電氣設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測與通信技術(shù)分析

李金燕

（國能陽宗海發(fā)電有限公司，云南 昆明 652100）

0 引 言

隨著我國電力技術(shù)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)的復(fù)雜度不斷提升。遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)可為電力電氣設(shè)備的維護(hù)和檢修提供重要的信息參考，提供有關(guān)設(shè)備狀態(tài)的可靠信息，幫助設(shè)備維護(hù)人員提高維護(hù)工作效率[1]。經(jīng)過多年的發(fā)展，基于遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)的一些比較成熟的產(chǎn)品被逐步應(yīng)用到電力系統(tǒng)維護(hù)中，在大型電氣設(shè)備維護(hù)方面發(fā)揮了重要的作用。但是如果遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)通信接口或其他地方出現(xiàn)故障，就可能導(dǎo)致遠(yuǎn)程監(jiān)測失效，進(jìn)而影響整個遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的正常使用。因此，有必要針對遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)與通信技術(shù)進(jìn)行研究。

1 電氣設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

所謂電氣設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測是指利用傳感器、計算機(jī)等技術(shù)，通過信號采集與傳輸、數(shù)據(jù)處理、邏輯處理等操作對電氣設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控與監(jiān)測，在線評估系統(tǒng)運行情況，并進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷[2]。隨著電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，電氣設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測已經(jīng)進(jìn)入實際應(yīng)用階段。電網(wǎng)中的電氣設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)由下位機(jī)、上位機(jī)、通信系統(tǒng)等構(gòu)成[3]。下位機(jī)的主要作用是采集電氣設(shè)備數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行預(yù)處理，如電氣設(shè)備的電壓、電流、溫度、壓力等信息，并將其轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)碾娦盘枺ㄟ^通信系統(tǒng)發(fā)送給上位機(jī)[4]。上位機(jī)對下位機(jī)傳來的設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，例如進(jìn)行時域和頻域分析，利用軟件濾波、均衡等技術(shù)對信號進(jìn)行進(jìn)一步處理，從而得到可以準(zhǔn)確反映設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)特征集，將處理后的數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析，以診斷設(shè)備狀態(tài)并識別故障[5]。電氣設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電氣設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

2 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中通信技術(shù)的應(yīng)用

2.1 遠(yuǎn)程監(jiān)測通信系統(tǒng)

基于監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成及特點，電氣設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)中的通信子系統(tǒng)可采用3層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，骨干網(wǎng)與分支網(wǎng)搭配。一級骨干網(wǎng)為調(diào)度中心、地區(qū)網(wǎng)絡(luò)到監(jiān)測主站，方便上級部門調(diào)用重要的電氣設(shè)備數(shù)據(jù)；二級子網(wǎng)是監(jiān)測中心主站與各個監(jiān)測設(shè)備之間、監(jiān)測中心主站與各監(jiān)測子站點之間的通信網(wǎng)絡(luò)；三級子網(wǎng)是監(jiān)測站與監(jiān)測對象或終端之間的通信網(wǎng)絡(luò)。對于不適合集中傳輸?shù)某h(yuǎn)距離終端，直接與監(jiān)測主站通信。圖2為典型的電氣設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖2 典型的電氣設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，每一級網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分布、數(shù)據(jù)量、功率需求等都存在差異，相應(yīng)的通信方式也有所不同，因此僅用一種通信方式難以滿足系統(tǒng)的所有通信需求。在實踐過程中，應(yīng)該根據(jù)實際需要和經(jīng)濟(jì)性組合不同的通信方式，匹配不同類型通信需求。

2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)通信技術(shù)比較

不同的通信方式各有特點，其應(yīng)用場景和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也不同。目前，遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中常用的通信方式主要包括電力線載波通信、電纜通信、光纖通信3種[6]。

2.2.1 技術(shù)對比

電力線載波通信方式利用電力線作為通信通道，不需要鋪設(shè)專門的通信線路就可以實現(xiàn)與每個電氣設(shè)備的通信，而且其通信網(wǎng)絡(luò)與電力生產(chǎn)物流方向一致，便于進(jìn)行信息流和數(shù)據(jù)處理的分級管理，通信安全且更容易管控。但該方式下的電力線路布線非常復(fù)雜，既有架空線也有下埋電纜，許多電力線的長度和橫截面不同。同時需要眾多的配電變壓設(shè)備，存在通信信號衰減嚴(yán)重、數(shù)據(jù)傳輸慢、抗干擾能力差等問題。

電纜通信方式需要布設(shè)專門的通信電纜，對通信終端要求不高，但維護(hù)工作較多。在電氣設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中，電纜通信方式適用于饋線開關(guān)監(jiān)測終端（Feeder Switch Monitoring Terminals，F(xiàn)TU）、監(jiān)測站周邊以及變電站之間的通信。

