輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠性提升方法研究

王 睿，郭志廣，郎慶凱，鄭鵬超

（北京國(guó)網(wǎng)富達(dá)科技發(fā)展有限責(zé)任公司，北京100070）

0 引 言

輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是智能電網(wǎng)建設(shè)輸電環(huán)節(jié)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)輸電線(xiàn)路狀態(tài)運(yùn)行檢修管理，提升生產(chǎn)運(yùn)行管理精細(xì)化水平的重要技術(shù)手段［1］。輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境較為復(fù)雜，絕大部分裝置安裝在遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)的地方，地形復(fù)雜，自然環(huán)境惡劣，常出現(xiàn)高溫高寒等極端天氣情況；具有較強(qiáng)的電磁干擾、工頻磁場(chǎng)干擾等。這樣惡劣的應(yīng)用環(huán)境對(duì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置的可靠性提出了較高的要求［2］。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及設(shè)計(jì)要求

1．1 系統(tǒng)構(gòu)成

輸電線(xiàn)路在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)針對(duì)輸電線(xiàn)路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路覆冰、舞動(dòng)、風(fēng)偏、弧垂等運(yùn)行狀態(tài)以及線(xiàn)路和桿塔所處微氣象環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在線(xiàn)路運(yùn)行異常時(shí)發(fā)出預(yù)警，指導(dǎo)線(xiàn)路的運(yùn)維與搶修。

輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)控終端、監(jiān)控基站和監(jiān)控平臺(tái)3部分構(gòu)成，如圖1所示。監(jiān)控終端安裝于桿塔或者導(dǎo)線(xiàn)上面，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路運(yùn)行參數(shù)的采集；監(jiān)控基站負(fù)責(zé)各路監(jiān)控終端數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、處理，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺(tái)；監(jiān)控平臺(tái)部署于機(jī)房，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理與展示。

圖1 輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1．2 可靠性設(shè)計(jì)要求

國(guó)家電網(wǎng)公司相關(guān)技術(shù)規(guī)范規(guī)定，輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)壽命應(yīng)大于8年，平均無(wú)故障工作時(shí)間（MTBF）應(yīng)不低于25 000 h，年均數(shù)據(jù)缺失率應(yīng)不大于1%；應(yīng)具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，具備防雨、防潮、防腐蝕、抗振、防雷、抗電磁干擾等性能；適應(yīng)在－40℃～＋70℃的溫度范圍、高電磁干擾的環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

1．3 常見(jiàn)故障分析

在輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，監(jiān)控平臺(tái)安裝于機(jī)房，穩(wěn)定性較高，并且維護(hù)方便，因此影響系統(tǒng)可靠性的因素主要集中于監(jiān)控基站和監(jiān)控終端，其常見(jiàn)故障集中于以下幾個(gè)方面［3］：

（1）硬件電路故障：嚴(yán)酷的環(huán)境溫度、強(qiáng)烈的電磁干擾、雷擊等外界干擾，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行電子元器件的失效等造成裝置硬件電路的損壞。

（2）軟件故障：在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下軟件程序運(yùn)行出現(xiàn)異常造成的死機(jī)、數(shù)據(jù)失效等現(xiàn)象。

（3）供電系統(tǒng)故障：由于運(yùn)行環(huán)境的限制，在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只能采用太陽(yáng)能方式供電，長(zhǎng)時(shí)間陰雨天氣會(huì)造成供電暫時(shí)中斷；電池在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)容量減小、負(fù)載能力降低、失效等現(xiàn)象，造成供電中斷。

（4）通訊系統(tǒng)故障：野外環(huán)境公網(wǎng)信號(hào)較弱，會(huì)出現(xiàn)通訊異常情況。

（5）機(jī)械及封裝故障：監(jiān)控裝置在桿塔和導(dǎo)線(xiàn)上面的安裝固定、線(xiàn)纜的連接、機(jī)殼防水等因素導(dǎo)致在野外環(huán)境長(zhǎng)期運(yùn)行易出現(xiàn)異常，造成設(shè)備故障。

