分布式電纜溝環(huán)境監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置在變電站內(nèi)的應(yīng)用

朱自強(qiáng), 洪 波, 章俊輝

(國網(wǎng)安徽省電力有限公司超高壓分公司, 安徽 合肥 230009)

0 引言

電纜溝是變電站不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)施，溝中電纜不僅涉及電力傳輸，還涉及繼電保護(hù)、自動(dòng)控制、通信、測(cè)量和計(jì)量等設(shè)備，是變電站的神經(jīng)中樞，一旦溝中電纜發(fā)生故障，不但檢查處理工作難度大、時(shí)間長，還有可能使繼電保護(hù)或控制回路失效，造成事故擴(kuò)大[1,2]。

目前，影響電纜溝內(nèi)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素是火災(zāi)、小動(dòng)物破壞和水浸[3,4]，對(duì)應(yīng)的后果、現(xiàn)有預(yù)防方式、發(fā)現(xiàn)方式如表1所示。

表1 影響電纜溝環(huán)境的主要因素

目前，變電站電纜溝內(nèi)環(huán)境巡視，通常需要人工巡查，并逐一打開電纜溝蓋板查看溝中環(huán)境。而故障后的查找和定位，主要還是靠人為查找，逐一縮小故障范圍定位故障點(diǎn)的方式，該方法耗時(shí)時(shí)間長，效率低下。

1 監(jiān)測(cè)裝置的研制

1.1 蓋板材料

使用智能蓋板采用高分子樹脂復(fù)合板和防火板壓制而成的雙層透明蓋板，由于蓋板的透明性，可將太陽能電池板直接集成于透明蓋板上，無需另行布置。蓋板上預(yù)留各類傳感器電源接線接口。

按正常兩人巡視或異常處理時(shí)，測(cè)試打開透明蓋板的時(shí)間，反復(fù)試驗(yàn)十次計(jì)算平均值，試驗(yàn)打開蓋板時(shí)間見表2，10次試驗(yàn)的平均值為21.7 s。

表2 蓋板打開時(shí)間測(cè)試

采用輕型材料更加輕便[5]，集成太陽能電池板更加方便[6]，打開蓋板時(shí)無需先將電源模塊拆除，節(jié)約時(shí)間。

1.2 數(shù)據(jù)顯示

采用液晶顯示屏，將該蓋板區(qū)域電纜溝數(shù)據(jù)顯示在蓋板上。按正常巡視時(shí)觀察，測(cè)試在不同天氣條件下、不同時(shí)間段數(shù)據(jù)顯示的清晰程度。如表3所示，在各類天氣或時(shí)間段，液晶顯示均能提供清晰的數(shù)據(jù)顯示。

表中“√”表示數(shù)據(jù)顯示清晰。液晶顯示還可以根據(jù)需要圖形化定制。

表3 液晶顯示測(cè)試

1.3 通訊方案

使用ZigBee技術(shù)[7]通過網(wǎng)關(guān)采集傳感器信息，并通過無線Wifi對(duì)各網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)，將信息傳送至路由器，路由器將信息分發(fā)至本地監(jiān)測(cè)后臺(tái)、手持移動(dòng)終端、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)等。測(cè)試使用無線組網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸丟包率。每輪次測(cè)試100次。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，平均丟包率為0.2%。

表4 Zigbee無線組網(wǎng)測(cè)試

每個(gè)蓋板為一個(gè)子模塊，方便檢修與替換。并可通過中間路由器向本地后臺(tái)、手持移動(dòng)終端、遠(yuǎn)程終端等推送，能夠準(zhǔn)確反映出采集到的傳感器或發(fā)出告警信息的蓋板位置。

1.4 數(shù)據(jù)推送

開發(fā)專用的APP，發(fā)生告警時(shí)，向運(yùn)維人員手持移動(dòng)終端APP推送信息。在裝置上產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，測(cè)試運(yùn)維人員手持移動(dòng)終端、手機(jī)APP推送告警信息的時(shí)間。反復(fù)試驗(yàn)十次，取平均值。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，數(shù)據(jù)推送的平均延時(shí)不足3 s，可以滿足信息實(shí)時(shí)推送的要求。

可以根據(jù)需求定制APP功能，除可以接送推送告警外，還可以展示各蓋板實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)。

