基于5G通信技術的變電站SF6氣瓶智能管理系統設計

李愿明,唐新民,蔣 菠,吳偉智,李建清

(1.廣東電網能源發展有限公司,廣東 廣州 510160; 2.南通虹登機械設備有限公司,江蘇 南通 226006)

0 引言

六氟化硫(SF6)氣體在變電站中的主要作用是進行4類電氣設備的絕緣或滅弧。在應用過程中,SF6氣體采用氣瓶進行存儲[1]。該氣體無色、無味。存儲該氣體的氣罐發生泄漏不易被發覺。當氣體泄漏達到一定濃度后[2],會威脅人身安全。因此,各變電站對于SF6氣瓶的管理十分重視,會采用不同的方法對SF6氣瓶進行管理和監控[3-4]。

對SF6氣瓶的可靠管理是變電站安全運行和管理的重要內容。行業內的諸多學者對此展開研究和分析。顏濤為掌握SF6氣瓶的狀態,基于小波分析方法,提出相關的泄漏檢測方法[5]。張英等為判斷SF6氣瓶是否發生泄漏,提出基于擴頻調制(long range radio,LoRa)技術的泄漏報警監測技術[6]。Miao等為準確檢測SF6氣瓶,采用小體積高壓氣瓶間接將母體氣體輸送到目標氣瓶[7]。Feng等對沖擊加速同心雙層氣瓶(空氣缸嵌入SF6氣瓶)的研制進行研究,采用皂膜技術制備雙層氣瓶[8]。

上述方法均可實現SF6氣瓶使用狀態的監測。但在監測過程中,受到監測設備、外界因素影響,上述方法的數據采集以及傳輸的實時性較差,導致監測結果的時效性不理想。因此,本文為實現SF6氣瓶的全面管理,在保證氣瓶使用安全的前提下,設計基于5G通信技術的變電站SF6氣瓶智能管理系統,以實時掌握其運行狀態。

1 變電站SF6氣瓶智能管理系統設計

1.1 SF6氣瓶智能管理系統架構

SF6氣瓶在管理過程中,均會部署SF6氣體濃度檢測儀和氧量儀,從而對空氣中SF6氣體濃度實行實時采集和感知。如何保證感知數據傳輸的實時性[7],并且高效、可靠利用感知數據,已成為SF6氣瓶管理的核心問題。為此,本文設計基于5G通信技術的變電站SF6氣瓶智能管理系統。基于5G通信技術的SF6氣瓶智能管理系統架構如圖1所示。

SF6氣瓶智能管理系統充分利用5G通信技術強大的通信能力[8],完成SF6氣瓶感知數據的傳輸,以保證數據傳輸的實時性、可靠性。該系統可分為3個模塊,分別是感知模塊、5G傳輸模塊以及管理模塊。感知模塊通過SF6氣體濃度檢測儀和氧氣、壓力、溫濕度等多種傳感器感知并采集環境中SF6氣體的濃度和含氧量數據,通過數據終端單元、移動信號接入設備連接5G傳輸模塊,經由該傳輸模塊將感知的數據傳送至管理模塊。管理模塊則依據感知的數據[9]計算SF6氣體的密度,并判斷其是否存在泄漏,從而完成SF6氣瓶智能管理。

①感知模塊。

感知模塊主要包括SF6氣體采集器、氧氣傳感器、智能數字傳感器、數據終端單元、移動信號接入設備、數字信號處理器(digital singnal processor,DSP)數據處理模塊、電源模塊等部分。SF6氣體濃度檢測儀和氧氣、壓力、溫濕度等傳感器的主要作用是感知環境中SF6氣體濃度含量[10-11]、氧氣含量。數據終端單元、移動信號接入設備則是用于完成網絡連接,進行感知數據的傳輸。

② 5G傳輸模塊。

5G傳輸模塊是系統實現管理的網絡樞紐,是保證系統正常運行的關鍵。該模塊主要包含5G公網、三層交換機、5G網絡切片、網關、內部專網等部分,用于實現感知模塊感知數據的實時傳輸、保證數據在高電磁環境下的傳輸速率。