2 可靠性建模

根據(jù)可靠性設(shè)計(jì)理論及在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的常見(jiàn)故障，將在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為主控電路板、監(jiān)測(cè)終端、供電系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、外接傳感器等幾個(gè)功能模塊。由于MTBF是一個(gè)基本可靠性參數(shù)，任一個(gè)組成單元的故障都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障，因此輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性模型為一個(gè)串聯(lián)結(jié)構(gòu)模型，功能框圖（圖2）和可靠性框圖（圖3）如下。

圖2 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能框圖

根據(jù)輸電線(xiàn)路狀態(tài)監(jiān)測(cè)CMD的可靠性框圖，可以推得輸電線(xiàn)路狀態(tài)監(jiān)測(cè)CMD的可靠性數(shù)學(xué)模型［4］：

式中，RS為輸電線(xiàn)路狀態(tài)監(jiān)測(cè)CMD的可靠性；R1為基站ARM9主控板可靠性；R2為監(jiān)測(cè)終端可靠性；R3為供電系統(tǒng)可靠性；R4為通訊系統(tǒng)可靠性；R5為外接傳感器可靠性。

3 可靠性提升方法

3．1 電路設(shè)計(jì)

按照產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)理論進(jìn)行梳理和優(yōu)化。

（1）根據(jù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，從環(huán)境因素、人的因素、機(jī)器因素三個(gè)大的方面調(diào)研在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用條件，形成設(shè)計(jì)輸入條件，用以指導(dǎo)可靠性設(shè)計(jì)。

（2）按照可靠性設(shè)計(jì)流程，從器件選型、降額設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)等各個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)電路進(jìn)行梳理、計(jì)算、核查，發(fā)現(xiàn)并解決在臨界或極端條件下可能會(huì)出問(wèn)題的設(shè)計(jì)隱患［5］。其中系統(tǒng)電路除個(gè)別器件外，均按照一級(jí)降額進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)了完全獨(dú)立于主控系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控模塊，當(dāng)主控系統(tǒng)出現(xiàn)異常及死機(jī)狀態(tài)時(shí)，可觸發(fā)斷電復(fù)位；部分易出問(wèn)題的傳感器和電路采用了備份設(shè)計(jì)，在單個(gè)部件出問(wèn)題的情況下，保證系統(tǒng)可以正常工作；按照四級(jí)防護(hù)等級(jí)進(jìn)行電路防護(hù)設(shè)計(jì)，添加防雷模塊，最大程度提高產(chǎn)品的防護(hù)性能［6］。

（3）工程計(jì)算

電子器件的參數(shù)都有一定的波動(dòng)范圍，并不是穩(wěn)定的單一數(shù)值，在長(zhǎng)期運(yùn)行中，或者在批量生產(chǎn)中不同的設(shè)備之間，同一臺(tái)設(shè)備的不同工作時(shí)間段，都會(huì)出現(xiàn)少量的不一致現(xiàn)象，嚴(yán)重者會(huì)出現(xiàn)參數(shù)超標(biāo)，引起系統(tǒng)故障。因此，只根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行器件選型，存在臨界條件下出現(xiàn)異常情況的風(fēng)險(xiǎn)，宜通過(guò)工程計(jì)算的方式進(jìn)行容差計(jì)算分析，做最壞電路情況分析，將器件的實(shí)際工作狀態(tài)和潛在風(fēng)險(xiǎn)隱患或者余量，用定量的數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)知和可控。

用上拉電阻的工程計(jì)算進(jìn)行實(shí)例分析，如圖4所示。

圖4 上拉電阻電路圖

上拉電阻的作用就是將不確定的信號(hào)通過(guò)一個(gè)電阻鉗位在高電平，此電阻同時(shí)起限流作用。如圖中所示，R1為信號(hào)線(xiàn)nCS0的上拉電阻，nCS0與CPU的PA0管腳和存儲(chǔ)芯片SDRAM的CE管腳相連接。通過(guò)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)可以查到CPU I／O的輸出電流最大為8 mA，SDRAM I／O輸入電流為2μA，輸出電流為1μA。

當(dāng)nCS0為高電平時(shí)，電流從CPU輸出到存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器高電平Uih的最小值為2．3 V，有如下公式：

