高壓配電裝置的無線監測與預警系統設計及應用

高 方

（國網河南省電力公司商丘供電公司，河南商丘 476000）

隨著西電東送、國家電網的大規模建設，電力系統的安全性、穩定性、經濟性等問題日益突出。高壓輸電線路在長距離、大容量傳輸、電網互聯等方面具有顯著優勢，對西電東送、國家電網建設等具有重大意義。

但是，高壓輸電線路的長度較長，線路結構復雜，穿越高山、森林、河流、湖泊等復雜的氣候環境，在線路出現故障時，很難進行巡線和檢查。這就要求用記錄儀或距離設備來提供精確的距離，以便于查找故障。行波測距是高壓輸電線路故障定位的重要手段，但由于線路上存在著長距離傳輸衰減、高阻抗故障、T 接線路和智能變電站的發展，使得傳統的線路行波法在高壓輸電線路上的應用效果不佳，很難達到準確的故障定位要求[1]。許多故障都是因為無法及時找到故障原因，導致長時間斷電，使電力系統的可靠性受到極大的影響，從而導致了經濟、社會的巨大損失。電力系統急需一種高精度的故障定位技術，它可以及時獲知故障區域和距離，便于操作人員進行維修，提高運行維護效率。以最大限度地降低損耗，提高供電可靠性，改善供電質量。因此，在高壓輸電線路中運用智能WAW 改為三模平臺技術進行實時在線監測是一種很有意義的方法。但在實際應用中，采集單元的安裝、匯集單元的供電、數據傳輸的距離等都存在著諸多難題。文章介紹了無線自組織網絡技術，著重對高壓輸電線路無線檢測預警系統在實施中存在的一些問題和對策進行了分析和探討。

1 無線自組織網絡設計要求

因電網多處在戈壁、沙漠、礦井等地，通信信號較差，利用傳統的通信商網絡很難進行數據的傳送，因此必須使用自組織網絡進行數據的傳送。為了減少一次投資，必須減少轉發器數目，并對長距離傳送方案進行研究。由于傳統的無線通信模組功率消耗大，設備壽命短，因此迫切希望研制出低功率的無線模組，以延長其使用壽命。所研發系統是可用于在線監測線路絕緣的網絡結構。除了在桿塔A、B、C 三相上分別安裝一個檢測節點之外，在變電所的線路末端設有一個匯集點，用以采集線路上全部檢測點的數據，并將采集到的數據經網關和變電所的光纖通訊端口與供電公司的生產管理網相連接。同時在線路工作區域內設有所轄變電站的線路監視中心，并配置磁盤陣列，以存儲線路監測的歷史資料[2]。無線傳輸拓撲結構是防止信息阻塞的一種方法。可實現對電力傳輸系統中信號采集、無線模塊、服務器等多個層次的實時監控，同時方便檢修運維人員對現場設備及輸電線路的遠程監控。

2 高壓輸電線路在線監測系統設計

高壓輸電線路的故障報警與定位系統的體系結構按需要設置無線監控收集裝置。監控收集裝置一般都安裝在鐵塔的桿塔上，由監控裝置負責接收收集裝置的監控數據；同時，收集裝置采用背對背的傳輸方式，集中裝置與數據傳送站相連，并經數據終端傳送至供電局后端監測中心。系統包括多個監控終端、中央臺和其中都具有無線傳感器的用戶系統；其中，包括應用程序服務器和數據服務器的中央工作站，具有安裝方便，維護少的高壓線路故障報警和定位系統；并應用了最新的動態波速自適應原理，使定位更加精確；同時，監控終端的功率消耗較小，從而改善了電源的可靠性[3]。在降低無線測溫預警系統功耗的設計中，可以將CPU 系統設定省電模式基礎上，還可進一步提升降低功耗的設計。所構建的高壓輸電線路無線監測預警系統的軟件程序設計如圖1所示。

圖1 高壓輸電線路無線監測預警系統軟件程序設計流程

為了確保數據的可靠傳遞，在網絡拓撲結構設計中，每隔10km 設置一個轉發器。圖2中的軟件程序流程依次為：系統實際需求——系統功耗——分析結果——設計程序，每個功能模塊相互獨立，確保內部功耗平衡穩定，將各個功能模塊的交換信息設計成中斷喚醒方式，調試好后可以進行功耗核定。

圖2 無線監測預警系統功能

3 網絡安全控制系統的設計原則

網絡安全控制系統的設計不僅需要參考SSECMM 系統安全工程成熟模型標準，還應參考相關信息安全管理標準。設計能夠應對不同威脅的安全保護機制是一種可防止破壞電力自動化系統安全的保護系統。同時，實時監控系統的運行狀態不容忽視，對系統的攻擊可以及時制止[4]。另外，還要具備當受到攻擊后可以應急處理，把破壞和損失降低到最小。

