配電線路故障在線檢測裝置自動化技術分析

邱超 黃為民

國網江蘇省電力有限公司鹽城供電分公司 江蘇 鹽城 224005

引言

在智能化電網的建設發展中，配電設備的監測技術是非常重要的內容，也是提升智能化電網運行質量與運行效率的關鍵。從技術特點來看，在線監測技術具有一定的前瞻性和可預見性，能夠通過固定化的監測技術及計算機網絡來對設備的絕緣變化趨勢進行監控與分析，從而及時發現存在的問題，將安全隱患及時消除。從整體上來說，配電設備的在線監測技術能夠有效地降低配電線路的安全隱患，提高整體電網的運行穩定性及有效性，從某種意義上來說，在線監測技術先進性是我國電力網絡發展與進步的重要因素。

1 在線監測技術概述

電氣設備在線監測技術的應用需要與電氣管理方法、處理機制等結合，保證管理模型與電氣設備運行要求相符。為了保證電氣設備在線監測實際效果，需要重點分析設備的絕緣特征參數，即電容量、電流、介質損耗。其中在分析介質損耗因數時，因為可能會影響電氣設備缺陷及靈敏性，所以需要重點分析硬件直接測量相位角，檢查軟件檢測信號變換結構是否與數字化處理機制相符，保證電氣設備在線監測與管理的效果。電氣設備在線監測主要包括如下內容：①電氣設備故障；②電氣設備運行狀態；③信息傳遞、處理與存儲等；④狀態與故障征兆；⑤選取故障診斷方法與基礎理論。

從我國電力行業的整體發展情況來看，加強變壓器制作質量保障與管理，強化變壓器檢修、維護、預防性監測是確保電網穩定運行的關鍵。針對電力設計與供電部門來說，需要加強對維修、預防作業的重視，保證電網穩定運行，減少事故的發生。過去一段時間，我國電網中的變壓器運行維護采取預防維修與事后維修兩種方式，預防維修會提高檢修成本，消耗大量人力，而事后維修則會由于變壓器故障而造成一定損失。近幾年，智能化技術、計算機技術等各種先進技術都得到了飛速發展，變壓器維修由過去的預防性維修和事后維修向狀態維修方向轉變，相關工作人員也加強了對這一內容的探究。狀態維修就是依據變壓器設備運行狀態，制定相應維護策略。采取狀態維修，一方面能夠減少事故發生概率，另一方面也能夠減少非必要維修，在保證電網能夠穩定運行基礎上，減少整體投入。

2 在線監測系統設計要點

2.1 監控系統

變電站端監控系統由數據處理服務器、圖像處理服務器、數據通信服務器、路由器等組成，分別負責不同的模塊。數據處理服務器主要負責數據采集模塊，使用硬盤錄像機存儲各種數字視頻，具有回顯、錄音、查詢等多種功能。當接收到網上其他節點發出的指令信息時，實時查詢相應模塊周期性的數據，并根據所查信息做出反應，實現對各種異常情況的門禁告警信息傳輸。圖像處理服務器主要負責圖像采集模塊，將攝像機抓拍到的現場實時視頻信號壓縮、存儲，最終成像，并將圖像在局域網內傳輸，支持在線用戶隨時點播觀看。一般圖像處理服務器可控制6臺攝像機，其中2臺為帶云臺的室外全方位一體化球形攝像機，防塵、防雨效果良好，主要用于查看室外設備環境、門禁管理及周邊安全情況，配合消防、防盜等工作；2臺為帶云臺的半球罩吸頂攝像機，安裝在主控制室、高低壓配電室、電容器室等設備用房內部，用以實現儀器儀表監視的功能；另外2臺則分別安裝在變電站室外樓頂以及室外主變壓器附近，用于油位、開關、儀表以及環境監測。

