智能型線路避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王慶庫(kù)，劉 華，賀艷軍

（1.國(guó)網(wǎng)海東供電公司，青海 海東 810699；2.國(guó)網(wǎng)海西供電公司，青海 格爾木 816000）

0 引 言

輸電網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展使雷擊線路事故量顯著增加，使避雷器作用愈發(fā)重要。但是，一旦避雷器出現(xiàn)老化、劣化情況，沒(méi)有做好維護(hù)、更換工作，將無(wú)法發(fā)揮避雷器作用。因此，加強(qiáng)避雷器監(jiān)測(cè)工作成為行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。應(yīng)用避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠獲取避雷器運(yùn)行信息，評(píng)估避雷器工作狀態(tài)，進(jìn)而維護(hù)劣化避雷器和更換老化避雷器[1]。但是，傳統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采取機(jī)械式技術(shù)，受到多方面因素干擾，存在讀數(shù)誤差，進(jìn)而使避雷器評(píng)估效果較差。行業(yè)應(yīng)結(jié)合當(dāng)前避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀，研究相關(guān)智能化的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提升數(shù)據(jù)采集可靠性，使工作人員能夠隨時(shí)隨地查看避雷器工作狀態(tài)，從而有效降低電力設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)。近年來(lái)，大數(shù)據(jù)時(shí)代使更多技術(shù)在避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得以應(yīng)用[2]。文章提出的智能型線路避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在此背景下應(yīng)運(yùn)而生。借助大數(shù)據(jù)分析中心，智能型線路避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠分析數(shù)據(jù)狀態(tài)，廣泛收集避雷器各項(xiàng)信息，并結(jié)合信息分析處理，獲取避雷器運(yùn)行情況、健康狀態(tài)，減少人力物力投入，實(shí)現(xiàn)及時(shí)維修和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)排查。

1 避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)與設(shè)計(jì)方案

劣化避雷器遭遇雷擊，可能導(dǎo)致避雷器喪失作用，進(jìn)而引發(fā)設(shè)備損壞。因此，應(yīng)為避雷器配備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而及時(shí)評(píng)估避雷器狀態(tài)，了解避雷器劣化程度，并在避雷器出現(xiàn)嚴(yán)重劣化后出具預(yù)警，實(shí)現(xiàn)及時(shí)維護(hù)避雷器。

1.1 架 構(gòu)

設(shè)計(jì)的避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架包括傳感器、主工程文件索引（Index of Engineering Document，IED）。其中，傳感器屬于重要的在線監(jiān)測(cè)元件，能夠促進(jìn)避雷器狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)變，并上傳各項(xiàng)轉(zhuǎn)化后的信息；主IED用于監(jiān)測(cè)處理傳感器上傳的信息。設(shè)計(jì)的避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用傳感器、主IED完成整個(gè)數(shù)據(jù)從采集到轉(zhuǎn)化、輸出的流程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理[3]。

1.2 設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)采集系統(tǒng)和遠(yuǎn)程專家服務(wù)系統(tǒng)2個(gè)部分，如圖1所示。在系統(tǒng)相關(guān)模塊中，聲表面測(cè)溫模塊能夠檢測(cè)避雷器溫度。工頻、沖擊電流檢測(cè)模塊、高速數(shù)據(jù)采集預(yù)處理模塊能夠傳輸內(nèi)部數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)在中央數(shù)據(jù)處理模塊得到統(tǒng)一處理，并傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器。遠(yuǎn)程專家診斷系統(tǒng)能夠獲取避雷器現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，評(píng)估設(shè)備健康情況，用戶能夠根據(jù)顯示器評(píng)估避雷器狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠提供數(shù)據(jù)信息，評(píng)估避雷器運(yùn)行狀態(tài)。首先可使用羅氏線圈獲取雷電流信號(hào)，傳輸?shù)睫D(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換信號(hào)，其次使用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）存儲(chǔ)，最后由處理器處理數(shù)據(jù)[4]。工頻線圈能夠采集工頻電流信號(hào)，并在調(diào)理信號(hào)后，將信號(hào)傳輸?shù)教幚砥髦羞M(jìn)行處理。在這一過(guò)程中，聲表面波傳感器能夠采集避雷器溫度信息，借助無(wú)線方式將信息傳輸?shù)絾卧K，最終傳輸?shù)教幚砥髦羞M(jìn)行處理。所有信息最終匯集到STM32處理器中，經(jīng)數(shù)據(jù)融合處理后，通過(guò)通信電路上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[5]。

工頻電流與沖擊電流相比，兩者在信號(hào)特性、量級(jí)方面存在明顯區(qū)別[6]。因此，雷電流采集工作不僅應(yīng)做好沖擊電流采集工作，還可以應(yīng)用羅氏線圈采取工頻電流，進(jìn)而保障數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性。雷電沖擊電流能力相對(duì)較高，并且波形消失速度較快，應(yīng)選擇品質(zhì)優(yōu)良的羅氏線圈，并配套高速采集電路，通過(guò)提升數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和加快轉(zhuǎn)化速度，采集到更加完整的雷電沖擊電流，以免受到外部因素干擾[7]。考慮上述因素，設(shè)計(jì)以O(shè)P27作為前端運(yùn)放電路，使用差分輸出方式，配合應(yīng)用高速采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器，改善雷電沖擊電流采集效果。

