油田輸配電線路接地線狀態識別和定位技術

劉 軍 劉慶寶 聶萬慶

1.中國石化集團公司勝利油田分公司 山東東營 257000 2.勝利石油管理局有限公司電力分公司 山東東營 257000

1 研究背景

長期以來,對于輸配電線路接地線一直依靠管理制度約束,按照安全規程的要求進行電話報告、通知確認接地線的安裝情況。在人工無法滿足監測需求的背景下,為提高作業過程中的工作效率,需要結合先進技術,連接無線通信,實現自動化監測。北斗定位技術和5G無線通信技術的推廣應用,為流動性大、地理位置分布廣、數量多、狀態變化隨機的工業設備運行狀態在線監測提供了技術支持。通過研究,設計傳感器,并對現有接地線進行改造,可以實現輸配電線路接地線的狀態識別和定位。

2 輸配電線路接地線在線監測必要性

根據電力安全工作規程的相關要求,在電力線路技術措施中,裝設接地線、使用個人保安線是保障檢修作業安全性的必要措施[1]。在電力系統中,接地線是在已停電設備和線路上意外出現電壓時保障工作人員安全的重要工具。線路流動接地線和個人保安線的安裝、摘除全部依靠人工進行,無法將接地線的安裝位置與自動化系統對接。為消除線路作業過程中接地線安裝不規范、不及時的情況,杜絕帶接地線進行線路送電誤操作,結合新技術的應用,實現線路接地線掛接的實時監控。為了防止接地線漏接或漏拆,主要采用接地鎖等技防措施。通過在接地裝置上加裝接地鎖,將接地裝置納入線路安全監控防誤系統,可以有效避免接地裝置漏接或漏拆[2]。但是,加裝大量接地鎖,成本較高,操作較為復雜,并且加裝接地鎖并不適用于所有接地裝置,線路中加裝太多的接地鎖,會提高直流接地的可能性,提高接地裝置漏電等事故風險。由此可見,實現線路接地線實時監控,需要同時配合人工檢查各檢修設備運行狀態,查漏補缺。

輸配電線路縱橫延伸距離長,處在不同的環境中,受地理環境和氣候的影響很大。油田輸配電線路多分布于野外,無法獲取穩定電源,現場使用的自動化裝置對電源設計、通信等要求較高,流動接地線的在線監測無法實現。實際操作過程中,要求嚴格執行電力安全工作規程等相關規定,但違章情況還是存在,成為輸配電線路檢修的重要風險點。隨著變電站無人值守、集控管理的推進,電網數據全面采集逐步完成,接地線的安裝狀態采集成為亟待解決的問題。實現接地線掛接狀態信息采集和定位信息實時安全回傳至電力地理信息系統,從而能夠在全送電區域檢測并直觀顯示當前接地線的狀態,防止帶接地線送電風險和作業前接地線安裝不規范違章行為的發生,輔助調度員判斷潛在安全隱患,以滿足對整個電網實時監控的要求。還可以對接地線使用過程中的現場數據進行管理,對接地線的使用地點進行定位跟蹤,利用地理信息系統對塔桿地理信息進行查詢,通過線路工作票檢修數據記錄、了解線路檢修狀態,方便線路作業指揮人員進行線路相關信息查詢,保證接地線管理工作實施更加高效[3]。

3 傳統接地線夾具掛接傳感器觸發技術

接地線作為安全技術措施,應用貫穿于電網的發展歷史。應用傳感器,立足于不改變目前使用接地線的外形,不改變安裝操作方式和過程。對于變電站流動接地線,可以通過掛接地線時讀取接地線接地極的編號來實現位置識別。線路接地線的接地極沒有固定地點,大多通過臨時插入地面金屬釬來實現接地,因此無法使用類似方法實現掛接位置的識別。油田輸配電線路遠離城區,掛接分散,由此接地線掛接點的位置采用經緯坐標定位識別較為方便,如何觸發采集掛接位置點成為需要解決的問題。

油田輸配電線路導線的直徑從60 mm到240 mm,型號種類很多,實現不同直徑接地線掛接時的靈敏檢測是問題解決的關鍵。接地線夾具掛接并觸發傳感器,用于北斗衛星定位及其它模塊休眠喚醒,安裝位置及靈敏度至關重要。如圖1所示,在接地線夾具頂端將磁敏傳感器固定在凹槽內,通過橫向銑槽的方式避免傳感器受夾具金屬屏蔽磁路的影響,磁敏傳感器的靈敏度滿足要求[4]。

