基于電力物聯(lián)網(wǎng)的配電設(shè)備監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警研究

吳仲超

（國(guó)網(wǎng)蚌埠供電公司，安徽 蚌埠 233000）

配電臺(tái)區(qū)是智能電網(wǎng)建設(shè)中的核心環(huán)節(jié)，雖然處于電網(wǎng)的“末梢”，但配電設(shè)備是與用電客戶聯(lián)系最為緊密的關(guān)鍵設(shè)備，各類設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系著電網(wǎng)是否穩(wěn)定運(yùn)行，也直接影響著供電質(zhì)量的優(yōu)劣，因此對(duì)于配電設(shè)備的監(jiān)測(cè)不可或缺。由于數(shù)量龐大，配電設(shè)備維護(hù)與管理十分困難，相較于傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方式，信息技術(shù)的發(fā)展及智能電網(wǎng)的鋪設(shè)推動(dòng)配電設(shè)備的監(jiān)測(cè)模式向自動(dòng)化方向發(fā)展，不再需要人工攀桿作業(yè)，既降低了運(yùn)維人員的工作強(qiáng)度，又提升了工作效率，更可以通過(guò)趨勢(shì)預(yù)測(cè)提早發(fā)現(xiàn)配電設(shè)備異常，對(duì)電網(wǎng)的可靠運(yùn)行具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 配電設(shè)備監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

1.1 配電臺(tái)區(qū)組成

配電臺(tái)區(qū)主要包括桿塔、電氣設(shè)備2個(gè)部分，由于配電臺(tái)區(qū)基本處于戶外，其中不乏荒無(wú)人煙的惡劣環(huán)境，為了長(zhǎng)期安置臺(tái)區(qū)必要設(shè)備，通常選擇地勢(shì)平坦、土質(zhì)緊密的地基安裝桿塔，在其上添加橫檔、抱箍等部件，便于固定避雷器、熔斷器等設(shè)備。雖然臺(tái)區(qū)的使用對(duì)象不同，但是主要設(shè)備基本一致，根據(jù)從上而下的順序通常包括刀閘或熔斷器、避雷器、變壓器、綜合配電箱。熔斷器是日常檢修的保護(hù)設(shè)備；避雷器用于防止雷擊產(chǎn)生過(guò)電壓情況；變壓器是用電客戶與輸電系統(tǒng)的連接樞紐，其安全運(yùn)行關(guān)系到整個(gè)片區(qū)的用電安全；綜合配電箱作為電網(wǎng)的智能神經(jīng)中樞包括非常多的電氣設(shè)備，通常由斷路器、電能計(jì)量表、漏電保護(hù)器、智能投切開(kāi)關(guān)等部件組成，具備計(jì)量、通信、保護(hù)等多種功能。

1.2 監(jiān)測(cè)需求分析

由于配電臺(tái)區(qū)的各類設(shè)備直接關(guān)系到電網(wǎng)的供電安全及供電質(zhì)量，因此需對(duì)各類設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，將設(shè)備工作狀態(tài)傳輸至運(yùn)維人員，便于后續(xù)分析與決策。在運(yùn)行過(guò)程中，熔斷器由于造價(jià)低廉，目前存在異常時(shí)通常采用調(diào)整或更換方式。綜合配電箱包括多種包含設(shè)備，出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)自行切斷，屬于配電臺(tái)區(qū)中最穩(wěn)定的設(shè)備集。避雷器由于電壓波動(dòng)以及外界環(huán)境影響容易產(chǎn)生內(nèi)部受潮、外部污濁等問(wèn)題，導(dǎo)致內(nèi)部閥片發(fā)熱、老化，嚴(yán)重情況下甚至引起爆炸。變壓器目前以S系列的油浸式變壓器為主，內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，長(zhǎng)期處于戶外環(huán)境容易產(chǎn)生頂層油溫與繞組溫度過(guò)高、局部放電等問(wèn)題。因此在線監(jiān)測(cè)需求主要以避雷器和變壓器為主進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，IOT）主要是通過(guò)信息采集終端以及各類采集技術(shù)獲取信息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)載體將數(shù)據(jù)傳送至信息處理中心，由處理中心進(jìn)行分析并將控制指令回傳，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的智能控制。相關(guān)技術(shù)主要包括RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)、紅外識(shí)別技術(shù)、GPS及激光技術(shù)等，可以利用傳感器設(shè)備、嵌入式技術(shù)、通信設(shè)備等根據(jù)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)物體的識(shí)別、檢測(cè)、定位及管理，傳輸穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用與多個(gè)領(lǐng)域。對(duì)于配電臺(tái)區(qū)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)，監(jiān)測(cè)過(guò)程中所需的“物物相連、穩(wěn)定傳輸”與物聯(lián)網(wǎng)特性非常契合，因此可利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)配電設(shè)備識(shí)別、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、數(shù)據(jù)反饋與分析。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的主站系統(tǒng)

