具備局放監(jiān)測(cè)功能的架空線故障指示器設(shè)計(jì)

李曉芳 劉家兵 李從飛

摘? 要：文章設(shè)計(jì)了一種新型的架空線配網(wǎng)故障指示器，用于監(jiān)測(cè)輸電線路的局放及實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)預(yù)防線路絕緣及短路故障。該裝置充分利用故障指示器安裝于架空線導(dǎo)線的位置優(yōu)勢(shì)和直接測(cè)量配電電流的功能優(yōu)勢(shì)，提出一種基于超聲波局部放電監(jiān)測(cè)原理和GPS/BD同步對(duì)時(shí)技術(shù)的架空線配網(wǎng)故障指示器，解決配網(wǎng)架空線路故障前監(jiān)測(cè)預(yù)警和故障后精確分析的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：輸電線路;故障監(jiān)測(cè);故障指示

中圖分類(lèi)號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）27-0100-04

Abstract： In this paper， a new type of overhead line distribution network fault indicator is designed to monitor the running status of transmission lines and respond to faults in a timely manner. This equipment takes advantage of the location advantage of the fault indicator installed on the overhead line conductor and the functional advantage of directly measuring the distribution current， and proposes an overhead line distribution network fault indicator based on the principle of ultrasonic partial discharge monitoring and GPS/BD synchronous time synchronization technology， so as to solve the problems of monitoring and early warning before distribution network overhead line failure and accuracy analysis after failure.

Keywords： transmission line; fault monitoring; fault indication

引言

我國(guó)城鄉(xiāng)輸電線路一般采用不同的輸送介質(zhì)，城市內(nèi)一般采用電纜，城市之間以及廣大的農(nóng)村地區(qū)，仍然使用架空線路（即傳統(tǒng)的電線桿輸電線路），架空裸導(dǎo)線輸電容易因短路，絕緣距離不足引發(fā)各種故障，例如電弧光，電擊穿等，故障發(fā)生點(diǎn)往往不易尋找，修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)。

目前已有部分架空線路采用故障指示器來(lái)實(shí)現(xiàn)輸電線路的監(jiān)測(cè)，但傳統(tǒng)故障指示器只提供一些簡(jiǎn)單的故障指示信息，對(duì)故障原因、故障發(fā)生時(shí)的狀態(tài)均無(wú)從獲知，此類(lèi)故障指示器依然只是故障后的指示裝置，并不能實(shí)現(xiàn)故障前的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，故障原因分析也存在較大難度，改進(jìn)此類(lèi)故障指示器，對(duì)國(guó)家輸電線路的發(fā)展具有重大意義。

本文利用故障指示器安裝于架空線導(dǎo)線的位置優(yōu)勢(shì)和直接測(cè)量輸電電流的功能優(yōu)勢(shì)，提出一種基于超聲波局放監(jiān)測(cè)原理和GPS/BD同步對(duì)時(shí)技術(shù)的故障指示器，解決了配網(wǎng)架空線路故障前監(jiān)測(cè)預(yù)警和故障后精確分析的問(wèn)題。[1-2]

1 總體設(shè)計(jì)

故障指示器由電源單元、監(jiān)測(cè)單元、接口單元、主控制器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器組成;電源單元包括取能模塊、儲(chǔ)能模塊和電源模塊;監(jiān)測(cè)單元包括溫度測(cè)量模塊、電流測(cè)量模塊、電壓測(cè)量模塊和局放檢測(cè)模塊;接口單元包括聲光指示模塊、GPS/BD模塊和無(wú)線通信模塊。指示器采用多種取能方式，且能實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)設(shè)備同步采樣，故障分析功能更為強(qiáng)大。[3]

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源單元

電源單元包括：取能模塊、儲(chǔ)能模塊、電源模塊;

取能模塊，儲(chǔ)能模塊和電源相連接，在本設(shè)計(jì)中，取能模塊采用3種取能方式，分別為線圈取能，光伏取能，電池取能。在取能時(shí)，支持一種或多種取能方式同時(shí)工作。

線圈取能，利用磁生電的原理，輸電線路中通入高壓交流電時(shí)，線圈周?chē)嬖诮蛔兇艌?chǎng)，當(dāng)此輸電線路穿過(guò)線圈時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，為裝置供能。

