figure 2 Schematic diagram of signal acquisition and processing

雷擊電流的測量采用Rogowski線圈作為SPD智能監(jiān)測管理系統(tǒng)的終端測量裝置的傳感器.在SPD波形采集過程中，前置信號調(diào)理電路進行信號的阻抗變換和放大驅(qū)動.通過一級運放來實現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換以減小輸出阻抗，同時轉(zhuǎn)換電平以保證與后面的A/D轉(zhuǎn)換器相匹配.SPD泄流接地線的泄流波形經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)化成電壓信號，通過隔離電路由高速AD轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進入FPGA采樣控制模塊，SPD遙信端狀態(tài)信號經(jīng)I/O光電隔離電路直接進入FPGA采樣控制模塊.SPD泄流接地線的泄流波形信號和SPD遙信端狀態(tài)信號經(jīng)FPGA初步組合處理進入DSP中央控制模塊，由DSP中央控制模塊負責數(shù)據(jù)的最終整合、存儲，并利用以太網(wǎng)或GPRS網(wǎng)絡傳輸模塊將現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)街行娘@示管理平臺.

2.2 通信模塊

終端數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)或GPRS實時發(fā)送到中心顯示管理平臺.參考IEC（International Electrotechnical Commission）61850通信標準，對設備間的互聯(lián)進行規(guī)范化，形成一個規(guī)范的輸出.這可以減少工程量、現(xiàn)場驗收、運行、監(jiān)視、診斷和維護等費用，節(jié)約大量時間，增加了自動化系統(tǒng)使用期間的靈活性.采用抽象通信服務接口映射到制造報文規(guī)范MMS（Microsoft Media Serverprotocol）、TCP/IP、以太網(wǎng)或光纖網(wǎng)以及GPRS無線通信網(wǎng).整個監(jiān)測平臺的測控單元均采用統(tǒng)一的協(xié)議，通過網(wǎng)絡進行信息交換.采用IEC 61850的通信協(xié)議體系，使得整個監(jiān)測系統(tǒng)能夠與其他使用相同接口規(guī)范的平臺進行無縫連接.

2.3 中心顯示管理平臺

2.3.1 層次結(jié)構(gòu)

中心顯示管理平臺實時接收現(xiàn)場測量終端的數(shù)據(jù)，并對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行綜合管理和分析.中心顯示管理平臺對失效SPD或遭受雷擊的SPD進行報警顯示，并對所有數(shù)據(jù)進行圖表化管理，支持生成各類統(tǒng)計報表和臺帳.中心顯示管理平臺的軟件層次主要分為界面層、邏輯層、數(shù)據(jù)層和通訊層，如圖3所示.

圖3 中心顯示管理平臺軟件層次Figure 3 Architecture layers of center display management platform

1）界面層.面向?qū)ο蟮能浖O計，實現(xiàn)系統(tǒng)各項功能在界面上的實現(xiàn)和人機交流功能，實現(xiàn)友好的人機交互界面，體現(xiàn)系統(tǒng)維護管理和結(jié)果顯示的靈活性和人性化；

2）邏輯層.負責綜合管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)和實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能，是中心顯示管理平臺軟件設計的核心；

3）數(shù)據(jù)層.提供上位機數(shù)據(jù)庫訪問、存儲等基本接口；

4）通訊層.提供上位機與終端通訊接口.

2.3.2 軟件功能

中心顯示平臺主要功能包括：

1）采用Client/Server（客戶/服務器）結(jié)構(gòu)，后臺采用SQL（Structured Query Language）數(shù)據(jù)庫，支持Web訪問和查詢，支持終端管理功能（用戶可以創(chuàng)建新的終端，定義終端的屬性及終端每個采集口的名稱以方便管理）；

2）報警窗口在系統(tǒng)設置的響應時間內(nèi)未響應，系統(tǒng)將發(fā)短信通知相應用戶；報警窗口關閉，系統(tǒng)則不發(fā)送短信；