圖1 磁敏傳感器固定在接地線夾具頂端

磁敏傳感器與核心電路板的連接通過加工微孔來實現,連接線通過接地線夾具側面凹槽與核心電路板連通,如圖2所示。

圖2 磁敏傳感器與核心電路板連接

在磁敏傳感器與磁柱間,磁通被薄鋁層屏蔽而變弱,磁敏傳感器在磁柱接近過程中不會誤動。當導線推動觸頭移動時,嵌入的磁柱隨觸頭移動,經過微孔,此時磁通量因無鋁層屏蔽而瞬間加大,確保掛接不同直徑接地線時磁敏傳感器可靠動作。嵌入接地夾具的磁柱如圖3所示。

圖3 嵌入接地夾具的磁柱

4 衛星定位與通信技術

北斗衛星定位具有高精度定位導航能力,無人機搭載北斗衛星高精度定位模塊,導航服務水平精度高于5 m,高程小于10 m。在電力北斗衛星精準位置服務網的支撐下,動態水平精度高于3 cm,高程精度高于5 cm。選取110 kV線路和220 kV線路,利用高精度北斗衛星定位技術、通信和人工智能技術,提高運檢專業遠程運維能力[5]。接地線掛接在線監測時,應用定位芯片,屬于北斗衛星定位技術的特殊應用場合。選擇定位芯片,需要側重于體積小、功耗低,這樣才能滿足掛接地線到拆除接地線期間的持續工作要求,并且降低電池更換等日常維護工作量。在北斗衛星通信終端之間相互發送數據,這種雙向通信功能是北斗衛星導航系統區別于其它衛星導航系統之處。端到端的通信方式不受地理位置限制,通常情況下無通信盲區,成本較低,可以作為通信手段匱乏的偏遠地區通信的有效補充。北斗衛星通信的報文長度和通信頻次由國家發放的通信卡等級決定,對民用開放的通信卡通常是通信間隔為1 min的分鐘卡,單幀可發送報文長度為78.5 Byte。通信頻次更高、單幀容量更大的高等級通信卡需要特殊申請,以解決特定應用[6]。油田輸配電線路上影響定位的因素有很多,如接收衛星導航系統星座的數量、是否支持實時差分定位、頻段、收斂時間、校正方式等。地理位置作為接地線采集的重要信息,其實現精度與功耗是關鍵指標。選擇ATGM336H中科微北斗定位模組,功耗低,內置天線檢測電路,具有天線短路保護功能,可以實現雙模連續跟蹤和定位。冷啟動的捕獲靈敏度為-148 dBm,跟蹤靈敏度為-162 dBm,可以在相對短的時間內獲得定位坐標,定位精度不低于2.5 m,對于目前線路接地線掛接識別而言較為理想。模塊尺寸為9.7 mm×10.1 mm×2.4 mm,完全滿足集成在接地線夾具操作桿內的要求。

考慮到當前2G、3G 退網,5G覆蓋率有限的情況,決定采用4G技術。選擇EC200U-CN4G移遠模塊芯片,最大下行傳輸速率為10 Mbit/s,最大上行傳輸速率為5 Mbit/s。在封裝時兼容移遠通信多網絡制式,實現3G與4G網絡之間的無縫切換。這一模塊芯片內置豐富的網絡協議,集成多個工業標準接口,支持多種驅動和軟件功能,能夠在視窗、Linux、安卓等操作系統中由通用串行總線驅動。經實地測試,在低信號強度環境中,這一模塊芯片的靈敏度滿足邊遠地區線路對通信靈敏度的要求。

傳輸協議對接地線掛接檢測而言十分關鍵,是雙方實體完成通信或服務所必須遵循的規則和約定。消息隊列遙測傳輸協議是一種即時通信協議,比較適合物聯網場景的通信。消息隊列遙測傳輸通過傳輸控制協議連接至云端,云端實現接地線與服務器之間消息的轉發。消息隊列遙測傳輸協議設計時考慮到不同設備計算性能的差異,最小數據包僅2 Byte,對于低功耗、低速網絡也有良好的適應性。消息隊列遙測傳輸協議具有完善的服務質量機制,根據業務場景可以選擇最多一次、至少一次、一次三種消息送達模式,并且由于所有數據通信都經過云端,因此安全性得到較好的保障。將消息隊列遙測傳輸協議作為通信支撐,可以大大減小通信數據量,有效降低裝置功耗,提升安全防護與隔離水平,延長電池使用壽命。

