邱超 黃為民

國網(wǎng)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(wǎng)的建設(shè)發(fā)展中，配電設(shè)備的監(jiān)測技術(shù)是非常重要的內(nèi)容，也是提升智能化電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量與運(yùn)行效率的關(guān)鍵。從技術(shù)特點(diǎn)來看，在線監(jiān)測技術(shù)具有一定的前瞻性和可預(yù)見性，能夠通過固定化的監(jiān)測技術(shù)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來對設(shè)備的絕緣變化趨勢進(jìn)行監(jiān)控與分析，從而及時發(fā)現(xiàn)存在的問題，將安全隱患及時消除。從整體上來說，配電設(shè)備的在線監(jiān)測技術(shù)能夠有效地降低配電線路的安全隱患，提高整體電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性及有效性，從某種意義上來說，在線監(jiān)測技術(shù)先進(jìn)性是我國電力網(wǎng)絡(luò)發(fā)展與進(jìn)步的重要因素。

1 在線監(jiān)測技術(shù)概述

電氣設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用需要與電氣管理方法、處理機(jī)制等結(jié)合，保證管理模型與電氣設(shè)備運(yùn)行要求相符。為了保證電氣設(shè)備在線監(jiān)測實(shí)際效果，需要重點(diǎn)分析設(shè)備的絕緣特征參數(shù)，即電容量、電流、介質(zhì)損耗。其中在分析介質(zhì)損耗因數(shù)時，因?yàn)榭赡軙绊戨姎庠O(shè)備缺陷及靈敏性，所以需要重點(diǎn)分析硬件直接測量相位角，檢查軟件檢測信號變換結(jié)構(gòu)是否與數(shù)字化處理機(jī)制相符，保證電氣設(shè)備在線監(jiān)測與管理的效果。電氣設(shè)備在線監(jiān)測主要包括如下內(nèi)容：①電氣設(shè)備故障；②電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；③信息傳遞、處理與存儲等；④狀態(tài)與故障征兆；⑤選取故障診斷方法與基礎(chǔ)理論。

從我國電力行業(yè)的整體發(fā)展情況來看，加強(qiáng)變壓器制作質(zhì)量保障與管理，強(qiáng)化變壓器檢修、維護(hù)、預(yù)防性監(jiān)測是確保電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。針對電力設(shè)計(jì)與供電部門來說，需要加強(qiáng)對維修、預(yù)防作業(yè)的重視，保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，減少事故的發(fā)生。過去一段時間，我國電網(wǎng)中的變壓器運(yùn)行維護(hù)采取預(yù)防維修與事后維修兩種方式，預(yù)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(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等各種先進(jìn)技術(shù)都得到了飛速發(fā)展，變壓器維修由過去的預(yù)防性維修和事后維修向狀態(tài)維修方向轉(zhuǎn)變，相關(guān)工作人員也加強(qiáng)了對這一內(nèi)容的探究。狀態(tài)維修就是依據(jù)變壓器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，制定相應(yīng)維護(hù)策略。采取狀態(tài)維修，一方面能夠減少事故發(fā)生概率，另一方面也能夠減少非必要維修，在保證電網(wǎng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行基礎(chǔ)上，減少整體投入。

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)

變電站端監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、圖像處理服務(wù)器、數(shù)據(jù)通信服務(wù)器、路由器等組成，分別負(fù)責(zé)不同的模塊。數(shù)據(jù)處理服務(wù)器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集模塊，使用硬盤錄像機(jī)存儲各種數(shù)字視頻，具有回顯、錄音、查詢等多種功能。當(dāng)接收到網(wǎng)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)出的指令信息時，實(shí)時查詢相應(yīng)模塊周期性的數(shù)據(jù)，并根據(jù)所查信息做出反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對各種異常情況的門禁告警信息傳輸。圖像處理服務(wù)器主要負(fù)責(zé)圖像采集模塊，將攝像機(jī)抓拍到的現(xiàn)場實(shí)時視頻信號壓縮、存儲，最終成像，并將圖像在局域網(wǎng)內(nèi)傳輸，支持在線用戶隨時點(diǎn)播觀看。一般圖像處理服務(wù)器可控制6臺攝像機(jī)，其中2臺為帶云臺的室外全方位一體化球形攝像機(jī)，防塵、防雨效果良好，主要用于查看室外設(shè)備環(huán)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(jī)，安裝在主控制室、高低壓配電室、電容器室等設(shè)備用房內(nèi)部，用以實(shí)現(xiàn)儀器儀表監(jiān)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(guān)、儀表以及環(huán)境監(jiān)測。

2.2 芯片設(shè)計(jì)