文中構建的無線監測預警系統功能見圖3所示。智能在線監控系統主要包括數據采集和通信監視兩大模塊。數據采集可實現，收集各地分布的安全控制設備發出的各種信息，選用國內主流廠商和各類安全控制設備。采集單元有Web 和手機APP 可選。通過Web 和手機APP 展示界面可以清晰監測高壓配電裝置及輸電線路監測點位的溫控、運行狀態及綜合用電記錄。網絡安全是系統設計的重點，并提供通道消息監視和調控工具[5]。高壓輸電線路無線監測預警系統不僅要具備安全監測預警功能，還可以針對性地實施監測預警系統的安全保護機制。

4 系統實現的相關問題

4.1 輸電線路絕緣子電流泄漏傳感單元設備的研發

輸電線路絕緣子漏電檢測裝置是一種對絕緣子漏電信號進行全面監控的裝置。如圖3所示。絕緣子在正常工作時處于高電阻狀態，漏電電流在十幾～幾十mA，因此，絕緣子不但要保證電線與接地絕緣，還要能經受住閃電和開關動作造成的過電壓沖擊，并能承受較大的電壓沖擊[6]。在電壓沖擊下，由于閃絡而產生的局部過熱，不會造成絕緣子鋼結構的破裂，而在沿表面放電或閃絡時，可能會出現數十mA，乃至數A。

圖3 適用于線路絕緣在線監測的網絡結構設計

漏電互感器選用具有高磁導率、線性度的鐵-鎳材料；具有更高的穩定性和更好的性能來抵抗共模干擾。在信號放大器中，采用兩個放大程，以保證變壓器在“零磁通”工作時的最佳工作狀態，從而達到最大的比值和相位差。自動補償的設計與溫度無關；磁滯回線對振動的影響。由于采用被動式設計，所以除了一些電阻器以外，沒有其他的電子元件，工作穩定、可靠。本產品主要用于1～500 kV 電力設備的接地導線的漏電和介損帶電試驗，為了便于工程安裝，在線型絕緣監視系統，如CT，PT，CVT，主變套管，主變鐵芯，各種避雷器，開關等，為了便于工程的安裝，均采用開放鐵心卡套和絕緣罩。

4.2 導線弧垂計算

在架空線路中，導線弧垂的大小將直接影響到導線與絕緣子之間的角度，從而可以根據導線與絕緣子間的角度來確定其長度。弧垂傳感器是一種新型的微型微機械傳感器，它能準確地檢測出電線的振動信號和對電線絕緣子的角度。用DSP對測量數據進行處理，并將其處理后的數據作為參數，利用弧垂計算模型進行計算，得出所需要的線路弧垂信息。然后，基于報警的越界設定，對報警信息進行判定。當曲線的垂度為θ時，弧垂傳感器的輸出是ε，而微型天氣傳感器的輸出是δ，那么，弧垂的計算就可以抽象成θ=F（ε，δ）。

5 結束語

總之，隨著電子技術、無線電傳感技術和綜合技術的迅速發展，無線網絡的使用日益普及。特別是在高壓輸電線路的監測報警應用中，為減少故障發生，構建高壓輸電線路無線監測預警系統已刻不容緩。通過Web 和手機APP 對高壓輸電線路進行現場和遠程監測預警，很好地解決了高壓輸電線路常規的安全性問題。與人工智能、計算機、傳感器技術相結合，隨著通訊技術和信息技術的飛速發展，可以通過對高壓輸電線路進行實時、遠程的監控，從而能夠及時地預警可能出現的設備裝置或線路火災，同時極大地方便了日常檢修和降低了運維成本。文中構建的高壓輸電線路無線監測預警系統，經工程實踐具有以下優點。

（1）安裝方便，維護量小。采用無線接收的方式，不需要安裝特殊的行波變壓器，并且在桿塔上安裝了多臺監控終端，不需要與高壓設備進行連接，不需要斷電，也可以作為后備設備。

（2）監控終端采用無線網絡設計，可以實現檢修人員對高壓輸電線路的遠程控制，極大降低了人員維護的勞動成本和勞動強度。

在高壓輸電線路中，采用智能無線自組織網絡進行故障報警和定位，具有很大的優越性。當線路出現故障時，該系統可以從多個方面對故障進行分析，從而幫助線路監測中心迅速識別出故障點和區域，從而為山區線路的巡檢人員提供了極大的方便。