高壓配電裝置的無線監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

高 方

（國網(wǎng)河南省電力公司商丘供電公司，河南商丘 476000）

隨著西電東送、國家電網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)，電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性等問題日益突出。高壓輸電線路在長距離、大容量傳輸、電網(wǎng)互聯(lián)等方面具有顯著優(yōu)勢，對西電東送、國家電網(wǎng)建設(shè)等具有重大意義。

但是，高壓輸電線路的長度較長，線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穿越高山、森林、河流、湖泊等復(fù)雜的氣候環(huán)境，在線路出現(xiàn)故障時，很難進行巡線和檢查。這就要求用記錄儀或距離設(shè)備來提供精確的距離，以便于查找故障。行波測距是高壓輸電線路故障定位的重要手段，但由于線路上存在著長距離傳輸衰減、高阻抗故障、T 接線路和智能變電站的發(fā)展，使得傳統(tǒng)的線路行波法在高壓輸電線路上的應(yīng)用效果不佳，很難達到準確的故障定位要求[1]。許多故障都是因為無法及時找到故障原因，導(dǎo)致長時間斷電，使電力系統(tǒng)的可靠性受到極大的影響，從而導(dǎo)致了經(jīng)濟、社會的巨大損失。電力系統(tǒng)急需一種高精度的故障定位技術(shù)，它可以及時獲知故障區(qū)域和距離，便于操作人員進行維修，提高運行維護效率。以最大限度地降低損耗，提高供電可靠性，改善供電質(zhì)量。因此，在高壓輸電線路中運用智能WAW 改為三模平臺技術(shù)進行實時在線監(jiān)測是一種很有意義的方法。但在實際應(yīng)用中，采集單元的安裝、匯集單元的供電、數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x等都存在著諸多難題。文章介紹了無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，著重對高壓輸電線路無線檢測預(yù)警系統(tǒng)在實施中存在的一些問題和對策進行了分析和探討。

1 無線自組織網(wǎng)絡(luò)設(shè)計要求

因電網(wǎng)多處在戈壁、沙漠、礦井等地，通信信號較差，利用傳統(tǒng)的通信商網(wǎng)絡(luò)很難進行數(shù)據(jù)的傳送，因此必須使用自組織網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)的傳送。為了減少一次投資，必須減少轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)目，并對長距離傳送方案進行研究。由于傳統(tǒng)的無線通信模組功率消耗大，設(shè)備壽命短，因此迫切希望研制出低功率的無線模組，以延長其使用壽命。所研發(fā)系統(tǒng)是可用于在線監(jiān)測線路絕緣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。除了在桿塔A、B、C 三相上分別安裝一個檢測節(jié)點之外，在變電所的線路末端設(shè)有一個匯集點，用以采集線路上全部檢測點的數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)關(guān)和變電所的光纖通訊端口與供電公司的生產(chǎn)管理網(wǎng)相連接。同時在線路工作區(qū)域內(nèi)設(shè)有所轄變電站的線路監(jiān)視中心，并配置磁盤陣列，以存儲線路監(jiān)測的歷史資料[2]。無線傳輸拓撲結(jié)構(gòu)是防止信息阻塞的一種方法?？蓪崿F(xiàn)對電力傳輸系統(tǒng)中信號采集、無線模塊、服務(wù)器等多個層次的實時監(jiān)控，同時方便檢修運維人員對現(xiàn)場設(shè)備及輸電線路的遠程監(jiān)控。

2 高壓輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

高壓輸電線路的故障報警與定位系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)按需要設(shè)置無線監(jiān)控收集裝置。監(jiān)控收集裝置一般都安裝在鐵塔的桿塔上，由監(jiān)控裝置負責(zé)接收收集裝置的監(jiān)控數(shù)據(jù)；同時，收集裝置采用背對背的傳輸方式，集中裝置與數(shù)據(jù)傳送站相連，并經(jīng)數(shù)據(jù)終端傳送至供電局后端監(jiān)測中心。系統(tǒng)包括多個監(jiān)控終端、中央臺和其中都具有無線傳感器的用戶系統(tǒng)；其中，包括應(yīng)用程序服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器的中央工作站，具有安裝方便，維護少的高壓線路故障報警和定位系統(tǒng)；并應(yīng)用了最新的動態(tài)波速自適應(yīng)原理，使定位更加精確；同時，監(jiān)控終端的功率消耗較小，從而改善了電源的可靠性[3]。在降低無線測溫預(yù)警系統(tǒng)功耗的設(shè)計中，可以將CPU 系統(tǒng)設(shè)定省電模式基礎(chǔ)上，還可進一步提升降低功耗的設(shè)計。所構(gòu)建的高壓輸電線路無線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計如圖1所示。

圖1 高壓輸電線路無線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)軟件程序設(shè)計流程

為了確保數(shù)據(jù)的可靠傳遞，在網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計中，每隔10km 設(shè)置一個轉(zhuǎn)發(fā)器。圖2中的軟件程序流程依次為：系統(tǒng)實際需求——系統(tǒng)功耗——分析結(jié)果——設(shè)計程序，每個功能模塊相互獨立，確保內(nèi)部功耗平衡穩(wěn)定，將各個功能模塊的交換信息設(shè)計成中斷喚醒方式，調(diào)試好后可以進行功耗核定。

圖2 無線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)功能

3 網(wǎng)絡(luò)安全控制系統(tǒng)的設(shè)計原則

網(wǎng)絡(luò)安全控制系統(tǒng)的設(shè)計不僅需要參考SSECMM 系統(tǒng)安全工程成熟模型標準，還應(yīng)參考相關(guān)信息安全管理標準。設(shè)計能夠應(yīng)對不同威脅的安全保護機制是一種可防止破壞電力自動化系統(tǒng)安全的保護系統(tǒng)。同時，實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)不容忽視，對系統(tǒng)的攻擊可以及時制止[4]。另外，還要具備當(dāng)受到攻擊后可以應(yīng)急處理，把破壞和損失降低到最小。

