油田輸配電線路接地線狀態(tài)識別和定位技術(shù)

劉 軍 劉慶寶 聶萬慶

1.中國石化集團公司勝利油田分公司 山東東營 257000 2.勝利石油管理局有限公司電力分公司 山東東營 257000

1 研究背景

長期以來,對于輸配電線路接地線一直依靠管理制度約束,按照安全規(guī)程的要求進行電話報告、通知確認(rèn)接地線的安裝情況。在人工無法滿足監(jiān)測需求的背景下,為提高作業(yè)過程中的工作效率,需要結(jié)合先進技術(shù),連接無線通信,實現(xiàn)自動化監(jiān)測。北斗定位技術(shù)和5G無線通信技術(shù)的推廣應(yīng)用,為流動性大、地理位置分布廣、數(shù)量多、狀態(tài)變化隨機的工業(yè)設(shè)備運行狀態(tài)在線監(jiān)測提供了技術(shù)支持。通過研究,設(shè)計傳感器,并對現(xiàn)有接地線進行改造,可以實現(xiàn)輸配電線路接地線的狀態(tài)識別和定位。

2 輸配電線路接地線在線監(jiān)測必要性

根據(jù)電力安全工作規(guī)程的相關(guān)要求,在電力線路技術(shù)措施中,裝設(shè)接地線、使用個人保安線是保障檢修作業(yè)安全性的必要措施[1]。在電力系統(tǒng)中,接地線是在已停電設(shè)備和線路上意外出現(xiàn)電壓時保障工作人員安全的重要工具。線路流動接地線和個人保安線的安裝、摘除全部依靠人工進行,無法將接地線的安裝位置與自動化系統(tǒng)對接。為消除線路作業(yè)過程中接地線安裝不規(guī)范、不及時的情況,杜絕帶接地線進行線路送電誤操作,結(jié)合新技術(shù)的應(yīng)用,實現(xiàn)線路接地線掛接的實時監(jiān)控。為了防止接地線漏接或漏拆,主要采用接地鎖等技防措施。通過在接地裝置上加裝接地鎖,將接地裝置納入線路安全監(jiān)控防誤系統(tǒng),可以有效避免接地裝置漏接或漏拆[2]。但是,加裝大量接地鎖,成本較高,操作較為復(fù)雜,并且加裝接地鎖并不適用于所有接地裝置,線路中加裝太多的接地鎖,會提高直流接地的可能性,提高接地裝置漏電等事故風(fēng)險。由此可見,實現(xiàn)線路接地線實時監(jiān)控,需要同時配合人工檢查各檢修設(shè)備運行狀態(tài),查漏補缺。

輸配電線路縱橫延伸距離長,處在不同的環(huán)境中,受地理環(huán)境和氣候的影響很大。油田輸配電線路多分布于野外,無法獲取穩(wěn)定電源,現(xiàn)場使用的自動化裝置對電源設(shè)計、通信等要求較高,流動接地線的在線監(jiān)測無法實現(xiàn)。實際操作過程中,要求嚴(yán)格執(zhí)行電力安全工作規(guī)程等相關(guān)規(guī)定,但違章情況還是存在,成為輸配電線路檢修的重要風(fēng)險點。隨著變電站無人值守、集控管理的推進,電網(wǎng)數(shù)據(jù)全面采集逐步完成,接地線的安裝狀態(tài)采集成為亟待解決的問題。實現(xiàn)接地線掛接狀態(tài)信息采集和定位信息實時安全回傳至電力地理信息系統(tǒng),從而能夠在全送電區(qū)域檢測并直觀顯示當(dāng)前接地線的狀態(tài),防止帶接地線送電風(fēng)險和作業(yè)前接地線安裝不規(guī)范違章行為的發(fā)生,輔助調(diào)度員判斷潛在安全隱患,以滿足對整個電網(wǎng)實時監(jiān)控的要求。還可以對接地線使用過程中的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行管理,對接地線的使用地點進行定位跟蹤,利用地理信息系統(tǒng)對塔桿地理信息進行查詢,通過線路工作票檢修數(shù)據(jù)記錄、了解線路檢修狀態(tài),方便線路作業(yè)指揮人員進行線路相關(guān)信息查詢,保證接地線管理工作實施更加高效[3]。