工頻電流信號(hào)具有頻率低下的特點(diǎn)，通過(guò)連接羅氏線圈以及積分電路，電壓跟隨器能夠控制電壓信號(hào)，可確保信號(hào)進(jìn)入STM32控制芯片，經(jīng)轉(zhuǎn)換端口完成信號(hào)處理[8]。設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)核心為STM32處理器。使用STM32處理器能夠有效解決傳統(tǒng)處理器功能單一的問(wèn)題，提升處理速度，降低能耗。此外，該處理器集成度良好，可滿足設(shè)計(jì)需求。

連續(xù)雷擊會(huì)增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理量，雖然傳統(tǒng)預(yù)處理設(shè)計(jì)緩存容量較大，但是仍需及時(shí)上傳數(shù)據(jù)，以免數(shù)據(jù)丟失[9]。設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用4G通信技術(shù)最大化發(fā)揮在線監(jiān)測(cè)功能，密切聯(lián)系數(shù)據(jù)，進(jìn)而保障系統(tǒng)運(yùn)行效果[10]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了無(wú)線通信模塊，傳輸速率可滿足行業(yè)要求，配套相應(yīng)的處理器，能夠促進(jìn)數(shù)據(jù)向無(wú)線模塊傳輸，最終由監(jiān)測(cè)專家系統(tǒng)分析各項(xiàng)數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)模型，評(píng)估避雷器運(yùn)行情況，獲取結(jié)論。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集程序。其中，F(xiàn)PGA程序能夠支持?jǐn)?shù)據(jù)緩存、傳輸。為確保數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性，并增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，可選擇雙先進(jìn)先出隊(duì)列（First Input First Output，F(xiàn)IFO）方式緩存數(shù)據(jù)[11]?？紤]后續(xù)系統(tǒng)維護(hù)工作以及升級(jí)需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了STM32微控制器程序[12]。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，使用模塊化設(shè)計(jì)思想，以便滿足后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。因?yàn)槟K化設(shè)計(jì)思想下各模塊具有一定的獨(dú)立性，所以維修更加方便[13]。系統(tǒng)上電后，控制器可統(tǒng)一在內(nèi)部進(jìn)行初始化處理。在4G模塊初始化結(jié)束后，控制器能夠發(fā)送指令，外部設(shè)備開(kāi)始監(jiān)測(cè)避雷器參數(shù)。外部數(shù)據(jù)進(jìn)入程序后，整個(gè)程序能夠結(jié)合數(shù)據(jù)實(shí)際情況，采取相應(yīng)的操作。一旦避雷器發(fā)生雷擊，F(xiàn)PGA能夠第一時(shí)間得到雷擊數(shù)據(jù)，給予高速預(yù)處理，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)[14]。存儲(chǔ)結(jié)束后，F(xiàn)PGA將雷擊信號(hào)傳輸給主控制器，并觸發(fā)外部中斷。主控制器接收信號(hào)后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?G通信模塊接口，然后微控制器傳輸數(shù)據(jù)，使遠(yuǎn)端服務(wù)器接收。該系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)流程

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端程序應(yīng)用瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可有效提升用戶使用便利度，通過(guò)瀏覽器即可查看各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息[15]。系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù)器支持身份證管理，因此數(shù)據(jù)查詢具有較高的安全性。經(jīng)終端程序，可獲取避雷器溫度以及相關(guān)電流信號(hào)、數(shù)據(jù)信息，并且以多種形式展示，可便于用戶觀看。專家診斷系統(tǒng)能夠圍繞避雷器數(shù)據(jù)進(jìn)行積累，并設(shè)置趨勢(shì)曲線，一旦超出限值，立即報(bào)警，由專業(yè)人員進(jìn)行處理。同時(shí)，本系統(tǒng)應(yīng)用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，長(zhǎng)期評(píng)估避雷器運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而在出現(xiàn)問(wèn)題第一時(shí)間進(jìn)行預(yù)警，確保輸配電線路運(yùn)行安全。

3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用效果，文章進(jìn)行了在線模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，羅氏線圈、沖擊電流在波形方面具有一致性。遠(yuǎn)程服務(wù)器檢查沖擊電流數(shù)據(jù)與以及電流大小呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)聲表面波測(cè)溫模塊運(yùn)行狀態(tài)良好。在受到雷電作用后，避雷器伴隨溫升情況，而在雷電結(jié)束后，避雷器溫度會(huì)恢復(fù)到使用前狀態(tài)。后臺(tái)專家診斷系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較高，在評(píng)估避雷器狀態(tài)方面的功能性良好。總體而言，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可滿足行業(yè)要求。

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)線路避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集能力有限，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不足，并且整體功能單一。通過(guò)提高對(duì)避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)注度，并設(shè)計(jì)智能型線路避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由羅氏線圈采集雷電流數(shù)據(jù)、信號(hào)，加強(qiáng)數(shù)據(jù)處理工作，能夠準(zhǔn)確評(píng)估避雷器工作狀態(tài)，進(jìn)而及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，做好避雷器防控工作。