3）在線SPD管理，即管理SPD的基本屬性和參數(shù)，如：編號、品牌、型號、安裝時間、雷擊次數(shù)、雷擊時間、泄流電流幅值及波形；

4）現(xiàn)場終端管理，包括終端基本信息和參數(shù)管理，以及終端開關量及模擬電流與SPD的對應設置；

5）報警管理.報警觸發(fā)分2種情況：即①在線SPD損壞，在線SPD受雷擊后，動態(tài)監(jiān)測性能變化；②系統(tǒng)定時檢測，針對SPD使用壽命期限等情況，在其即將失效前進行預警，提醒更換，從而能更加有效地保護設備.報警設置，即設置在線SPD不同型號的不同報警條件，1個型號對應1條報警規(guī)則.報警記錄查詢，即根據(jù)報警信息、報警時間、處理情況等進行查詢；

6）維護管理.包括：權(quán)限管理，支持多用戶分級權(quán)限管理，對Web訪問用戶給予最低權(quán)限；基礎資料管理，給系統(tǒng)內(nèi)各在線SPD建立基礎信息庫；報表維護，統(tǒng)計雷擊記錄（日期、地點、在線SPD泄流電流），統(tǒng)計在線SPD更換記錄（日期、地點、在線SPD型號）.

2.3.3 多級分組管理

隨著SPD產(chǎn)品安裝數(shù)量的增加，監(jiān)測系統(tǒng)輪詢其運行狀態(tài)的時間間隔也明顯增加，導致監(jiān)測系統(tǒng)實時性和效率的降低.在此情況下，提出了根據(jù)SPD所處的地理位置進行多級分組管理的解決方案，應用多級分組機制進一步規(guī)范對SPD的統(tǒng)一管理.

按照多級分組管理策略，監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測SPD運行狀態(tài)，需要從頂級分組開始.輪詢從一級分組的第1個結(jié)點開始，第1個結(jié)點輪詢結(jié)束反饋其相關信息，之后輪詢一級分組的第2個結(jié)點，依次反復執(zhí)行，對其內(nèi)部所有級別分組的每個結(jié)點進行故障監(jiān)測.

基于此種描述，可歸納出應用于計算機建模設計領域的N 叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型.監(jiān)測系統(tǒng)的故障監(jiān)測過程，歸結(jié)到算法設計上就是對N叉樹進行遍歷的過程，即實現(xiàn)根結(jié)點→每個分支結(jié)點→葉子結(jié)點的遍歷過程.實際中，監(jiān)測的是各級分組內(nèi)的所有SPD的運行狀態(tài)，而不是分組本身，分組只是一個虛擬的概念，目的是為了便于管理.同樣，監(jiān)測系統(tǒng)真正輪詢的是分組內(nèi)部所有SPD的運行狀態(tài)，而每級分組只是將其內(nèi)部所有SPD的故障狀態(tài)呈現(xiàn)給用戶的軟件界面，一旦SPD狀態(tài)出現(xiàn)異常，分組就會相應動作發(fā)出故障提示.

2.3.4 人機交互

人機交互的界面層采用面向?qū)ο蟮能浖O計，實現(xiàn)系統(tǒng)各項功能在界面上的實現(xiàn)和人機交流功能，體現(xiàn)系統(tǒng)維護管理和結(jié)果顯示的靈活性和人性化.

系統(tǒng)界面全面展示了整個SPD監(jiān)測系統(tǒng)，菜單欄中提供了系統(tǒng)管理、設備管理、報警管理、通訊管理及統(tǒng)計分析服務等功能.主界面顯示的SPD監(jiān)視詳情可按處理類型進行篩選，提供當前信息和歷史信息；下方雷擊記錄子窗口中可雙擊查看某一雷擊的波形圖.

利用智能監(jiān)測系統(tǒng)主界面，用戶能夠全面了解當前SPD的運行情況，對雷擊做統(tǒng)計分析，可以對SPD設備遭受雷擊后的處理進行錄入管理.