光纖通信方式的技術(shù)優(yōu)勢明顯，主要包括以下幾個方面。一是可擴(kuò)展性好，單一光纖通信環(huán)可連接多達(dá)100個通信節(jié)點，可以隨時進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展；二是損耗小，遠(yuǎn)距離傳輸時光纜通信的損耗僅有0.2～l.0 dB/km左右；三是傳輸距離遠(yuǎn)，單模光纖傳輸距離可達(dá)40 km以上，多模光纖傳輸距離可達(dá)6 km以上；四是可靠性好，環(huán)網(wǎng)通信，具有熱備份功能。單一的監(jiān)測系統(tǒng)通信使用光纖通信性價比不高，但如果與其他系統(tǒng)一同使用時，光纖通信是理想選擇。

2.2.2 經(jīng)濟(jì)對比

由于遠(yuǎn)程監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行多數(shù)據(jù)、大范圍通信，其所用通信方式的經(jīng)濟(jì)性也是需要重點考慮的問題。

（1）基本費用。電力線載波通信方式無需鋪設(shè)通信線纜，基本費用較少。電纜通信需要建設(shè)通信線路，從而產(chǎn)生電纜建設(shè)成本。光纖通信需要鋪設(shè)光纖電纜，基本費用較高。相比之下，電力線載波通信方式和公共移動網(wǎng)絡(luò)通信的基本費用最低。

（2）設(shè)備成本。電力線載波通信方式需配備耦合電容器等設(shè)備，設(shè)備數(shù)量眾多導(dǎo)致成本較高。電纜通信所需設(shè)備較少，同時設(shè)備價格比較便宜，往往只需要在監(jiān)測終端設(shè)置一個調(diào)制解調(diào)器即可實現(xiàn)通信。光纖通信的光端設(shè)備價格較高，綜合設(shè)備成本較高[7]。

3 電氣設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測通信干擾抑制

遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的信號不僅包括傳感器收集的信號，而且還有來自微機(jī)的控制信號。由于這些信號需要在各個系統(tǒng)、單元、甚至部件間進(jìn)行傳送，因此要保證信號在傳送過程中不受其他信號干擾，以避免信號出現(xiàn)畸變或誤動[8]。

3.1 系統(tǒng)內(nèi)部干擾抑制

實踐過程中，通常通過以下措施來抑制遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的通信干擾。

首先，確保系統(tǒng)內(nèi)各個通信通道之間保持一定距離，尤其要注意防止通道之間形成電磁耦合。例如，當(dāng)多路通信信號共享一個集成芯片（包括多個模擬開關(guān)或多個運算放大器）時，可以分別選擇多個芯片，避免不同通信通道之間相互干擾。

其次，確保一點接地。當(dāng)多點接地時會通過接地回路形成循環(huán)電流，進(jìn)而發(fā)生共模干擾。監(jiān)測系統(tǒng)中每個組件、子系統(tǒng)都需要建立自己的回路，不能共用一根地線。特別是數(shù)字電路、模擬電路的地線要分開，避免共模干擾。同時，地線應(yīng)盡可能粗，接地回路應(yīng)盡可能短，以減小回路阻抗[9]。

最后，采取有效的隔離措施。通過隔離措施對通信信號進(jìn)行處理后再發(fā)送，可有效防止系統(tǒng)內(nèi)部各單元的相互干擾。常用隔離方式有變壓器隔離、光耦隔離、電-光纖-電隔離。變壓器隔離的核心設(shè)備是1∶1變壓器，一次繞組與鐵心保持恒定絕緣，繞組之間有接地金屬屏蔽。光耦隔離的核心設(shè)備是光電耦合器，其本質(zhì)是光電隔離和電路相互隔離。光耦的輸入阻抗一般只有0.1～1 kΩ，干擾源的內(nèi)阻一般在1 MΩ以上，光耦的輸入噪聲很小。此外，耦合器輸入端和輸出端之間的寄生電容很小，僅有0.5～2 pF。光耦隔離效果和抗干擾能力都比較好，特別適合短距離的信號傳輸。電-光纖-電隔離通過光耦合絕緣來隔離兩個系統(tǒng)之間的干擾，適用于遠(yuǎn)距離信號傳輸，抗干擾能力較強(qiáng)。

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)外部電磁干擾抑制

對于電氣設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)來說，載波通信、晶閘管整流、高次諧波以及環(huán)境過電壓等都可能產(chǎn)生電磁干擾[10]。來自交流電源的電磁干擾可分為共模干擾和差模干擾。共模干擾是指兩條電源線與地之間的電磁干擾，對地的干擾電位相同，相位相同。差模干擾是指兩條電源線之間的干擾。電氣設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)通常需通過隔離變壓器供電，同時需要在輸出端連接低通濾波器，以消除隔離變壓器的電磁干擾。在信號傳輸中，由電磁耦合產(chǎn)生的干擾可以通過金屬機(jī)箱或機(jī)柜進(jìn)行屏蔽。

4 結(jié) 論

綜上所述，通過對電氣設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)常用的通信方式進(jìn)行研究和對比分析，結(jié)合遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特點，提出系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的3層架構(gòu)方案。該方案采用骨干網(wǎng)加子網(wǎng)組網(wǎng)模式，能更好地滿足在線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的各級數(shù)據(jù)通信需求，從而更好地保障電氣設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的正常運行，提高電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。