2.2 芯片設計

監控設備是變電站通監控系統運行的基石，芯片更是其中的核心部件，主要負責監控信號及數據的采集和傳輸，能夠監控變電站所有設備的運轉狀況，系統其他部件的運行都以此為基礎。本系統選用的DF芯片（一種微型裝置）能夠實現對采集數據的瞬時處理，其具有監控能力強、能耗低、運行穩定的特點。芯片自帶3個引腳，1個與硬件區之間實現信號傳輸，1個負責軟硬件區域之間的數據傳輸，最后1個實現變電站硬件區內不同信號的傳輸。經芯片處理后的數據時間和數值的對應關系更加明確，波形信號與數字信號之間的轉換更為迅速。

2.3 USB接口設計

在控制信息的傳輸速度方面，硬件設計主要是利用USB接口連接節點控制器和網關微處理器。本次設計的USB接口工作電源為3V電壓，傳輸效率遠高于一般電源，遠距離監視信息傳輸時間也大幅縮短，節省的時間可用于處理突發狀況。為保證遠程監控信息系統的高效運行，增加設計了備用接口，當常規接口出現故障或其他特殊情況時可使用備用接口傳輸信息。此外，USB接口引腳也可以根據具體情況進行調整，在傳輸區域信息時，引腳與芯片的引腳連接，此時系統正常運行。當硬件區域的電壓值過高時，引腳自動與接地引腳連接，系統硬件設備立即停止工作，軟硬件區域信息傳輸終止，以保證信息的安全。

2.4 環境監控模塊

環境監控模塊的主要作用是確保系統運行環境的安全穩定，其主要由環境入侵報警器、內部溫度感知器、突發性自然災害監測器3個部分構成。環境入侵報警器的主要作用是對整個變電站進行區域安全監測，當有可疑物體進入或者靠近變電站時，會實現實時報警信號的傳輸，避免突發情況的產生。內部溫度感知器可監測變電站內部環境（如溫度、濕度、溢水、煙霧等），并在越限時聯動報警，從而遠程監控電力運行設備以及變電站環境。突發性自然災害監測器主要用于變電站自然災害的遠程監測、實時決策以及及時預警，盡可能減少因自然災害造成的損失。

3 配電線路故障在線監測自動化技術的應用

3.1 合理構建通信網絡拓撲結構

通常情況下，按照變電站電力設備狀態監測的需求以及物聯網的應用特點，可設計電力通信設備通信網絡拓撲結構在該結構中，由傳感器網絡負責開展信息采集，經過網絡層對實時數據的匯總，并連通上下層通信網，最后與應用層和感知層進行通信。同時應用層連接網絡通信功能、感知層借助數據網絡、光傳輸網絡實現信息交換。不過，在建立電力設備的通信網絡時，由于通信網絡中的一級設備數據處理能力和動態性能較差，對于業務信道分配不夠精細，二級網絡信息容易過濾，同類業務在不同網段內，很容易將有價值信息過濾掉，且三級設備的網絡協議具有復雜化特點、協議滲透性不強。針對相關技術難點，在構建通信網絡拓撲結構時，可采用簡單可靠的兩層結構，有利于防范因廣播域過大導致不可控局面。因此，在電力物聯網技術支持下，選用環型拓撲結構，有利于實現電力設備之間的通信互通。主要是由兩個集中的節點組成整個網絡，其中中央節點起到控制管理中央流量的作用，各個主IED之間的通信，必須經過中央節點轉發。

3.2 傳感技術

電氣設備在線監測技術在應用中的關鍵便是傳感技術，工作人員調整傳感設備精確度，可以增強傳感技術以及實際獲取數據的精準度，從而改善在線監測技術的應用效果。由于傳感技術數據精準性非常重要，所以數據也成為監測設備規范運行的關鍵衡量標準，一旦數據產生變化，代表設備在運行中產生變化，若是數據為正常值，即代表設備處于正常狀態。傳感技術不斷更新的當下，在電氣設備的在線監測中得到廣泛應用，使數據分析準確性更高，也可以在采集數據基礎上，分析發現電氣設備的潛在隱患。要想充分體現出傳感技術的靈敏度，往往需要投入較高的成本，一般傳感器靈敏度高，造價也相對較高。這就需要在技術研究方面增加投入，既可以加速技術創新，又能夠節約造價成本，達到加強傳感技術靈敏性的效果，也可以因此完善電氣設備監測標準，在傳感設備的作用下保證電氣設備能夠處于常規運行狀態，降低電氣設備故障發生率。