當(dāng)nCS0為低電平時(shí)，電流從上拉電阻輸入到CPU和存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器低電平Vil最大值為0．1 V，有如下公式：

通過(guò)公式（2）、（3）計(jì)算出0．3 kΩ≤R1≤495 kΩ，R1可選取4．7 kΩ，滿(mǎn)足要求。

3．2 機(jī)械設(shè)計(jì)

按照機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)原則對(duì)產(chǎn)品機(jī)械與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行梳理，著重針對(duì)機(jī)械應(yīng)力對(duì)電路板的影響進(jìn)行了考慮與優(yōu)化，防止機(jī)械應(yīng)力影響和損壞電路板；選用高品質(zhì)的主控機(jī)箱、航空插頭等，對(duì)主控電路進(jìn)行二次封裝，增強(qiáng)系統(tǒng)的防護(hù)性能；對(duì)主控箱、電池箱、太陽(yáng)能電池板、天線(xiàn)的安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，增強(qiáng)安裝可靠性，方便工程現(xiàn)場(chǎng)安裝［7］。

3．3 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，系統(tǒng)供電多采用光伏供電的方式，易出現(xiàn)頻繁深度放電、長(zhǎng)期充電不足、小電流放電、高寒高溫等對(duì)電池不利的因素，針對(duì)以上因素，從三個(gè)方面對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化提升。

3．3．1 電池選型

針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境，配置不同類(lèi)型的電池，充分發(fā)揮不同類(lèi)型電池的特點(diǎn)。

（1）我國(guó)北方地區(qū)冬季氣溫較低，最低可達(dá)－40℃，宜采用純鉛電池。純鉛電池低溫性能好，間歇性充電性能好，體積相對(duì)小，自放電率低，循環(huán)次數(shù)高，相對(duì)鎳鎘電池成本低、環(huán)保、控制簡(jiǎn)單、更易維護(hù)，適合我國(guó)北方地區(qū)的使用。

（2）對(duì)于我國(guó)南方部分地區(qū)，陰雨天氣較多，無(wú)光照時(shí)間長(zhǎng)，宜選用大容量的膠體電池。

（3）其他地區(qū)，選用普通的膠體電池便可滿(mǎn)足應(yīng)用要求。

3．3．2 電源監(jiān)控

采用智能充放電控制器，對(duì)電源的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，掌握電源的充放電狀態(tài)，電池電量等信息。根據(jù)電源的監(jiān)控信息，對(duì)電源進(jìn)行相應(yīng)控制，關(guān)閉耗電量大的裝置或完全關(guān)閉。

3．3．3 溫度保護(hù)

針對(duì)高寒的應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)保溫機(jī)箱，并具備自加熱功能，在太陽(yáng)能電量有剩余的情況下對(duì)機(jī)箱內(nèi)的保溫儲(chǔ)能材料進(jìn)行加熱，以提高機(jī)箱內(nèi)的溫度，提高電池的充放電性能。

3．4 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

加強(qiáng)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化設(shè)計(jì)，統(tǒng)一產(chǎn)品部件的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，增加系統(tǒng)兼容性，形成穩(wěn)定的產(chǎn)品系列。

設(shè)計(jì)高集成度的主控系統(tǒng)板，可接收舞動(dòng)、微風(fēng)振動(dòng)等9類(lèi)設(shè)備數(shù)據(jù)；對(duì)監(jiān)測(cè)終端與監(jiān)測(cè)基站間的通訊平臺(tái)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，建立統(tǒng)一的2．4 GHz無(wú)線(xiàn)通訊平臺(tái)和485有線(xiàn)通訊平臺(tái)；對(duì)產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，保證同系列產(chǎn)品間的所有機(jī)械部件可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接；對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行模塊化、分體式設(shè)計(jì)，統(tǒng)一接口，不同的應(yīng)用環(huán)境可配置不同的供電系統(tǒng)。