5 地理信息系統的接入

油田電網要做到全景展示,輸配電線路地理信息系統是最好的選擇。電網管理建立在基礎數據、電網模型上,地理信息系統中的空間信息、數據信息、自動化實時數據等可以生成電網的指標信息,電網的指標信息是接地線監控的重要數據基礎[7]。

5.1 坐標修正

需要注意的是,接地線掛接點坐標與線路桿塔坐標之間的誤差是必然存在的,這就導致接地線掛接點無法直接應用線路桿塔坐標,需要進行坐標修正。

輸配電線路檢修時,需要結合巡檢時的缺陷及運行信息。接地線掛接根據檢修需要進行,在整個區域內均有可能分布,并且掛接形式多樣。接地線掛接位置實時獲取的坐標存在2～10 m不等的誤差,并且線路桿塔基礎數據在錄入時本身也存在誤差,所以將掛接點坐標校正為線路桿塔坐標,才能保證系統中接地線掛接位置在輸配點線路上。按照就近原則進行修正,在附近有且只有一條輸配電線路時,掛接點坐標修正為該線路最近點的桿塔坐標,同時結合手動方式進行確認。

5.2 交叉同桿多條線路接地線識別

可能存在相鄰線路或者交叉跨越線路的接地線無法確定到底是掛接在哪條線路上的情況,對此需要進行交叉同桿多條線路接地線識別。帶電線路是不可能掛接地線的,根據這一原則,通過數據采集與監控系統接口獲得線路開關狀態數據,過濾帶電運行線路。在此基礎上,對于接地線掛接點與多條相鄰線路距離過于接近,無法進行有效坐標修正的情況,采用數據采集與監控系統獲取操作變位,輔助判斷線路真實掛接點。通過上述步驟仍然無法有效判定接地線的掛接線路時,由人工通過移動電話終端來手動選擇正確的掛接線路。

5.3 適配

接入現有地理信息系統,必然要進行適配,匹配原有的輸配電線路地圖。通過前述坐標修正和交叉同桿多條線路接地線識別,能夠完成適配,實現準確實時顯示接地線位置及掛接狀態。接地線在線監測接入地理信息系統后,地理信息系統界面如圖4所示。

圖4 地理信息系統界面

6 項目測試

針對接地線誤掛漏拆,提出主動防御的理念,對接地線出庫、在途運輸、現場掛接、結束拆除、裝車返回、回庫管理全流程進行監控,同時通過采取北斗衛星定位和無線通信技術相結合的方法,將接地線狀態實時通過車載接地線回收裝置傳送至管理后臺,實時監測接地線位置及狀態[8]。為獲取可能存在的問題,對這一研究進行了測試,包括傳感器性能測試、傳感器邏輯功能性測試等。

6.1 傳感器性能測試

應用環境測試內容見表1,電磁兼容性測試內容見表2,坐標識別定位測試內容見表3。

表1 應用環境測試內容

表2 電磁兼容性測試內容

表3 坐標識別定位測試內容

6.2 傳感器邏輯功能性測試

低功耗工作狀態模擬測試內容見表4,分模塊功能測試內容見表5,模塊集成后穩定性測試內容見表6,數據傳輸測試內容見表7。

表4 低功耗工作狀態模擬測試內容

表5 分模塊功能測試內容

表6 模塊集成后穩定性測試內容

表7 數據傳輸測試內容

7 結束語

通過對油田輸配電線路接地線狀態識別和定位技術進行研究,在不增加有線、無線通信網絡建設投資的基礎上,建立以互聯共享技術為主的生產智能遠程測控系統,以完成油田輸配電線路接地線的遠方在線實時監測。應用具有北斗衛星定位、無線數據傳輸等功能的電氣設備位置傳感器是一個新的探索,將北斗衛星定位引入設備管理,完成線路接地線安裝狀態、安裝位置的實時監測。結合現場設備操作過程,基于線路接地線狀態和變電站線路出口開關狀態的全面采集,實現了新型防帶電工作及防帶接地線送電技術手段。通過具體應用,能夠實現油田電網設備實時全面監控和管理,減小人為因素對電氣設備操作管理的影響,提高油田電網智能化運行管理水平,有效降低油田電網事故率,提高油田電網供電可靠性。