表5 數(shù)據(jù)通訊測(cè)試

2 組裝調(diào)試

2.1 蓋板制作

經(jīng)過查閱資料和調(diào)查分析[8]，設(shè)計(jì)了電纜溝智能蓋板所需集成的各類模塊信息，主要包括主控制器、與主控制器連接的電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、顯示屏、通訊模塊，如圖1所示。

圖1 電纜溝蓋板主要集成單元示意圖

1)主控制器內(nèi)控制芯片為智能蓋板的核心，用于信息的接受及控制指令的發(fā)送。

2)電源模塊包括太陽能面板、鋰電池、電源管理系統(tǒng)，太陽能面板的輸出端與電源管理系統(tǒng)的輸入端連接，鋰電池與電源管理系統(tǒng)相互連接，電源管理系統(tǒng)的輸出端與主控制連接。電源管理系統(tǒng)主要包括鋰電池充電管理回路、電源管理電路。該系統(tǒng)采用內(nèi)置鋰電池供電，同時(shí)通過太陽能光伏發(fā)電給鋰電池充電，實(shí)現(xiàn)供電，節(jié)能環(huán)保。

3)數(shù)據(jù)采集模塊主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、雙鑒傳感器、水浸傳感器、感溫線纜；溫度傳感器用于采集溝中環(huán)境溫度；濕度傳感器用于采集溝中環(huán)境濕度；感溫線纜用于監(jiān)測(cè)溝中火災(zāi)情況，當(dāng)溝中電纜因溫度過高產(chǎn)生燒灼時(shí)感溫線纜會(huì)短路產(chǎn)生告警信號(hào)；雙鑒傳感器用于監(jiān)測(cè)溝中小動(dòng)物的活動(dòng)情況，防止小動(dòng)物對(duì)電纜造成損傷；水浸傳感器用于監(jiān)測(cè)溝中排水情況，當(dāng)溝內(nèi)排水不暢水位抬高時(shí)會(huì)發(fā)出告警。采用可插拔式傳感器模塊，方便故障傳感器的更換和檢修。各采集模塊的作用如圖2所示。

4)蓋板采用彩色液晶屏，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示。

5)通訊模塊采用ZigBee通訊方式，與網(wǎng)關(guān)和主路由通訊。

6)智能蓋板采用高分子樹脂復(fù)合板和防火板壓制而成的雙層透明蓋板，外周設(shè)置不銹鋼邊框，有效解決傳統(tǒng)蓋板笨重不易操作的問題。

整個(gè)蓋板制作后，各功能模塊位置如圖3所示。

圖2 各傳感器采集數(shù)據(jù)示意圖

圖3 電纜溝蓋板組裝調(diào)試

經(jīng)測(cè)試，各類傳感器采集率100%，液晶顯示面板顯示準(zhǔn)確率100%，太陽能電池板供電可靠性100%，與無線傳輸器的通訊可靠性100%。在無任何光照條件下，電池續(xù)航能力可以達(dá)到70 h左右，滿足現(xiàn)場要求。

2.2 通訊模塊

各蓋板上的采集模塊直接與智能蓋板連接，通過智能蓋板的通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。每個(gè)智能蓋板與網(wǎng)關(guān)通過ZigBee無線通信，穩(wěn)定可靠，避免與監(jiān)測(cè)主機(jī)的布線連接及位置的限制。ZigBee路由器屬于物聯(lián)網(wǎng)通信，具備自組網(wǎng)功能。每個(gè)網(wǎng)關(guān)通過無線網(wǎng)絡(luò)與中心路由器連接。數(shù)據(jù)通過中心路由器分發(fā)，通過有線網(wǎng)絡(luò)與本地終端連接，通過無線或4G網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程服務(wù)終端推送，進(jìn)而推送至手持移動(dòng)終端、遠(yuǎn)程終端等。