監(jiān)控設(shè)備是變電站通監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的基石，芯片更是其中的核心部件，主要負(fù)責(zé)監(jiān)控信號及數(shù)據(jù)的采集和傳輸，能夠監(jiān)控變電站所有設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，系統(tǒng)其他部件的運(yùn)行都以此為基礎(chǔ)。本系統(tǒng)選用的DF芯片（一種微型裝置）能夠?qū)崿F(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的瞬時處理，其具有監(jiān)控能力強(qiáng)、能耗低、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。芯片自帶3個引腳，1個與硬件區(qū)之間實(shí)現(xiàn)信號傳輸，1個負(fù)責(zé)軟硬件區(qū)域之間的數(shù)據(jù)傳輸，最后1個實(shí)現(xiàn)變電站硬件區(qū)內(nèi)不同信號的傳輸。經(jīng)芯片處理后的數(shù)據(jù)時間和數(shù)值的對應(yīng)關(guān)系更加明確，波形信號與數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換更為迅速。

2.3 USB接口設(shè)計(jì)

在控制信息的傳輸速度方面，硬件設(shè)計(jì)主要是利用USB接口連接節(jié)點(diǎn)控制器和網(wǎng)關(guān)微處理器。本次設(shè)計(jì)的USB接口工作電源為3V電壓，傳輸效率遠(yuǎn)高于一般電源，遠(yuǎn)距離監(jiān)視信息傳輸時間也大幅縮短，節(jié)省的時間可用于處理突發(fā)狀況。為保證遠(yuǎn)程監(jiān)控信息系統(tǒng)的高效運(yùn)行，增加設(shè)計(jì)了備用接口，當(dāng)常規(guī)接口出現(xiàn)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(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整，在傳輸區(qū)域信息時，引腳與芯片的引腳連接，此時系統(tǒng)正常運(yùn)行。當(dāng)硬件區(qū)域的電壓值過高時，引腳自動與接地引腳連接，系統(tǒng)硬件設(shè)備立即停止工作，軟硬件區(qū)域信息傳輸終止，以保證信息的安全。

2.4 環(huán)境監(jiān)控模塊

環(huán)境監(jiān)控模塊的主要作用是確保系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的安全穩(wěn)定，其主要由環(huán)境入侵報警器、內(nèi)部溫度感知器、突發(fā)性自然災(zāi)害監(jiān)測器3個部分構(gòu)成。環(huán)境入侵報警器的主要作用是對整個變電站進(jìn)行區(qū)域安全監(jiān)測，當(dāng)有可疑物體進(jìn)入或者靠近變電站時，會實(shí)現(xiàn)實(shí)時報警信號的傳輸，避免突發(fā)情況的產(chǎn)生。內(nèi)部溫度感知器可監(jiān)測變電站內(nèi)部環(huán)境（如溫度、濕度、溢水、煙霧等），并在越限時聯(lián)動報警，從而遠(yuǎn)程監(jiān)控電力運(yùn)行設(shè)備以及變電站環(huán)境。突發(fā)性自然災(zāi)害監(jiān)測器主要用于變電站自然災(zāi)害的遠(yuǎn)程監(jiān)測、實(shí)時決策以及及時預(yù)警，盡可能減少因自然災(zāi)害造成的損失。

3 配電線路故障在線監(jiān)測自動化技術(shù)的應(yīng)用

3.1 合理構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通常情況下，按照變電站電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的需求以及物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用特點(diǎn)，可設(shè)計(jì)電力通信設(shè)備通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在該結(jié)構(gòu)中，由傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)開展信息采集，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層對實(shí)時數(shù)據(jù)的匯總，并連通上下層通信網(wǎng)，最后與應(yīng)用層和感知層進(jìn)行通信。同時應(yīng)用層連接網(wǎng)絡(luò)通信功能、感知層借助數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、光傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交換。不過，在建立電力設(shè)備的通信網(wǎng)絡(luò)時，由于通信網(wǎng)絡(luò)中的一級設(shè)備數(shù)據(jù)處理能力和動態(tài)性能較差，對于業(yè)務(wù)信道分配不夠精細(xì)，二級網(wǎng)絡(luò)信息容易過濾，同類業(yè)務(wù)在不同網(wǎng)段內(nèi)，很容易將有價值信息過濾掉，且三級設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議具有復(fù)雜化特點(diǎn)、協(xié)議滲透性不強(qiáng)。針對相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)，在構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，可采用簡單可靠的兩層結(jié)構(gòu)，有利于防范因廣播域過大導(dǎo)致不可控局面。因此，在電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下，選用環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備之間的通信互通。主要是由兩個集中的節(jié)點(diǎn)組成整個網(wǎng)絡(luò)，其中中央節(jié)點(diǎn)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(jīng)過中央節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2 傳感技術(shù)

電氣設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)在應(yīng)用中的關(guān)鍵便是傳感技術(shù)，工作人員調(diào)整傳感設(shè)備精確度，可以增強(qiáng)傳感技術(shù)以及實(shí)際獲取數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，從而改善在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用效果。由于傳感技術(shù)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性非常重要，所以數(shù)據(jù)也成為監(jiān)測設(shè)備規(guī)范運(yùn)行的關(guān)鍵衡量標(biāo)準(zhǔn)，一旦數(shù)據(jù)產(chǎn)生變化，代表設(shè)備在運(yùn)行中產(chǎn)生變化，若是數(shù)據(jù)為正常值，即代表設(shè)備處于正常狀態(tài)。傳感技術(shù)不斷更新的當(dāng)下，在電氣設(shè)備的在線監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用，使數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確性更高，也可以在采集數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，分析發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備的潛在隱患。要想充分體現(xiàn)出傳感技術(shù)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(shù)研究方面增加投入，既可以加速技術(shù)創(chuàng)新，又能夠節(jié)約造價成本，達(dá)到加強(qiáng)傳感技術(shù)靈敏性的效果，也可以因此完善電氣設(shè)備監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，在傳感設(shè)備的作用下保證電氣設(shè)備能夠處于常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)，降低電氣設(shè)備故障發(fā)生率。