3 傳統(tǒng)接地線夾具掛接傳感器觸發(fā)技術(shù)

接地線作為安全技術(shù)措施,應(yīng)用貫穿于電網(wǎng)的發(fā)展歷史。應(yīng)用傳感器,立足于不改變目前使用接地線的外形,不改變安裝操作方式和過程。對于變電站流動接地線,可以通過掛接地線時讀取接地線接地極的編號來實現(xiàn)位置識別。線路接地線的接地極沒有固定地點,大多通過臨時插入地面金屬釬來實現(xiàn)接地,因此無法使用類似方法實現(xiàn)掛接位置的識別。油田輸配電線路遠離城區(qū),掛接分散,由此接地線掛接點的位置采用經(jīng)緯坐標(biāo)定位識別較為方便,如何觸發(fā)采集掛接位置點成為需要解決的問題。

油田輸配電線路導(dǎo)線的直徑從60 mm到240 mm,型號種類很多,實現(xiàn)不同直徑接地線掛接時的靈敏檢測是問題解決的關(guān)鍵。接地線夾具掛接并觸發(fā)傳感器,用于北斗衛(wèi)星定位及其它模塊休眠喚醒,安裝位置及靈敏度至關(guān)重要。如圖1所示,在接地線夾具頂端將磁敏傳感器固定在凹槽內(nèi),通過橫向銑槽的方式避免傳感器受夾具金屬屏蔽磁路的影響,磁敏傳感器的靈敏度滿足要求[4]。

圖1 磁敏傳感器固定在接地線夾具頂端

磁敏傳感器與核心電路板的連接通過加工微孔來實現(xiàn),連接線通過接地線夾具側(cè)面凹槽與核心電路板連通,如圖2所示。

圖2 磁敏傳感器與核心電路板連接

在磁敏傳感器與磁柱間,磁通被薄鋁層屏蔽而變?nèi)?磁敏傳感器在磁柱接近過程中不會誤動。當(dāng)導(dǎo)線推動觸頭移動時,嵌入的磁柱隨觸頭移動,經(jīng)過微孔,此時磁通量因無鋁層屏蔽而瞬間加大,確保掛接不同直徑接地線時磁敏傳感器可靠動作。嵌入接地夾具的磁柱如圖3所示。

圖3 嵌入接地夾具的磁柱

4 衛(wèi)星定位與通信技術(shù)

北斗衛(wèi)星定位具有高精度定位導(dǎo)航能力,無人機搭載北斗衛(wèi)星高精度定位模塊,導(dǎo)航服務(wù)水平精度高于5 m,高程小于10 m。在電力北斗衛(wèi)星精準(zhǔn)位置服務(wù)網(wǎng)的支撐下,動態(tài)水平精度高于3 cm,高程精度高于5 cm。選取110 kV線路和220 kV線路,利用高精度北斗衛(wèi)星定位技術(shù)、通信和人工智能技術(shù),提高運檢專業(yè)遠程運維能力[5]。接地線掛接在線監(jiān)測時,應(yīng)用定位芯片,屬于北斗衛(wèi)星定位技術(shù)的特殊應(yīng)用場合。選擇定位芯片,需要側(cè)重于體積小、功耗低,這樣才能滿足掛接地線到拆除接地線期間的持續(xù)工作要求,并且降低電池更換等日常維護工作量。在北斗衛(wèi)星通信終端之間相互發(fā)送數(shù)據(jù),這種雙向通信功能是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)區(qū)別于其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之處。端到端的通信方式不受地理位置限制,通常情況下無通信盲區(qū),成本較低,可以作為通信手段匱乏的偏遠地區(qū)通信的有效補充。北斗衛(wèi)星通信的報文長度和通信頻次由國家發(fā)放的通信卡等級決定,對民用開放的通信卡通常是通信間隔為1 min的分鐘卡,單幀可發(fā)送報文長度為78.5 Byte。通信頻次更高、單幀容量更大的高等級通信卡需要特殊申請,以解決特定應(yīng)用[6]。油田輸配電線路上影響定位的因素有很多,如接收衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座的數(shù)量、是否支持實時差分定位、頻段、收斂時間、校正方式等。地理位置作為接地線采集的重要信息,其實現(xiàn)精度與功耗是關(guān)鍵指標(biāo)。選擇ATGM336H中科微北斗定位模組,功耗低,內(nèi)置天線檢測電路,具有天線短路保護功能,可以實現(xiàn)雙模連續(xù)跟蹤和定位。冷啟動的捕獲靈敏度為-148 dBm,跟蹤靈敏度為-162 dBm,可以在相對短的時間內(nèi)獲得定位坐標(biāo),定位精度不低于2.5 m,對于目前線路接地線掛接識別而言較為理想。模塊尺寸為9.7 mm×10.1 mm×2.4 mm,完全滿足集成在接地線夾具操作桿內(nèi)的要求。