根據(jù)配電臺(tái)區(qū)中核心配電設(shè)備的一故障點(diǎn)以及監(jiān)測(cè)原理，利用物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)典的3層模型，設(shè)計(jì)配電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)的主站系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的主站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the main station system based on the Internet of Things

感知層：利用傳感器采集待監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

網(wǎng)絡(luò)層：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、清晰、轉(zhuǎn)換及抽取，利用嵌入式技術(shù)將傳感器采集的信息數(shù)據(jù)封裝后通過(guò)接口傳輸，供應(yīng)用層使用。

應(yīng)用層：實(shí)現(xiàn)信息的處理與統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)可視化界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

3 避雷器在線監(jiān)測(cè)及故障預(yù)警

3.1 改進(jìn)的阻性基波電流法

目前避雷器的檢測(cè)手段比較多，比較常用的包括全電流法、三次諧波法、容性電流補(bǔ)償法。全電流法結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、操作方便，但靈敏度不高。三次諧波法雖然利用阻性電流的高靈敏度反應(yīng)出避雷器的工作狀態(tài)，但運(yùn)算時(shí)無(wú)法排除三次諧波分量且諧波峰值與阻性電流峰值函數(shù)關(guān)系不唯一，容性電流補(bǔ)償法難以避免系統(tǒng)諧波，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中效果不甚理想。因此，基于阻性電流反映老化情況靈敏度高的原理，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種阻性基波電流法，抑制諧波影響，彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足。

首先，利用小電流互感器提取全電流。其次，利用低通濾波器過(guò)濾其中的高次諧波分量。最后，將過(guò)濾后的信號(hào)傳遞至主站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行阻性基波電流的提取操作。提取流程如圖2所示。

圖2 阻性基波電流提取流程Fig.2 Resistance base wave current extraction flow

3.2 避雷器狀態(tài)預(yù)警等級(jí)設(shè)置

為了滿足戶外環(huán)境中的實(shí)際采集要求，采用單匝穿心式小電流互感器進(jìn)行全泄露電流提取，將3個(gè)電流互感器固定在避雷器的橫擔(dān)上，分別采樣。采用巴特沃斯低通濾波器獲取全泄露電流中的基波分量。當(dāng)提取出的阻性電流存在增加趨勢(shì)時(shí)，需密切關(guān)注避雷器狀態(tài)，根據(jù)《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中的規(guī)定，增量達(dá)到1倍應(yīng)及時(shí)預(yù)警，則需安排運(yùn)維人員進(jìn)行檢查。

4 配電變壓器在線監(jiān)測(cè)及故障預(yù)警

根據(jù)運(yùn)維人員日常巡檢流程，變壓器的主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括繞組溫度、頂層油溫、變壓器油位、局部放電、變壓器異響。將傳感器安置于變壓器箱體的內(nèi)部及外部采集相關(guān)數(shù)據(jù)。以頂層油溫和異響為例闡述監(jiān)測(cè)原理。

4.1 油溫監(jiān)測(cè)及預(yù)警

在電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，用電負(fù)荷增加、諧波干擾等原因會(huì)導(dǎo)致變壓器的頂層油溫升高，若一段時(shí)間內(nèi)油溫大幅升高則可能是變壓器絕緣老化，選用PT100傳感器進(jìn)行測(cè)量，它的金屬鉑探頭的電阻值會(huì)隨著油溫的變化而變化，可表示為：

式中：為電阻，為溫度，A、B、C為常數(shù)，根據(jù)選用的探頭對(duì)應(yīng)不同數(shù)值。根據(jù)這一規(guī)律，利用電阻值可以推算變壓器油溫。

對(duì)于得到的油溫?cái)?shù)據(jù)，需要根據(jù)其變化趨勢(shì)判斷是否存在異常升溫，油溫變化率可表示為：

其中：x，x分別為當(dāng)次監(jiān)測(cè)值及下次監(jiān)測(cè)值，為油溫變化率。根據(jù)箱型圖利用四分位數(shù)判斷異常值，由于油溫變化率的下界趨近于0，因此以0至下分位作為第一區(qū)間，變化率較低，油溫正常；下分位到上分位為第二區(qū)間，變化率稍高，油溫比較正常；上分位到上屆為第三區(qū)間，變化率偏高，油溫不正常；高于上屆的作為第四區(qū)間，油溫不正常。將區(qū)間標(biāo)記為0、1、2、3，則有：