2.3 客戶端APP

目前開發(fā)APP主流的編程語言包括Java、Object-C等，其中Java語言是在Android平臺(tái)開發(fā)APP應(yīng)用程序使用，Object-C是適用于IOS智能操作系統(tǒng)的APP開發(fā)語言，是蘋果APP的主流語言?？紤]到APP開發(fā)難易程度，本文優(yōu)先在IOS系統(tǒng)上開發(fā)客戶端APP，今后將逐步向Android系統(tǒng)擴(kuò)展。APP設(shè)計(jì)思路如圖4所示。用戶授權(quán)登陸成功后，APP面板將顯示各傳感器實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)信息，并判斷是否有告警信號(hào)的推送。若有告警信號(hào)，APP將顯示告警信息，并要求用戶及時(shí)對(duì)告警信息進(jìn)行確認(rèn)。若無告警信號(hào)或用戶已對(duì)告警信號(hào)確認(rèn)，APP將返回繼續(xù)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，否則將持續(xù)顯示告警信息直至用戶確認(rèn)。

圖4 APP設(shè)計(jì)流程圖

1) 溫濕度監(jiān)測(cè)，為電纜溝設(shè)置了監(jiān)測(cè)入口，電纜溝當(dāng)前環(huán)境溫度濕度數(shù)據(jù)顯示，該數(shù)值每1 min更新一次。

2) 報(bào)警監(jiān)測(cè)器，包括感溫線纜監(jiān)測(cè)、小動(dòng)物監(jiān)測(cè)、水浸監(jiān)測(cè)。

3)只要登陸了APP，并在手機(jī)系統(tǒng)里設(shè)置通知打開，所有報(bào)警都會(huì)實(shí)時(shí)推送到手機(jī)提醒，并不需要打開APP的狀態(tài)。

APP顯示畫面如圖5所示。

圖5 APP顯示畫面示意圖

2.4 組裝調(diào)試

將上述各部分模塊組裝并布置于電纜溝內(nèi)，并為值班人員手機(jī)安裝開發(fā)完畢的APP，登錄授權(quán)，如圖6所示。

圖6 安裝效果圖

組裝完成后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試和延遲測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下。

1) 電纜溝環(huán)境數(shù)據(jù)采集測(cè)試：對(duì)所采集的各類傳感器的準(zhǔn)確率和延時(shí)情況進(jìn)行測(cè)試。如表6所示，經(jīng)過十次測(cè)試，信息采集的準(zhǔn)確率均為100%，信息傳遞延時(shí)誤差不足3 s。

表6 電纜溝環(huán)境數(shù)據(jù)采集測(cè)試結(jié)果

2) 告警推送測(cè)試：對(duì)告警推送的可靠率和延時(shí)情況進(jìn)行測(cè)試。如表7所示，經(jīng)過十次測(cè)試，告警信息推送的可靠率均為100%，未發(fā)生誤報(bào)或漏推送情況，報(bào)警傳遞延時(shí)誤差不足3 s。

表7 告警推送測(cè)試結(jié)果

按照此方案在某500 kV變電站試運(yùn)行三個(gè)月，統(tǒng)計(jì)三個(gè)月內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果，得到以下結(jié)果，如表8所示。

表8 組裝調(diào)試測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過現(xiàn)場值班人員確認(rèn)，電纜溝內(nèi)故障查找和定位時(shí)間最長不超過8 min，告警正確率達(dá)到100%，實(shí)現(xiàn)了本文的目標(biāo)。

3 總結(jié)

變電站電纜溝內(nèi)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行是變電站穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，500 kV變電站是電力系統(tǒng)主網(wǎng)架重要組成部分，供電可靠性的提高進(jìn)一步保障了居民生產(chǎn)和生活用電，具有顯著的社會(huì)效益。

本文研制的智能蓋板實(shí)現(xiàn)電纜溝內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集及顯示，利用無線ZigBee技術(shù)、無線技術(shù)、傳感器技術(shù)將監(jiān)控管理服務(wù)器、本地服務(wù)器及智能蓋板構(gòu)建成一個(gè)完整的電纜溝環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電纜溝的運(yùn)行環(huán)境，全面監(jiān)測(cè)電纜溝內(nèi)的潛在隱患，以及信息的快速傳輸，幫助運(yùn)維人員有針對(duì)性地開展巡視，解決巡視無針對(duì)性或留有死角的問題，并通過該系統(tǒng)將溝內(nèi)環(huán)境保持在一個(gè)良好的狀態(tài)，為進(jìn)一步開展電纜網(wǎng)運(yùn)行評(píng)估、檢修提供及時(shí)有效的數(shù)據(jù)支撐，保證了電纜的安全可靠運(yùn)行，減輕運(yùn)維人員的工作，提高工作效率。