考慮到當(dāng)前2G、3G 退網(wǎng),5G覆蓋率有限的情況,決定采用4G技術(shù)。選擇EC200U-CN4G移遠模塊芯片,最大下行傳輸速率為10 Mbit/s,最大上行傳輸速率為5 Mbit/s。在封裝時兼容移遠通信多網(wǎng)絡(luò)制式,實現(xiàn)3G與4G網(wǎng)絡(luò)之間的無縫切換。這一模塊芯片內(nèi)置豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,集成多個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口,支持多種驅(qū)動和軟件功能,能夠在視窗、Linux、安卓等操作系統(tǒng)中由通用串行總線驅(qū)動。經(jīng)實地測試,在低信號強度環(huán)境中,這一模塊芯片的靈敏度滿足邊遠地區(qū)線路對通信靈敏度的要求。

傳輸協(xié)議對接地線掛接檢測而言十分關(guān)鍵,是雙方實體完成通信或服務(wù)所必須遵循的規(guī)則和約定。消息隊列遙測傳輸協(xié)議是一種即時通信協(xié)議,比較適合物聯(lián)網(wǎng)場景的通信。消息隊列遙測傳輸通過傳輸控制協(xié)議連接至云端,云端實現(xiàn)接地線與服務(wù)器之間消息的轉(zhuǎn)發(fā)。消息隊列遙測傳輸協(xié)議設(shè)計時考慮到不同設(shè)備計算性能的差異,最小數(shù)據(jù)包僅2 Byte,對于低功耗、低速網(wǎng)絡(luò)也有良好的適應(yīng)性。消息隊列遙測傳輸協(xié)議具有完善的服務(wù)質(zhì)量機制,根據(jù)業(yè)務(wù)場景可以選擇最多一次、至少一次、一次三種消息送達模式,并且由于所有數(shù)據(jù)通信都經(jīng)過云端,因此安全性得到較好的保障。將消息隊列遙測傳輸協(xié)議作為通信支撐,可以大大減小通信數(shù)據(jù)量,有效降低裝置功耗,提升安全防護與隔離水平,延長電池使用壽命。

5 地理信息系統(tǒng)的接入

油田電網(wǎng)要做到全景展示,輸配電線路地理信息系統(tǒng)是最好的選擇。電網(wǎng)管理建立在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、電網(wǎng)模型上,地理信息系統(tǒng)中的空間信息、數(shù)據(jù)信息、自動化實時數(shù)據(jù)等可以生成電網(wǎng)的指標(biāo)信息,電網(wǎng)的指標(biāo)信息是接地線監(jiān)控的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[7]。

5.1 坐標(biāo)修正

需要注意的是,接地線掛接點坐標(biāo)與線路桿塔坐標(biāo)之間的誤差是必然存在的,這就導(dǎo)致接地線掛接點無法直接應(yīng)用線路桿塔坐標(biāo),需要進行坐標(biāo)修正。

輸配電線路檢修時,需要結(jié)合巡檢時的缺陷及運行信息。接地線掛接根據(jù)檢修需要進行,在整個區(qū)域內(nèi)均有可能分布,并且掛接形式多樣。接地線掛接位置實時獲取的坐標(biāo)存在2～10 m不等的誤差,并且線路桿塔基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在錄入時本身也存在誤差,所以將掛接點坐標(biāo)校正為線路桿塔坐標(biāo),才能保證系統(tǒng)中接地線掛接位置在輸配點線路上。按照就近原則進行修正,在附近有且只有一條輸配電線路時,掛接點坐標(biāo)修正為該線路最近點的桿塔坐標(biāo),同時結(jié)合手動方式進行確認(rèn)。