式中：r代表某配電變壓器的油溫變化率。

4.2 異響監(jiān)測(cè)及預(yù)警

變壓器的內(nèi)外部件存在緊密聯(lián)系，一旦內(nèi)部部件出現(xiàn)故障，所產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)體現(xiàn)在變壓器的機(jī)箱外殼中，引起變壓器產(chǎn)生異響。異響的分貝以及音色會(huì)隨著內(nèi)部不同運(yùn)行情況存在差異。鑒于此，變壓器的聲音信號(hào)可以作為特征量反映出其運(yùn)行狀態(tài)，分貝及音色可以作為配電變壓器是否故障的判斷標(biāo)準(zhǔn)。利用聲音傳感器如MIC麥克風(fēng)采集聲音信號(hào)，利用LM386芯片的放大器組成采集電路，根據(jù)變壓器噪聲標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定10 kV油浸式配變?cè)肼暡坏贸^(guò)44 db，鑒于存在環(huán)境噪聲，設(shè)置預(yù)警等級(jí)對(duì)應(yīng)為為50 dB為1級(jí)，60 dB為2級(jí)，65 dB為3級(jí)，68 dB為4級(jí)，70 dB為5級(jí)。當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)2級(jí)以上噪聲時(shí)，認(rèn)為配電變壓器存在故障風(fēng)險(xiǎn)，派遣運(yùn)維人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行排查與處理。

5 配電設(shè)備監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警仿真分析

5.1 避雷器在線監(jiān)測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證實(shí)際監(jiān)測(cè)效果，利用MATLAB的Simulink仿真工具進(jìn)行方案效果分析，利用10 kV單相電壓提取避雷器正常運(yùn)行時(shí)的阻性電流基波分量。選擇非線性電阻與電容并聯(lián)的經(jīng)典避雷器仿真模型，在兩端進(jìn)行電壓采樣，下端進(jìn)行電流采樣，利用改進(jìn)的阻性基波電流法提取后將仿真數(shù)據(jù)與和仿真環(huán)境相同的實(shí)際環(huán)境提取數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到結(jié)果如表1所示。

表1 仿真結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果Tab.1 Comparison of the simulation results with the actual data

其中：為主站系統(tǒng)利用阻性基波電流法提取到的電流峰值；為電流表測(cè)量得到的阻性電流峰值；為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到的電流峰值。由此可見(jiàn)，和的誤差為0.7%，說(shuō)明仿真模型與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況非常接近，以此模型得到的結(jié)果可以反應(yīng)實(shí)際情況，和的誤差為4.6%，誤差產(chǎn)生原因主要是低通濾波器會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生相位偏移及衰減情況。根據(jù)誤差對(duì)比結(jié)果可知阻性基波電流法可以比較準(zhǔn)確的提取出避雷器泄露電流中的阻性分量，通過(guò)阻性電流增量可以實(shí)現(xiàn)測(cè)避雷器的運(yùn)行狀態(tài)以及預(yù)警目的。

5.2 配電變壓器監(jiān)測(cè)及故障預(yù)警模擬

為驗(yàn)證配電變壓器故障預(yù)警模型的實(shí)際效果，利用電阻值推算獲得的油溫，計(jì)算油溫變化率判斷是否存在異常升溫，對(duì)國(guó)內(nèi)某配電變壓器進(jìn)行測(cè)試，得到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 配電變壓器油溫變化率Tab.2 Rate of change of oil temperature of power distribution transformer

代入系統(tǒng)判斷模型，得到下界趨近于0，下分位數(shù)為0.002 30，上分位數(shù)為0.003 91，上屆為0.006 01，均值0.323，以此根據(jù)油溫變化率對(duì)應(yīng)的區(qū)間進(jìn)行油溫是否異常判斷，處于不正常區(qū)間時(shí)需采取對(duì)應(yīng)的應(yīng)急措施。

6 結(jié)語(yǔ)

從配電臺(tái)區(qū)的設(shè)備結(jié)構(gòu)出發(fā)分析了配電設(shè)備的監(jiān)測(cè)需求，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)在線監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警的主站系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了避雷器以及配電變壓器的監(jiān)測(cè)原理及故障預(yù)警機(jī)制，經(jīng)過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)方法有效，為配電設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控提供了可借鑒方案。但由于還受到外界環(huán)境、線路、天氣等多種因素影響，還需進(jìn)一步優(yōu)化監(jiān)測(cè)方案。