③管理模塊。

管理模塊是系統實現SF6氣瓶智能管理的實現層。該層主要包含前置機、時間服務器、顯示器、報警器、數據中心、上位機服務器等部分。該模塊的主要作用是監測SF6氣瓶的狀態[12-13],并基于非分光紅外差分檢測方法對SF6氣瓶的泄漏情況進行檢測。如果存在泄漏則及時發送預警,并且啟用無線分組交換技術將預警信息發送至相關工作人員,以此實現雙重預警。該模塊可確保預警信息的及時處理以及第一時間對泄漏的SF6氣瓶進行搶修[14]。與此同時,上位機服務器對預警信息生成報表模式,以呈現監測結果,從而實現SF6氣瓶智能管理。

1.2 SF6氣體采集器

感知模塊作為系統中的基礎支撐模塊,是向系統管理模塊提供可靠SF6氣瓶運行狀態數據的基礎。感知模塊主要采用SF6氣體采集器完成SF6氣瓶感知。該采集器以紅外光源為主。SF6氣體采集器結構如圖2所示。

圖2 SF6氣體采集器結構

SF6氣體采集器主要包括光源調制驅動電路、紅外光源、濾光片、鍍膜氣室、熱釋電紅外探測器、信號調理電路、核心處理器、外圍電路等部分。其中,采用集成無線收發器和8051微處理器的CC2530作為核心處理器的主控芯片,設有串行通信接口、通用異步收發器(universal asynchronous receiver transmitter,UART) 接口以及可編程輸入/輸出(input/output,I/O)引腳等。紅外光源部署在鍍膜氣室內,以保證發射的紅外光源在反射后,能夠入射至熱釋電紅外探測器。因此,紅外光源可較大程度提升光程,保證檢測結果的高分辨率。SF6氣體采集器進行SF6氣體濃度監測時,紅外光源在經過濾光片后會發生透射。為了將透射后的光轉換成電壓信號,熱釋電紅外探測器會實行轉換,并將獲取的電壓信號輸入信號調理電路。信號調理電路對電壓信號作放大濾波處理后將其輸入核心芯片。通過核心芯片處理,即可以獲取SF6氣體濃度數據。

氧氣傳感器主要由氧化鋯陶瓷和內外表面的一層薄鉑組成。氧氣傳感器的原理是將傳感器陶瓷管內外的氧離子濃度差轉換成電壓信號輸出,以獲取SF6氧氣濃度數據。壓力傳感器通常由壓力敏感元件和信號處理單元組成。壓力傳感器的原理是在薄片表面形成半導體變形壓力,通過外力(壓力)使薄片變形而產生壓電阻抗效果,從而使阻抗的變化轉換成電信號。溫濕度傳感器利用探頭作為測溫元件,采集溫度和濕度信號。這些信號經過穩壓濾波、運算放大、非線性校正、電壓/電流強度(voltage/intensity of current,V/I)轉換、恒流及反向保護等電路處理后,轉換成與溫度和濕度成線性關系的電流信號或電壓信號輸出。

1.3 5G通信網絡

1.3.1 5G通信網絡結構

感知層利用SF6氣體濃度檢測儀完成該氣體的濃度檢測后,需通過5G傳輸模塊將檢測數據傳送至管理模塊。為保證傳輸的實時性,本文采用5G通信技術,構建5G通信網絡。用于SF6氣體濃度數據傳輸的5G通信網絡結構如圖3所示。

圖3 5G通信網絡結構

用于SF6氣體濃度數據傳輸的5G通信網絡在應用過程中能夠對不同的運行需求進行網絡劃分,使網絡形成獨立專用的物理隔離切片、邏輯隔離切片。該劃分主要依據5G網絡切片技術完成,以此滿足不同業務的傳輸和通信需求。