3．5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

加強(qiáng)試驗(yàn)檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，到專(zhuān)業(yè)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行全面的試驗(yàn)與驗(yàn)證，通過(guò)設(shè)備的型式試驗(yàn)，包括結(jié)構(gòu)和外觀、準(zhǔn)確度、基本功能、可見(jiàn)電暈和無(wú)線(xiàn)電干擾、短路電流沖擊、雷電沖擊、靜電放電抗擾度、射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度、脈沖磁場(chǎng)抗擾度、工頻磁場(chǎng)抗擾度、高溫、低溫、交變濕熱、防護(hù)等級(jí)、振動(dòng)、運(yùn)輸、可靠性等，對(duì)關(guān)系設(shè)備可靠性的電磁抗擾度類(lèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行重點(diǎn)驗(yàn)證，設(shè)備可通四級(jí)電磁兼容的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［8］。

4 可靠性評(píng)估

4．1 理論分析

可靠性評(píng)估是通過(guò)應(yīng)力計(jì)數(shù)法進(jìn)行可靠性定量評(píng)估，完成理論評(píng)估的過(guò)程，需要從可靠性串并聯(lián)模型、失效率數(shù)據(jù)獲取、MTBF的計(jì)算幾方面進(jìn)行。根據(jù)輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成建立可靠性模型，采用元器件應(yīng)力分析可靠性評(píng)估方法，通過(guò)分析元器件所受的應(yīng)力，計(jì)算在該應(yīng)力條件下的工作失效率［9］。

對(duì)于電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，一般假定它的故障分布函數(shù)服從指數(shù)分布，這時(shí)它的可靠度函數(shù)為

由于MTBF是基本可靠性參數(shù)，如圖3所示，輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性模型是一個(gè)串聯(lián)模型，因此其失效率等于各組成部分失效率之和。

因此只要計(jì)算得到輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的失效率，就可以求得其平均故障間隔時(shí)間（MTBF）。

4．2 預(yù)計(jì)計(jì)算

本文所采用的元器件工作失效率預(yù)計(jì)公式和數(shù)據(jù)均來(lái)源于GJB／Z299C—2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》的附錄A（采用進(jìn)口電子元器件的電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)），計(jì)算結(jié)果如表1所示［10］。

表1 系統(tǒng)及各功能模塊失效率數(shù)據(jù)

在設(shè)定條件下對(duì)輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的MTBF進(jìn)行了初步預(yù)計(jì)分析，約為63 205 h。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)備可靠性是關(guān)系輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，本文針對(duì)目前所應(yīng)用的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提出了可靠性設(shè)計(jì)模型，對(duì)常見(jiàn)的問(wèn)題和故障進(jìn)行了分析與總結(jié)，提出了有針對(duì)性的可靠性提升方法。將可靠性評(píng)估理論應(yīng)用到輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，以?xún)?yōu)化后的系統(tǒng)為實(shí)例進(jìn)行了計(jì)算，得到MTBF預(yù)估值，驗(yàn)證了可靠性提升的效果，并為更進(jìn)一步優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

［1］ 黃志江，王 睿，李紅旗，郭志廣．輸電線(xiàn)路次檔距振蕩在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2012，28（324）：148－150．

［2］ 張文新，李華春，周作春．電力電纜運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)研究［J］．電力設(shè)備，2007，8（4）：39－42．

［3］ 于德明，郭昕陽(yáng)，陳方東，趙雪松，朱全友，王 磊．500kV輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用［J］．中國(guó)電力，2009，（05）：53－56．

［4］ 武曄卿．嵌入式系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)及案例解析［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012．

［5］ 李能貴．電子元器件的可靠性［M］．西安：西安交通大學(xué)出版社，1990．

［6］ 鄒建明．在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用［J］．高電壓技術(shù)，2007，33（8）：203－206．

［7］ 趙淑瑩，楊晨升．基于可靠性的機(jī)械零部件設(shè)計(jì)研究［J］．機(jī)械工程師，2010，（03）：45－47．

［8］ 陳華光．基于PLC的遠(yuǎn)程在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009，17（10）：1990－1992．

［9］ Ni M，McCalley J D，Vittle V，etal．Online Risk－based Security Assessment［C］．IEEE Transactions on Power Systems．2003．

［10］電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè) GJB／Z299B98［Z］．1999．