光伏取能，利用光伏生電的方式，為裝置供電，裝置上會(huì)外置一塊太陽(yáng)能發(fā)電板，這塊電板會(huì)在接受到陽(yáng)光照射時(shí)產(chǎn)生電能，為裝置供電。

電池取能，電池供能是本裝置最主要的功能方式，電池會(huì)在裝置其他取能方式獲取的電能不足時(shí)，提供電能。

儲(chǔ)能模塊，儲(chǔ)能模塊采用的是超級(jí)電容，超級(jí)電容在其他取能方式獲取的能量過(guò)剩時(shí)，將多余的電能儲(chǔ)存在電容中，同時(shí)超級(jí)電容中儲(chǔ)存的電能在取能不足時(shí)，會(huì)提供電能供裝置工作，目的就是最大程度的節(jié)約電能，延長(zhǎng)裝置使用壽命。[4]

2.2 監(jiān)測(cè)單元

監(jiān)測(cè)單元包括溫度測(cè)量模塊、電流測(cè)量模塊、電壓測(cè)量模塊和局放檢測(cè)模塊。

溫度測(cè)量模塊，利用熱電偶測(cè)量導(dǎo)線的溫度變化，當(dāng)線路發(fā)生短路時(shí)，電流急劇增大，會(huì)在電路上產(chǎn)生大量的熱量，溫度監(jiān)測(cè)感受到溫度變化，會(huì)立即響應(yīng)，發(fā)送故障請(qǐng)求。

電流測(cè)量模塊，通電導(dǎo)線穿過(guò)裝置，裝置中電流傳感器能夠獲取線路中電流的大小和方向（相位），裝置會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的電流參數(shù)判斷電流的狀態(tài)，一旦發(fā)生故障便會(huì)及時(shí)上報(bào)。

電壓測(cè)量模塊，通電導(dǎo)線穿過(guò)裝置，電壓傳感器能夠獲取線路中電壓的大小和方向（相位），裝置會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的電壓參數(shù)判斷電壓的狀態(tài)，一旦發(fā)生故障便會(huì)及時(shí)上報(bào)。

局放檢測(cè)模塊，本裝置采用超聲波檢測(cè)的方法監(jiān)測(cè)導(dǎo)線絕緣損壞時(shí)，局部放電發(fā)出的高頻噪聲。

2.3 接口單元

接口單元包括聲光指示模塊、GPS/BD模塊和無(wú)線通信模塊。

聲光指示模塊，用于現(xiàn)場(chǎng)的故障指示，故障發(fā)生時(shí)間在白天時(shí)，翻牌告警;故障發(fā)生在夜晚，則LED燈閃爍警告。

GPS/BD模塊，負(fù)責(zé)接收衛(wèi)星的定位信號(hào)和授時(shí)信號(hào)，主控制器根據(jù)接收的信號(hào)，進(jìn)行時(shí)間同步和位置信息確認(rèn)。在后續(xù)的故障分析中，時(shí)間和地點(diǎn)的同步關(guān)系會(huì)影響到對(duì)故障問(wèn)題的定位和原因判斷，三相電流的相位校準(zhǔn)也需要精確時(shí)標(biāo)。

無(wú)線通信模塊，采用物聯(lián)網(wǎng)通信方式NB-IOT進(jìn)行通信，連接裝置和后臺(tái)的系統(tǒng)服務(wù)器，方便操作人員觀察和監(jiān)測(cè)。

2.4 裝置的工作流程

當(dāng)裝置工作時(shí)，GPS/BD模塊會(huì)將其接收的定位和同步信息送至主控制器;監(jiān)測(cè)單元將其監(jiān)測(cè)到的各類(lèi)數(shù)據(jù)送至主控制器，主控制器會(huì)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的判斷，如果判斷為故障狀態(tài)，將會(huì)向聲光指示模塊發(fā)出告警，指示模塊隨即動(dòng)作，閃燈或者翻牌。同時(shí)將告警信息和采集的數(shù)據(jù)一同打包通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送至后臺(tái)服務(wù)器。這些數(shù)據(jù)同時(shí)也會(huì)送至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，作為原始數(shù)據(jù)保存。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