1.3.2 5G網絡切片

5G網絡切片結構如圖4所示。

圖4 5G網絡切片結構

5G網絡切片是5G通信網絡進行SF6氣體濃度數據傳輸的重要技術。5G網絡切片是實現不同需求業務的關鍵,能夠將整個網絡劃分成數個虛擬的端到端網絡。其中,各虛擬網絡中均包含無線網、傳輸網、核心網。各網絡之間均為邏輯獨立運行,且相互隔離,以保證其中1個網絡發生異常時其他網絡仍可正常運行。5G網絡切片在應用過程中,以應用需求、應用場景為依據,完成網絡資源的整體管理和編排,從而對網絡的功能實行針對性地劃分。由此可實現專項的個性化虛擬網絡的制定,滿足差異化網絡需求;實現差異化用戶、差異化場景、差異化業務之間的安全隔離,并保證業務執行的安全性。

5G網絡切片包含云端、通道、終端以及安全一體化融合體系。云端具有開放、方便、強大的平臺構建能力,可以實現業務管理、調度等功能。通道指劃分形成的無線網、傳輸網、核心網等網絡。其為不同的業務需求提供不同的網絡服務,以實現SF6氣體濃度數據的實時傳送。終端是連接感知層的相關設備,可按照不同設備的網絡帶寬、通信時延、連接需求等,進行網絡的匹配和應用。安全一體化融合體系則對各級網絡切面實行安全管理,并且進行加密以及網絡域安全管理,以保證網絡的安全運行。

1.4 SF6氣瓶泄漏在線檢測

由于不同氣體在光的作用下會呈現不同的光譜吸收特性,可對SF6氣瓶采集器中紅外光源的衰減程度實行檢測,通過檢測結果描述SF6氣體的泄漏情況。因此,管理模塊采用基于非分光紅外差分檢測的方法,以實現SF6氣瓶泄漏在線檢測。該模塊先對采集器獲取的數據實行處理,以獲取泄漏氣體對于激光的吸收峰值和谷值的波長(分別為λon和λof)。λon和λof的接收信號功率分別為Pr(λon)和Pr(λof)。λon和λof獲取SF6氣體對于紅外光源的吸收系數(分別為γon、γof)、濃度乘積(CR)。對上述參數進行計算,可得出SF6氣體的CR結果。依據CR和光源到SF6氣瓶之間的距離R,可求得SF6氣體的濃度C。基于上述步驟,依據不同角度下紅外光源的采集結果,可計算SF6氣瓶泄漏的C。C值越大,表示距離SF6氣瓶泄漏點越近。依據C的結果,可判斷SF6氣瓶的泄漏位置和泄漏濃度。接收信號功率Pr為:

(1)

(2)

(3)

依據式(3)的計算結果,可判斷SF6氣瓶泄漏位置,完成SF6氣瓶泄漏濃度在線檢測。

完成SF6氣瓶泄漏濃度在線檢測后,為保證在線檢測結果的可靠性,本文對檢測結果實行自動校核。校核步驟如下。

①獲取由5G通信模塊所傳輸的全部SF6氣瓶運行數據。對該數據實行整合處理后,按照時間標簽對所有數據進行記錄。

②獲取SF6氣瓶泄漏濃度在線檢測結果,并記錄其對應的時間標簽;獲取離線試驗數據庫中與監測結果對應的時間標簽數據,并定義平均背離程度、期望偏離程度以及平均離散程度這3種性能評價指標;對這些指標進行計算。

③將3種性能指標的計算結果和設定的期望閾值進行對比。對比結果可通過圖表的方式,在顯示器上進行可視化呈現。

④依據呈現結果,對SF6氣瓶泄漏在線檢測結果進行校正,從而實現變電站SF6氣瓶的智能管理。

2 測試結果與分析

為驗證本文系統對于變電站SF6氣瓶智能管理的應用情況,本文以某變電站的SF6氣瓶作為測試對象,采用本文系統對該對象實行智能管理,并獲取管理結果。該變電站在運行過程中,發生過多次SF6氣瓶泄漏現象。在該變電站原有SF6氣瓶監測系統應用過程中,監測結果的實時性存在一定問題、可靠性和時效性均受到直接影響。因此,該變電站期望能夠可靠實現SF6氣瓶的智能管理,精準檢測其泄漏情況。該變電站內搭建了5G通信網絡。網絡通信相關性能參數為:峰值速率下行20 Gbit/s、上行10 Gbit/s;帶寬下行20 Gbit/s、上行10 Gbit/s;設備連接密度106個/km;可靠性數據傳輸速度32 bit/ms;丟包率0.001%;移動速率500 km/h。在應用過程中,本文系統要求網絡通信時延低于10 ms。

