基于無線傳輸?shù)慕宦?lián)聚乙烯電纜故障在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

劉凱，譚雅蘭，，張剛，李石，何小軍，陳波，王源

（1.西安理工大學(xué)，陜西西安710048；2.國家電網(wǎng)陜西省漢中局，陜西漢中723099；3.國網(wǎng)渭南供電公司，陜西渭南714000）

目前，在我國城市電網(wǎng)中使用的交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電力電纜，具有介電損耗系數(shù)小、絕緣強(qiáng)度高和極強(qiáng)的耐熱性能等突出優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。XLPE電纜的發(fā)展速度很快，從20世紀(jì)60年代被首次用于低壓電纜后，經(jīng)過近幾十年的發(fā)展進(jìn)步，目前在高電壓等級和容量的擴(kuò)展方面已經(jīng)取得了非常大的進(jìn)步，日本東京電力公司已將其應(yīng)用于500 kV線路中[1]。歐洲已經(jīng)大量將XLPE電纜應(yīng)用到400 kV電力系統(tǒng)中，并且近年來國際上主要運(yùn)行的400 kV以上的高壓電纜中，絕大多數(shù)選擇的是XLPE電纜[2]。

當(dāng)前電纜故障診斷中普遍利用測量泄漏電流等方法進(jìn)行電纜絕緣檢測，雖然能檢測到故障處的電流信號，但耗時過長，并且易受雜散電流的干擾而產(chǎn)生誤差。當(dāng)電纜發(fā)生局部放電現(xiàn)象時，產(chǎn)生的放電信號既有低頻信號，又有高頻信號。但低頻信號易受到干擾，因此本文采用超高頻法對電纜故障信號進(jìn)行檢測，采用無線通信技術(shù)傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，不僅可以屏蔽大部分電磁干擾和噪聲干擾，還能準(zhǔn)確反映電纜故障信號。

1 系統(tǒng)的工作原理及總體結(jié)構(gòu)

超高頻檢測法監(jiān)測電纜局部放電的原理是將高頻傳感器安裝在電纜線路中，耦合電纜線路局部放電產(chǎn)生的超高頻信號，隨后將耦合的信號進(jìn)行一系列處理，最終通過無線傳輸技術(shù)發(fā)送至終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對電纜線路局部放電的實(shí)時監(jiān)測[3-4]。

城市供電電纜線路呈網(wǎng)狀分布，監(jiān)測點(diǎn)比較分散，需要采用多點(diǎn)監(jiān)測方式進(jìn)行故障監(jiān)測[5]。電纜線路敷設(shè)在地下深處，不利于無線信號的傳輸，因此對監(jiān)測信號地下部分采用有線傳輸，地上接口處采用無線傳輸，以保證信號傳輸?shù)募皶r性與準(zhǔn)確性。電纜線路較長，監(jiān)測點(diǎn)很多，需要控制單個監(jiān)測點(diǎn)處的終端成本。測量信號傳輸時高頻信號的衰減幅度較大，需要選擇合適的傳感器減小信號的衰減。由于城市供電的電纜線路規(guī)模較大，并且隨著用戶的增加不斷有新的電纜并入，因此監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)要具有很好的延展性。此外，設(shè)計電纜故障遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，必須保證它的實(shí)時性和測量精度。根據(jù)以上要求，構(gòu)建了電纜故障在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作的總體設(shè)計圖Fig.1 The overall design of the system

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，整個系統(tǒng)由信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、信息發(fā)送模塊和電源管理模塊四部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊包括信號采集、放大以及濾波部分；數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)選擇器部分；信息發(fā)送模塊主要包括GPRS信號接收與發(fā)送部分；電源管理模塊保證各個電路正常運(yùn)行，將信號及時有效地傳輸出去。