3.3 線路運(yùn)行情況的監(jiān)測

線路局部放電監(jiān)測以及線路光纖的溫度監(jiān)測是對線路運(yùn)行狀態(tài)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(zhì)，而且還出現(xiàn)氣泡殘留的情況，當(dāng)氣泡和雜質(zhì)將電壓擊穿之后，那么就會引發(fā)局部放電的情況。局部放電情況的出發(fā)會伴隨有劇烈的現(xiàn)象，如發(fā)出超聲波、出現(xiàn)電脈沖、出現(xiàn)明顯的光熱情況等，那么工作人員只需要從其現(xiàn)象入手對超聲波、電脈沖以及光熱情況進(jìn)行監(jiān)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(yùn)行情況。此外，在當(dāng)前光纖技術(shù)的不斷發(fā)展背景下，工作人員也可以從光纖溫度這一角度對線路進(jìn)行在線化的監(jiān)測，在該技術(shù)思路下主要是對線路外層的溫度來進(jìn)行監(jiān)測，利用計(jì)算機(jī)的后臺平臺處理來計(jì)算出線路線芯的溫度，從而判斷出線路運(yùn)行的狀態(tài)，同時還可以根據(jù)其溫度的高低來準(zhǔn)確地預(yù)判該線路的配電能力。在具體的應(yīng)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(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，該系統(tǒng)能夠進(jìn)行連續(xù)性、多點(diǎn)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(jī)巡檢系統(tǒng)

構(gòu)建智能高效并安全可控的無人機(jī)、可視化與人工協(xié)同巡檢體系。采用無人機(jī)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(dá)的區(qū)段進(jìn)行巡視，對工地進(jìn)行定點(diǎn)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(jìn)行近距離巡檢和定高、定角度紅外測溫，彌補(bǔ)人工巡檢的空白，提高巡檢的質(zhì)量和安全水平。在重要線路通道和固定隱患點(diǎn)加裝警示牌可視化裝置，實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)拍、隱患自主預(yù)警，并可與光纖振動防外破監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)動提高外破隱患預(yù)警準(zhǔn)確率。內(nèi)部線路運(yùn)檢人員通過RFID電子標(biāo)簽、探測器和智能終端，以及外部護(hù)線員通過巡檢關(guān)鍵點(diǎn)的二維碼掃描與智能管控APP，實(shí)現(xiàn)高壓線路及通道移動巡檢，確保巡視工作質(zhì)量。無人機(jī)機(jī)巢可布署在變電站、園區(qū)的屋頂或地面等處，并安裝氣象傳感器，如風(fēng)速儀、雨量計(jì)、溫濕度計(jì)等，根據(jù)氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)自動控制無人機(jī)執(zhí)行巡檢任務(wù)。機(jī)巢通過線路與可靠市電連接，為系統(tǒng)提供持續(xù)電源，無人機(jī)返航后，機(jī)巢自動展開并通過內(nèi)置機(jī)械臂為無人機(jī)更換電池。無人機(jī)在巡檢過程中，如提示機(jī)器電量不足，將自動返航充電。

3.5 通道全域化監(jiān)測裝置

電力排管作為高壓線路通道的地下保護(hù)層，當(dāng)其發(fā)生沉降、變形、開裂時會反過來威脅線路的安全運(yùn)行。電力排管安全范圍內(nèi)的機(jī)械施工故障均伴隨強(qiáng)烈振動，排管破損是線路發(fā)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(shù)字化監(jiān)測系統(tǒng)，可以對基于排管形變、裂縫、埋深定位等物理結(jié)構(gòu)實(shí)施毫米級監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)基于光纖振動傳感的線路通道安全監(jiān)測與危險預(yù)警功能，建成基于排管安全等級評估的全域監(jiān)測平臺，全天候?qū)崟r發(fā)送全域狀態(tài)信號，通過運(yùn)行工況和監(jiān)測信息歷史智能比對分析來作出預(yù)警決策，構(gòu)建出一道保衛(wèi)地下高壓線路的“智慧長城”。

4 結(jié)束語

在目前的電力系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)程中，配電線路的在線監(jiān)測技術(shù)有著很好的實(shí)用性，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展提供了很大的幫助，但是在某些技術(shù)領(lǐng)域中，在線監(jiān)測技術(shù)還有可待改進(jìn)的地方，需要在未來的發(fā)展中不斷地探索新的技術(shù)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合性分析，結(jié)合多方反映的情況對配電線路的情況進(jìn)行綜合性地?cái)?，以保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。