3 應用實例

陳寮山位于浙江省麗水市北面，是麗水城區(qū)最高峰.陳寮山微波通信站是一個典型的雷害嚴重的微波通信站，位于山峰頂部，設有鐵塔，由于山高樹少，極易成為雷擊的目標.盡管微波通信站采取了一定的防雷措施并安裝了防雷器件，但雷擊事故依然時有發(fā)生.雷電流如何入侵、入侵強度、雷擊時防雷器件是否正常工作，這些問題以目前的技術(shù)手段尚無法評估.

同時，在微波通信站安裝的SPD多數(shù)時間處于無人值班的狀態(tài)，這些SPD長期運行時，一方面抗御雷電過電壓（流）脈沖波侵擾，另一方面也在自然老化，一旦SPD處于劣化、失效邊緣，不僅可能造成設備無法正常運行，在雷擊時還有可能失去防御效果［12］，因此，現(xiàn)場在線SPD性能狀態(tài)的測試以及設備整體雷電過電壓（流）防護能力的評估工作與防雷措施同樣重要.

針對雷害較為嚴重的陳寮山微波通信站，SPD智能管理系統(tǒng)在該微波通信站中的應用旨在判斷雷擊入侵的途徑和采集雷電流參數(shù)，分析雷害成因，提供風險評估與雷擊過電壓防護措施等級研究，指導防雷裝置的科學設計、安裝并完善，減少防雷設備的重復投入，使有效的防雷資金發(fā)揮最大的作用；同時對微波通信站電涌保護器在線運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，通過對SPD動作泄放電流的采集和分析來判斷防雷措施是否處于有效工作狀態(tài).

針對以上目標，結(jié)合工程實際情況，分別在供電線路、環(huán)母接地點、GPS天饋線等處安裝現(xiàn)場測量終端，如表1所示.

表1 SPD智能監(jiān)控管理系統(tǒng)終端配置Table 1 Terminal unit setting of SPD monitoring system

SPD智能監(jiān)測管理系統(tǒng)從2009年3～8月對陳寮山微波站各監(jiān)測點雷擊次數(shù)統(tǒng)計結(jié)果：來自電源C相和TITAN電源機柜接地點的雷擊次數(shù)均有5次，電源進線復合避雷器接地線和電源N線的次數(shù)各3次，環(huán)母上的次數(shù)為4次.

圖4所示是其中一次雷擊的具體波形（終端為HZYN0612002）.發(fā)生在2009年8月29日機房環(huán)母東北位置記錄的雷擊數(shù)據(jù).雷電流為正極性，波形震蕩，峰值為0.84kA，采樣頻率為10MHz.從波形和極性判定為感應雷.

圖4 機房環(huán)母東北位置記錄波形Figure 4 Recorded wave form of ringbus in the northeast machine room

綜合以上運行數(shù)據(jù)可知，SPD智能監(jiān)測管理系統(tǒng)能夠采集雷擊電流波形等參數(shù)，結(jié)合安裝位置可以判斷雷電流的入侵方式，為微波站整改防雷措施提供依據(jù).隨著時間的發(fā)展，在積累更多的樣本之后，該系統(tǒng)會是一個非常有效且實用的雷電災害分析和防雷減災工具.

4 結(jié)語

筆者針對目前變電站現(xiàn)場測試SPD復雜、高成本方面的缺點，設計了一種電涌保護智能監(jiān)測系統(tǒng).其主要優(yōu)點有①監(jiān)測變電站雷擊入侵渠道，分析雷害成因；②監(jiān)測SPD工作狀態(tài)，對不正常SPD告警；③研究變電站防雷擊過電壓裝置建設的有效性、科學性及合理性.

該系統(tǒng)已在陳寮山微波站實際運行.運行數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)能夠有效地采集雷擊電流波形等參數(shù)，結(jié)合安裝位置可以較為有效地判斷雷電流的入侵方式，為變電站整改防雷措施提供依據(jù)，進而提高變電站的整體防雷水平.

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