文中構(gòu)建的無線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)功能見圖3所示。智能在線監(jiān)控系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集和通信監(jiān)視兩大模塊。數(shù)據(jù)采集可實現(xiàn)，收集各地分布的安全控制設(shè)備發(fā)出的各種信息，選用國內(nèi)主流廠商和各類安全控制設(shè)備。采集單元有Web 和手機APP 可選。通過Web 和手機APP 展示界面可以清晰監(jiān)測高壓配電裝置及輸電線路監(jiān)測點位的溫控、運行狀態(tài)及綜合用電記錄。網(wǎng)絡(luò)安全是系統(tǒng)設(shè)計的重點，并提供通道消息監(jiān)視和調(diào)控工具[5]。高壓輸電線路無線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)不僅要具備安全監(jiān)測預(yù)警功能，還可以針對性地實施監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的安全保護機制。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)的相關(guān)問題

4.1 輸電線路絕緣子電流泄漏傳感單元設(shè)備的研發(fā)

輸電線路絕緣子漏電檢測裝置是一種對絕緣子漏電信號進行全面監(jiān)控的裝置。如圖3所示。絕緣子在正常工作時處于高電阻狀態(tài)，漏電電流在十幾～幾十mA，因此，絕緣子不但要保證電線與接地絕緣，還要能經(jīng)受住閃電和開關(guān)動作造成的過電壓沖擊，并能承受較大的電壓沖擊[6]。在電壓沖擊下，由于閃絡(luò)而產(chǎn)生的局部過熱，不會造成絕緣子鋼結(jié)構(gòu)的破裂，而在沿表面放電或閃絡(luò)時，可能會出現(xiàn)數(shù)十mA，乃至數(shù)A。

圖3 適用于線路絕緣在線監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

漏電互感器選用具有高磁導(dǎo)率、線性度的鐵-鎳材料；具有更高的穩(wěn)定性和更好的性能來抵抗共模干擾。在信號放大器中，采用兩個放大程，以保證變壓器在“零磁通”工作時的最佳工作狀態(tài)，從而達到最大的比值和相位差。自動補償?shù)脑O(shè)計與溫度無關(guān)；磁滯回線對振動的影響。由于采用被動式設(shè)計，所以除了一些電阻器以外，沒有其他的電子元件，工作穩(wěn)定、可靠。本產(chǎn)品主要用于1～500 kV 電力設(shè)備的接地導(dǎo)線的漏電和介損帶電試驗，為了便于工程安裝，在線型絕緣監(jiān)視系統(tǒng)，如CT，PT，CVT，主變套管，主變鐵芯，各種避雷器，開關(guān)等，為了便于工程的安裝，均采用開放鐵心卡套和絕緣罩。

4.2 導(dǎo)線弧垂計算

在架空線路中，導(dǎo)線弧垂的大小將直接影響到導(dǎo)線與絕緣子之間的角度，從而可以根據(jù)導(dǎo)線與絕緣子間的角度來確定其長度?；〈箓鞲衅魇且环N新型的微型微機械傳感器，它能準確地檢測出電線的振動信號和對電線絕緣子的角度。用DSP對測量數(shù)據(jù)進行處理，并將其處理后的數(shù)據(jù)作為參數(shù)，利用弧垂計算模型進行計算，得出所需要的線路弧垂信息。然后，基于報警的越界設(shè)定，對報警信息進行判定。當(dāng)曲線的垂度為θ時，弧垂傳感器的輸出是ε，而微型天氣傳感器的輸出是δ，那么，弧垂的計算就可以抽象成θ=F（ε，δ）。

5 結(jié)束語

總之，隨著電子技術(shù)、無線電傳感技術(shù)和綜合技術(shù)的迅速發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)的使用日益普及。特別是在高壓輸電線路的監(jiān)測報警應(yīng)用中，為減少故障發(fā)生，構(gòu)建高壓輸電線路無線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)已刻不容緩。通過Web 和手機APP 對高壓輸電線路進行現(xiàn)場和遠程監(jiān)測預(yù)警，很好地解決了高壓輸電線路常規(guī)的安全性問題。與人工智能、計算機、傳感器技術(shù)相結(jié)合，隨著通訊技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，可以通過對高壓輸電線路進行實時、遠程的監(jiān)控，從而能夠及時地預(yù)警可能出現(xiàn)的設(shè)備裝置或線路火災(zāi)，同時極大地方便了日常檢修和降低了運維成本。文中構(gòu)建的高壓輸電線路無線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，經(jīng)工程實踐具有以下優(yōu)點。

（1）安裝方便，維護量小。采用無線接收的方式，不需要安裝特殊的行波變壓器，并且在桿塔上安裝了多臺監(jiān)控終端，不需要與高壓設(shè)備進行連接，不需要斷電，也可以作為后備設(shè)備。

（2）監(jiān)控終端采用無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，可以實現(xiàn)檢修人員對高壓輸電線路的遠程控制，極大降低了人員維護的勞動成本和勞動強度。

在高壓輸電線路中，采用智能無線自組織網(wǎng)絡(luò)進行故障報警和定位，具有很大的優(yōu)越性。當(dāng)線路出現(xiàn)故障時，該系統(tǒng)可以從多個方面對故障進行分析，從而幫助線路監(jiān)測中心迅速識別出故障點和區(qū)域，從而為山區(qū)線路的巡檢人員提供了極大的方便。