故障指示器的外殼，包括上部的金屬外殼和底部的中空塑料外殼，金屬外殼中藏有線圈，線圈和金屬外殼之間存在絕緣層，用來(lái)隔離線圈和金屬外殼。在上部金屬外殼貼近架設(shè)線的一側(cè)，環(huán)繞有場(chǎng)強(qiáng)電容的一級(jí)，此場(chǎng)強(qiáng)電容會(huì)和架空線相接觸，因此要求此場(chǎng)強(qiáng)電容必須為金屬材質(zhì)。

架空線導(dǎo)線穿過(guò)上部金屬外殼和底部塑料中空外殼之間的孔洞，底部塑料中空外殼的外底部安裝有太陽(yáng)能光伏板，安裝時(shí)故障指示器可繞架空線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以便調(diào)節(jié)太陽(yáng)能光伏板，使其朝向平均陽(yáng)光最強(qiáng)的方向。調(diào)節(jié)完成后，要緊固安裝，以免指示器晃動(dòng)甚至脫落。

4 功能設(shè)計(jì)

本裝置有四種工作模式：休眠模式，間歇工作模式，全速工作模式，強(qiáng)制喚醒模式。

休眠模式，當(dāng)取能模塊取能不足以為芯片工作供電，超級(jí)電容儲(chǔ)能不足，且導(dǎo)線供電為0A時(shí)，芯片進(jìn)入低功耗休眠模式，此時(shí)裝置不進(jìn)行采樣和通信工作。此時(shí)芯片耗電量為2.5uA/MHz間歇工作模式，取能模塊可以為芯片工作供能或者電容儲(chǔ)能充足，芯片進(jìn)入間歇工作模式，此時(shí)裝置的采樣頻率下降，通信模塊進(jìn)入待機(jī)模式。

全速工作模式，滿足以下條件之一，便進(jìn)入全速工作狀態(tài)：（1）取能模塊取電大于工作消耗;（2）電容無(wú)法繼續(xù)儲(chǔ)能;（3）導(dǎo)線輸電出現(xiàn)故障電流。此時(shí)裝置全速采樣，通信模塊打開(kāi)，等待發(fā)送和接收。

強(qiáng)制喚醒模式，當(dāng)后臺(tái)需要與裝置通信，監(jiān)測(cè)此時(shí)狀態(tài)時(shí)，無(wú)論裝置處于何種狀態(tài)，強(qiáng)制進(jìn)入全速工作模式。[5]

4.1 故障機(jī)制設(shè)計(jì)

在一個(gè)周波內(nèi)采樣80個(gè)采樣點(diǎn)，輸入AD轉(zhuǎn)換，芯片監(jiān)測(cè)采樣點(diǎn)突變，一旦出現(xiàn)兩個(gè)突變點(diǎn)，即判定為線路故障。在程序中設(shè)定一個(gè)最大偏差參數(shù)t，一旦超過(guò)這個(gè)參數(shù)即判定為突變點(diǎn)。隨即記錄裝置的時(shí)間，IP地址，將此信息打包，發(fā)送至通信模塊，通信模塊向基站發(fā)送通信請(qǐng)求，建立鏈接。

4.2 低功耗設(shè)計(jì)

為了滿足長(zhǎng)時(shí)間野外運(yùn)行，裝置采用了低功耗運(yùn)行模式，在低功耗運(yùn)行模式下，CPU需要RTC中斷來(lái)喚醒CPU工作，在一個(gè)RTC中斷周期中，完成：（1）采樣AD轉(zhuǎn)換;（2）故障判斷;（3）同步錄波;（4）后臺(tái)通信;（5）等待;（6）休眠;全部過(guò)程。

4.3 通信設(shè)計(jì)

本裝置采用NB-IOT方式通信，全稱為基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)，主要應(yīng)用在低速率，低功耗，大數(shù)據(jù)連接的物聯(lián)網(wǎng)。

通信模塊使用CN18S芯片，支持PSM和eDRX低功耗模式，共有四種通信狀態(tài)：通信鏈接狀態(tài)，空閑狀態(tài)，PSM狀態(tài)，eDRX狀態(tài)。