3.3 線路運行情況的監測

線路局部放電監測以及線路光纖的溫度監測是對線路運行狀態判定的良好方法。在線路的日常工作中，由于交流電容在工作時很容易混入一些雜質，而且還出現氣泡殘留的情況，當氣泡和雜質將電壓擊穿之后，那么就會引發局部放電的情況。局部放電情況的出發會伴隨有劇烈的現象，如發出超聲波、出現電脈沖、出現明顯的光熱情況等，那么工作人員只需要從其現象入手對超聲波、電脈沖以及光熱情況進行監測，即可判斷出線路是否存在著局部放電的情況，從而判斷線路的運行情況。此外，在當前光纖技術的不斷發展背景下，工作人員也可以從光纖溫度這一角度對線路進行在線化的監測，在該技術思路下主要是對線路外層的溫度來進行監測，利用計算機的后臺平臺處理來計算出線路線芯的溫度，從而判斷出線路運行的狀態，同時還可以根據其溫度的高低來準確地預判該線路的配電能力。在具體的應用中，線路外層溫度的測量還是具有一定的困難性的，所以一般需要采用分布型光纖測溫系統進行監測，該系統能夠進行連續性、多點化的測量，同時能夠很好地抗外界干擾，其精確度也非常高。

3.4 無人機巡檢系統

構建智能高效并安全可控的無人機、可視化與人工協同巡檢體系。采用無人機并搭載多類型智能感知傳感器，對跨越鐵路、高速、河流等人員車輛難以到達的區段進行巡視，對工地進行定點定高巡視、拍照比對，對人員巡檢困難的終端桿（塔）上戶外終端進行近距離巡檢和定高、定角度紅外測溫，彌補人工巡檢的空白，提高巡檢的質量和安全水平。在重要線路通道和固定隱患點加裝警示牌可視化裝置，實現自動監拍、隱患自主預警，并可與光纖振動防外破監測系統聯動提高外破隱患預警準確率。內部線路運檢人員通過RFID電子標簽、探測器和智能終端，以及外部護線員通過巡檢關鍵點的二維碼掃描與智能管控APP，實現高壓線路及通道移動巡檢，確保巡視工作質量。無人機機巢可布署在變電站、園區的屋頂或地面等處，并安裝氣象傳感器，如風速儀、雨量計、溫濕度計等，根據氣象監測數據自動控制無人機執行巡檢任務。機巢通過線路與可靠市電連接，為系統提供持續電源，無人機返航后，機巢自動展開并通過內置機械臂為無人機更換電池。無人機在巡檢過程中，如提示機器電量不足，將自動返航充電。

3.5 通道全域化監測裝置

電力排管作為高壓線路通道的地下保護層，當其發生沉降、變形、開裂時會反過來威脅線路的安全運行。電力排管安全范圍內的機械施工故障均伴隨強烈振動，排管破損是線路發生外損性故障的最后一道警示線。因此，打造線路排管全域數字化監測系統，可以對基于排管形變、裂縫、埋深定位等物理結構實施毫米級監測，實現基于光纖振動傳感的線路通道安全監測與危險預警功能，建成基于排管安全等級評估的全域監測平臺，全天候實時發送全域狀態信號，通過運行工況和監測信息歷史智能比對分析來作出預警決策，構建出一道保衛地下高壓線路的“智慧長城”。

4 結束語

在目前的電力系統發展進程中，配電線路的在線監測技術有著很好的實用性，為電力系統的穩定發展提供了很大的幫助，但是在某些技術領域中，在線監測技術還有可待改進的地方，需要在未來的發展中不斷地探索新的技術，對監測數據進行綜合性分析，結合多方反映的情況對配電線路的情況進行綜合性地斷，以保證電力系統的穩定運行。