5.2 交叉同桿多條線路接地線識別

可能存在相鄰線路或者交叉跨越線路的接地線無法確定到底是掛接在哪條線路上的情況,對此需要進行交叉同桿多條線路接地線識別。帶電線路是不可能掛接地線的,根據(jù)這一原則,通過數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)接口獲得線路開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù),過濾帶電運行線路。在此基礎(chǔ)上,對于接地線掛接點與多條相鄰線路距離過于接近,無法進行有效坐標(biāo)修正的情況,采用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)獲取操作變位,輔助判斷線路真實掛接點。通過上述步驟仍然無法有效判定接地線的掛接線路時,由人工通過移動電話終端來手動選擇正確的掛接線路。

5.3 適配

接入現(xiàn)有地理信息系統(tǒng),必然要進行適配,匹配原有的輸配電線路地圖。通過前述坐標(biāo)修正和交叉同桿多條線路接地線識別,能夠完成適配,實現(xiàn)準(zhǔn)確實時顯示接地線位置及掛接狀態(tài)。接地線在線監(jiān)測接入地理信息系統(tǒng)后,地理信息系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖4 地理信息系統(tǒng)界面

6 項目測試

針對接地線誤掛漏拆,提出主動防御的理念,對接地線出庫、在途運輸、現(xiàn)場掛接、結(jié)束拆除、裝車返回、回庫管理全流程進行監(jiān)控,同時通過采取北斗衛(wèi)星定位和無線通信技術(shù)相結(jié)合的方法,將接地線狀態(tài)實時通過車載接地線回收裝置傳送至管理后臺,實時監(jiān)測接地線位置及狀態(tài)[8]。為獲取可能存在的問題,對這一研究進行了測試,包括傳感器性能測試、傳感器邏輯功能性測試等。

6.1 傳感器性能測試

應(yīng)用環(huán)境測試內(nèi)容見表1,電磁兼容性測試內(nèi)容見表2,坐標(biāo)識別定位測試內(nèi)容見表3。

表1 應(yīng)用環(huán)境測試內(nèi)容

表2 電磁兼容性測試內(nèi)容

表3 坐標(biāo)識別定位測試內(nèi)容

6.2 傳感器邏輯功能性測試

低功耗工作狀態(tài)模擬測試內(nèi)容見表4,分模塊功能測試內(nèi)容見表5,模塊集成后穩(wěn)定性測試內(nèi)容見表6,數(shù)據(jù)傳輸測試內(nèi)容見表7。

表4 低功耗工作狀態(tài)模擬測試內(nèi)容

表5 分模塊功能測試內(nèi)容

表6 模塊集成后穩(wěn)定性測試內(nèi)容

表7 數(shù)據(jù)傳輸測試內(nèi)容

7 結(jié)束語

通過對油田輸配電線路接地線狀態(tài)識別和定位技術(shù)進行研究,在不增加有線、無線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資的基礎(chǔ)上,建立以互聯(lián)共享技術(shù)為主的生產(chǎn)智能遠程測控系統(tǒng),以完成油田輸配電線路接地線的遠方在線實時監(jiān)測。應(yīng)用具有北斗衛(wèi)星定位、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ艿碾姎庠O(shè)備位置傳感器是一個新的探索,將北斗衛(wèi)星定位引入設(shè)備管理,完成線路接地線安裝狀態(tài)、安裝位置的實時監(jiān)測。結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備操作過程,基于線路接地線狀態(tài)和變電站線路出口開關(guān)狀態(tài)的全面采集,實現(xiàn)了新型防帶電工作及防帶接地線送電技術(shù)手段。通過具體應(yīng)用,能夠?qū)崿F(xiàn)油田電網(wǎng)設(shè)備實時全面監(jiān)控和管理,減小人為因素對電氣設(shè)備操作管理的影響,提高油田電網(wǎng)智能化運行管理水平,有效降低油田電網(wǎng)事故率,提高油田電網(wǎng)供電可靠性。