2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

2.1 信號采集模塊

1）超高頻傳感器

局部放電檢測易受現(xiàn)場環(huán)境中的電磁干擾，電磁干擾的頻譜通常低于400 MHz[6]。在使用低頻法測量局部放電時，由于其檢測頻帶較低，現(xiàn)場環(huán)境中的各種干擾將使電纜的局部放電信號難以被檢測出來。而在超高頻段，隨著頻率的提高，使得大量電磁干擾信號被屏蔽掉[7]。因此，采用超高頻傳感器對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其傳感器安裝圖[8]如圖2所示。

圖2 傳感器安裝示意圖Fig.2 Sensor installation diagram

2）濾波放大電路

傳感器耦合出來的局部放電信號幅值較?。s為幾mV），其中還包括大量的干擾信號，所以需要通過前置放大器對信號進(jìn)行處理。前置放大器具有較大的帶寬，可以滿足測量系統(tǒng)對超高頻信號處理（400～500 MHz）的要求[9]。本文選取跨導(dǎo)放大集成運(yùn)放芯片OPA660作為放大元件，它具有低噪聲、失真度小和帶寬范圍大等優(yōu)點(diǎn)，可以通過調(diào)節(jié)外部控制管腳，使芯片的帶寬達(dá)到850 MHz，增益和相位誤差分別為0.06%和0.20°，滿足系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的要求。前置放大器頻率響應(yīng)圖如圖3所示。

圖3 放大器的頻率響應(yīng)Fig.3 Frequency response of the amplifier

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

由于局放信號持續(xù)的時間較短，傳輸速度快，因此需要保證AD轉(zhuǎn)換芯片的精度和速度。本文采用8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832，具有體積小、兼容性強(qiáng)、性價比高等優(yōu)點(diǎn)。無線信號在地下傳輸衰減速度較快，不能有效進(jìn)行信號傳輸，所以信號在地下部分采用有線傳輸，在電纜入地口處采用無線傳輸，同時在電纜入地口處加裝數(shù)據(jù)選擇器，可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測點(diǎn)信號的篩選功能。檢測數(shù)據(jù)傳輸原理圖如圖4所示。

數(shù)據(jù)選擇器采用常見的4選1數(shù)據(jù)選擇器，可以很快發(fā)現(xiàn)每個接口所傳輸過來的波形，便于及時判斷各接口的異常情況。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸圖Fig.4 Data transfer diagram

2.3 信息發(fā)送模塊

本設(shè)計中GPRS通信模塊選用SIM800A模塊。SIM800A無線傳輸模塊采用SMT接口方式，是整個遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的傳輸終端，通過RS232串口與STC89C52進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，遠(yuǎn)程控制中心通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制信號到GPRS通信模塊，GPRS通過RS232串口將控制信號發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)對采集到的高頻電壓信號進(jìn)行處理，由RS232串口通過GPRS模塊發(fā)送給監(jiān)控中心。

SIM800A模塊通過SIM卡接口接入SIM卡以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通訊。整個SIM800A無線傳輸模塊主要由與集中器相連的總線提供供電電源。該模塊還設(shè)有最大發(fā)射功率，當(dāng)使用該模式發(fā)射信號時，SIM800A模塊對電源電路會產(chǎn)生瞬間高電流，同時還會拉低模擬電壓。SIM800A模塊功能圖如圖5所示。

圖5 SIM800A模塊功能圖Fig.5 Function of SIM800 module

3 系統(tǒng)軟件

3.1 軟件系統(tǒng)框架

監(jiān)測系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，對XLPE 電纜的局部放電高頻信號進(jìn)行耦合，并對耦合出的電壓信號進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，最后將采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS無線傳輸模塊發(fā)送至設(shè)定的IP地址中去，上位機(jī)可以通過在電腦終端的操作讀取數(shù)據(jù)信息，并將其保存至數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。

當(dāng)檢測到電纜的局部放電信號時，監(jiān)測裝置就會將故障信息發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)，記錄時間并保存至數(shù)據(jù)庫，同時通過GSM網(wǎng)絡(luò)將故障信息發(fā)送給電纜維護(hù)人員，及時告知維護(hù)人員故障的信息以及故障地點(diǎn)，方便維護(hù)人員及時準(zhǔn)確地進(jìn)行電纜線路搶修[10]。無線監(jiān)測終端主程序由3部分組成：系統(tǒng)的初始化程序、A/D轉(zhuǎn)換程序以及GPRS數(shù)據(jù)傳輸程序，如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)的流程圖Fig.6 Software system flow chart