為驗證本文系統在進行數據通信時的通信性能,需獲取本文系統在不同感知設備數量下、感知數據傳輸時延以及傳輸平均速率結果。感知數據傳輸時延以及傳輸速率結果如圖5所示。

圖5 感知數據傳輸時延以及傳輸速率結果

由圖5可知,隨著感知設備數量的逐漸增加,設備在進行數據通信過程中,時延結果均低于10 ms,并且傳輸平均速率均在8 ～10 Gbit/s之間,極大程度地接近傳輸速率峰值。因此,本文系統的網絡通信性能良好,能夠滿足通信的實時性需求。

為驗證本文系統對于SF6氣瓶的在線監測效果,試驗隨機對變電站中的某SF6氣瓶實行檢測。在檢測過程中,人為對SF6氣瓶實行破壞以造成泄漏,從而獲取該氣瓶在不同運行時間內的氣體濃度變化結果,并依據濃度變化結果判斷其是否發生泄漏。氣體濃度變化檢測結果如圖6所示。

圖6 氣體濃度變化檢測結果

由圖6可知,在本文系統檢測過程中能夠較好地檢測SF6氣瓶的泄漏情況,從而在不同環境溫度下獲取氣體泄漏濃度。在沒有發生氣體泄漏時,SF6氣體的濃度為0。當發生人為破壞后,SF6氣瓶發生泄漏。隨著泄漏時間的增加,氣體濃度開始發生變化。對泄漏實行搶修后,氣體泄漏停止,其濃度下降至0。因此,本文方法具有良好的SF6氣瓶在線監測效果,能實時監測SF6氣瓶運行狀態,實現SF6氣瓶的可靠管理。

為驗證本文系統的SF6氣瓶泄漏在線檢測校核結果,本文以平均偏移程度Δε為評價指標。該指標能夠判斷在同一個時間戳下,檢測結果和理想結果之間的差值(要求低于0.035),以此判斷本文系統對SF6氣瓶泄漏在線檢測的精度。該指標的計算式為:

(4)

式中:n為檢測獲取的實時數據量;yi為在線檢測獲取的實時數據;xi為期望數據。

本文隨機抽取3個SF6氣瓶進行在線檢測,依據式(4)獲取本文系統在相同時間戳下的Δε結果。平均偏移程度測試結果如表1所示。

表1 平均偏移程度測試結果

由表1可知:本文系統應用后,在相同的時間戳下,對于不同SF6氣瓶在線檢測的Δε指標值均滿足應用要求,即均低于0.035。測試結果說明,本文系統對SF6氣瓶進行在線檢測校核后,能夠較好地保證檢測結果的可靠性。

為進一步驗證本文系統的有效性,試驗將本文系統與傳統4G通信技術的變電站SF6氣瓶智能管理系統進行對比,以傳輸時延為測試指標。傳輸時延對比結果如圖7所示。

圖7 傳輸時延對比結果

由圖7可知:本文系統的傳輸時延在4.5 ms以下;4G通信技術的傳輸時延在4.5 ms以上。相比4G通信技術,本文系統的傳輸時延較短。

3 結論

SF6氣體在電力系統中具有良好的絕緣功能。但是在SF6的使用過程中,一旦發生氣體泄漏,會造成較大的風險。如何可靠、全面地掌握SF6氣瓶狀態,是保證電力系統正常運行、工作人員作業安全的重要內容。因此,本文設計基于5G通信技術的變電站SF6氣瓶智能管理系統。

本文對該系統的應用情況進行測試后得出:本文所設計的智能管理系統具有良好的應用性能,能夠保證SF6氣瓶狀態數據的實時傳輸,為管理的時效性提供可靠保障;本文系統還可實時監測SF6氣瓶的泄漏情況,在檢測氣體的泄漏濃度的同時通過在線監測校核技術對檢測結果實行校核,以進一步提升在線檢測精度。

除此之外,本文系統的應用性能良好,可實現變電站SF6氣瓶的全面智能管理,呈現SF6氣瓶的管理結果。