當(dāng)裝置進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺(tái)后，隨即進(jìn)入空閑狀態(tài)，再次啟動(dòng)需要開(kāi)啟激活定時(shí)器，定時(shí)器的時(shí)間設(shè)定為1/4個(gè)周波時(shí)間。如果定時(shí)器未被激活時(shí)，進(jìn)入PSM狀態(tài)，通信模塊只保留NB-ION的信息，發(fā)射接收功能關(guān)閉，即進(jìn)入休眠狀態(tài)，再次通信時(shí)，需要從PSM喚醒。在PSM狀態(tài)下，可能會(huì)有下行通訊數(shù)據(jù)的丟失。

當(dāng)裝置進(jìn)入通信等待章臺(tái)時(shí)，通信模塊進(jìn)入eDRX狀態(tài)，每隔一段時(shí)間監(jiān)聽(tīng)一次PTW（尋呼時(shí)間窗口），PTW的大小在定時(shí)器中設(shè)定為100個(gè)周波長(zhǎng)度。此種狀態(tài)在裝置間歇工作時(shí)使用，可以在保證通信的同時(shí)，最大程度上降低功耗。[6]

5 測(cè)試結(jié)果

5.1 采樣錄波測(cè)試

三相交流電的錄波波形，每一相相差120°，誤差在0.5°范圍內(nèi)，交流電輸出電流大小為160A，輸出波峰值為226.2A，誤差在0.1A以內(nèi)，其精度測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)電流在10A以內(nèi)時(shí)，誤差小于0.2A，當(dāng)電流在30～100A范圍時(shí)，誤差小于1%，電流采樣精度滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 裝置能耗測(cè)試

本設(shè)計(jì)采用的電池為3.6V，8.5Ah的一次性鋰電池。按照能效75%計(jì)算，在裝置無(wú)外部取能的情況下，可以為裝置休眠狀態(tài)供能19.67年，完全滿足國(guó)家電網(wǎng)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的故障指示器，由于其指示裝置故障簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)和分析，不能夠明確的分析故障原因和及時(shí)響應(yīng)故障，對(duì)突發(fā)故障的處理，很難得心應(yīng)手。本設(shè)計(jì)在現(xiàn)有故障指示器的基礎(chǔ)上增加GPS/BD通信功能，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)所有故障指示器的采樣同步，使得故障分析功能更為強(qiáng)大;同時(shí)故障指示器具備的局放檢測(cè)功能，通過(guò)對(duì)導(dǎo)線上的超聲波進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠檢測(cè)導(dǎo)線放電情況，可以實(shí)現(xiàn)絕緣故障預(yù)警;故障指示器在取能方面采用了多種方式，可實(shí)現(xiàn)電流線圈取能、電壓場(chǎng)強(qiáng)取能、光伏取能，電池取能，同時(shí)采用超級(jí)電容進(jìn)行儲(chǔ)能，使得本裝置更加穩(wěn)定，工作時(shí)限更長(zhǎng)，易于推廣應(yīng)用。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，本次設(shè)計(jì)的架空線故障指示器的各種功能運(yùn)行良好，能夠很好的兼容和適應(yīng)多種工作場(chǎng)合，同時(shí)本次設(shè)計(jì)創(chuàng)新之處在于對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中硬件模塊的改進(jìn)及其連接組合關(guān)系，而非僅僅是對(duì)硬件模塊中為實(shí)現(xiàn)有關(guān)功能而搭載的軟件或協(xié)議的改進(jìn)。所以，對(duì)本裝置日后的改進(jìn)更加容易，以適應(yīng)傳輸電網(wǎng)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]張兵銳，李芙英.輸電線故障錄波及定位系統(tǒng)的研究[J].電測(cè)與儀表，2002，39（6）：27-30.

[2]岳仁超，孫建東.新型配電網(wǎng)故障指示器的設(shè)計(jì)[J].電子器件，2015（4）：845-848.

[3]張興鵬.基于CC430單片機(jī)的故障指示器設(shè)計(jì)研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

[4]王健.基于微功率無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)的故障定位系統(tǒng)在智能配網(wǎng)中的應(yīng)用方案[J]廣西電業(yè)，2014（03）：106-110.

[5]徐辰婧.配電網(wǎng)精益化規(guī)劃研究及應(yīng)用[D].浙江大學(xué)，2014.

[6]劉乾.基于故障指示器的配電網(wǎng)故障定位研究[D].廣西大學(xué)，2016.