3.2 系統(tǒng)開發(fā)

本系統(tǒng)在proteus中搭建89C52的模擬運(yùn)行環(huán)境，通過模擬故障信號源，將電壓信號作為故障信號，同時設(shè)置指示燈，當(dāng)故障電壓信號傳輸?shù)叫酒蠒r，指示燈閃爍，同時報警器發(fā)出聲音。系統(tǒng)的模擬仿真電路如圖7所示。

圖7 模擬仿真電路圖Fig.7 Simulation circuit diagram

3.3 系統(tǒng)調(diào)試

通過下位機(jī)報警子程序進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。在89C52中，輸入電壓信號，當(dāng)為故障電壓信號時，便會報警，并給指定的號碼發(fā)送報警短信，短信通過GPRS模塊傳輸至工作人員的手機(jī)上。

圖8為手機(jī)短信報警的結(jié)果，表明調(diào)試成功。

圖8 短信報警Fig.8 SMS alarm

4 結(jié)語

本文設(shè)計開發(fā)了XLPE電纜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了其基本功能。系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

1）局放傳感器采用超高頻耦合，有效屏蔽了干擾信號和噪聲信號；

2）系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)地上與地下信號的實(shí)時傳輸，能夠滿足電纜局部放電監(jiān)測的需要；

3）系統(tǒng)軟件通過GSM網(wǎng)絡(luò)傳送信息，可實(shí)現(xiàn)對電纜局部放電的遠(yuǎn)程監(jiān)測，及時掌握電纜的運(yùn)行狀況。

[1]杜伯學(xué).電力電纜技術(shù)的發(fā)展與研究動向[J].高壓電器，2010，46（7）：100-104. DU Boxue.Recent research status of techniques for power cables[J].High Voltage Apparatus，2010，46（7）：100-104.

[2]VAHEDY V.Polymer insulated high voltage cables[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine，2006，22（3）：13-18．

[3]陳瑞龍，錢勇.XLPE電纜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的研制[J].測量與檢測技術(shù)，2014，36（2）：101-103. CHEN Ruilong，QIAN Yong.The development of an online monitoring system adopting partial discharge of XLPE cables[J].Measurement＆Detecting Technics，2014，36（2）：101-103.

[4]張一鳴.分布式XLPE電纜局部放電放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的研制[J].自動控制系統(tǒng)與裝置，2015，37（6）：75-77. ZHANG Yiming.Development of a distributed on-line monitoring system for partial discharging of XLPE cable[J]. Automatic Control Systems＆ Equipments，2015，37（6）：75-77（in Chinese）.

[5]吳明.基于GPRS的XLPE接地環(huán)流在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2014：23-25.

[6]POMMERENKED，JOBAVAR，HEINRICHR．Numerical simulation of partial discharge propagation in cable joints using the finite difference time domain method [J]．IEEE Electrial Insulaion Magazine，2002，18（6）：6-11.

[7]李德全.電力電纜運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].通信電源技術(shù)，2017，34（1）：93-94. LI Dequan.The design of on-line monitoring system for power cable operating status[J]. Telecom Power Technology，2017，34（1）：93-94（in Chinese）.

[8]DENISSOV D，KOHLER W，TENBOHLEN S.Simulation of UHF PD wave propagation in plug-in cable terminations [J].IEEE Trans on DEI，2008，6（8）：2092-2098.

[9]胡凱.高壓電纜附件局部放電在線監(jiān)測方法研究與系統(tǒng)設(shè)計[D].長沙：湖南大學(xué)，2010：27-31.

[10]魏春明.基于GPS、GPRS技術(shù)的長距離電力電纜絕緣監(jiān)測技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2013：4-6.