高壓線路智能故障監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

廖林宏

（福州萬山電力咨詢有限公司，福建福州，350100）

0 引言

高壓線路的安全運(yùn)行關(guān)系著整個(gè)電網(wǎng)的系統(tǒng)安全，故障是影響電網(wǎng)系統(tǒng)安全最為常見的事故之一。當(dāng)高壓線路發(fā)生故障時(shí)，查找和修復(fù)故障的時(shí)間較長，嚴(yán)重影響供電恢復(fù)。同時(shí)，在高壓線路故障監(jiān)測方面，現(xiàn)有的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對金屬接地故障的準(zhǔn)確定位，但是無法完成對高阻性接地故障的準(zhǔn)確判斷，在此方面的故障監(jiān)測需要做進(jìn)一步的研究和提升。系統(tǒng)在故障預(yù)警方面多由人工巡視完成，但許多高壓線路的架設(shè)環(huán)境極為復(fù)雜，很多人工巡視會(huì)受到限制和阻礙，但是如果高壓線路的安全隱患不能及時(shí)解決，將有可能產(chǎn)生更大的安全事故。因此，對高壓線路智能故障監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)的需求是非常迫切的。

1 概述

1.1 監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高壓線智能監(jiān)測裝置要監(jiān)測的范圍很廣，如輸電線路故障和故障前預(yù)放電行波電流等。由于行波電流的幅值范圍和頻率影響范圍較為特殊（mA-kA，1KHz-5MHz）,因此對高壓智能監(jiān)測裝置的要求較高。監(jiān)測裝置需要在兩種電流波中使用不同的測量傳感器，如圖1所示在檢測終端的兩邊分別安裝了供電模塊和調(diào)理模塊來進(jìn)行在線監(jiān)測。在線檢測裝置主要由傳感器、GPRS天線等組成，該部分統(tǒng)一由主控單元進(jìn)行控制。監(jiān)測工作主要由傳感器進(jìn)行電流采集，在通過傳感器進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，將采集的電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由通信模塊進(jìn)行信息傳輸，最終完成整個(gè)裝置的所需電能[1]。

圖1 在線監(jiān)測外觀結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 監(jiān)測裝置工作原理

（1）系統(tǒng)的傳感器模塊主要由兩個(gè)傳感器組成，在通過相關(guān)準(zhǔn)則來測量行波電流。其中，傳感器1的主要作用是根據(jù)高壓線的故障電流和工頻電流來判斷電場信息，進(jìn)而選擇空心結(jié)構(gòu)。傳感器2的主要功能是測量高頻小信號隱患放電電流，由于該電流較為特殊，傳感器1的空心線圈無法滿足其要求，因此傳感器2的材料多為高磁導(dǎo)率的材料，以此來代替空心結(jié)構(gòu)。

（2）調(diào)理模塊與供電模塊并列安置于監(jiān)測結(jié)構(gòu)外部，其主要作用是當(dāng)傳感器模塊獲取外部信號并準(zhǔn)備進(jìn)行傳輸時(shí)，對傳感器中摻雜的無效波形進(jìn)行過濾，也就是俗稱的“濾波”。經(jīng)過條例模塊“濾波”以后的有效波形的幅值也會(huì)一定程度上獲得提升和方法，最終將傳感器模塊采集的電流模擬信號串入A/D轉(zhuǎn)換器中，為高壓線路智能故障檢測和預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持，供通信模塊傳輸至操作人員顯示端。

（3）GPS天線模塊融合了4G、5G等功能，在高壓線路智能故障監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)中多處存在，如數(shù)據(jù)采集裝置、通信模塊等，主要負(fù)責(zé)對系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸和通信。經(jīng)本文的針對性配置以后，該模塊可以不經(jīng)過人工橋接自動(dòng)組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)高壓線路故障監(jiān)測的智能化信息傳輸。另外，根據(jù)不同系統(tǒng)的精準(zhǔn)定位差異需求，本次構(gòu)建的GPS天線模塊還能夠給出采集波形的GPS絕對時(shí)間，方便工作人員在進(jìn)行故障定位和故障預(yù)警時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

（4）CT取電模塊位于調(diào)理模塊旁邊，主要通過環(huán)形超微晶鐵芯從高壓線路導(dǎo)線上進(jìn)行在線取電，也可以通過系統(tǒng)匹配的太陽能電池板實(shí)現(xiàn)取電，最大程度保證智能化故障檢測與預(yù)警系統(tǒng)能夠全天候作業(yè)。在到西安工作電流范圍內(nèi)，CT取電模塊能夠位系統(tǒng)提供穩(wěn)定的+4.2V直流電壓，從而保證系統(tǒng)全天候作業(yè)的供電穩(wěn)定性。

2 高壓線智能故障監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)

高壓線智能故障監(jiān)測是基于無線通信技術(shù)基礎(chǔ)上的，再加上預(yù)警系統(tǒng)可以整體將總系統(tǒng)分為以下三個(gè)層次：監(jiān)測終端節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)服務(wù)中心、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。在該系統(tǒng)中GPRS天線是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾糠?，它將測量的數(shù)值及轉(zhuǎn)化信息傳送至數(shù)據(jù)服務(wù)中心；信息在數(shù)據(jù)服務(wù)中心進(jìn)行處理和儲(chǔ)存之后，在通過遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行顯示或者調(diào)取，該操作可以提高對高壓線路現(xiàn)場工作人員的安全保護(hù)[2]。

2.1 監(jiān)測終端硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 監(jiān)測終端的體系結(jié)構(gòu)

如圖2所示為高壓線檢測終端硬件示意圖，該監(jiān)測終端是由多個(gè)單元和模塊組成。其中，電場傳感單元的主要功能是起到轉(zhuǎn)化作用，該單元在電磁場感應(yīng)原理的基礎(chǔ)上將電場強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓信號，再經(jīng)過信號處理和環(huán)境中濕度值的修正后得到精確的電場值。微控制模塊的主要作用是通過把控電場值與預(yù)警報(bào)警值進(jìn)行比較，再通過數(shù)值比較判斷是否發(fā)出警報(bào)。同時(shí)，在通過GPRS模塊上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和預(yù)警。

圖2 高壓線檢測終端硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 電場傳感單元設(shè)計(jì)

當(dāng)前，在高壓線路中電場傳感器主要以電荷感應(yīng)技術(shù)為參考，由兩片平行的金屬極板組成。當(dāng)其工作環(huán)境處于工頻電場時(shí)，極板電荷會(huì)通過電場的影響直接重新分布，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電勢差。然后根據(jù)信號處理模塊得到的數(shù)據(jù)信息，可以推算出電場的基本信息。

2.1.3 GPRS通訊模塊

GPRS通信模塊在系統(tǒng)中的主要作用是傳送信息，它將終端監(jiān)測信息傳輸至數(shù)據(jù)中心，是從實(shí)現(xiàn)了高壓線智能故障監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)的實(shí)用環(huán)境較為復(fù)雜，因此需要穩(wěn)定性好、功耗低等功能模塊的支撐。該系統(tǒng)采用SIM808芯片作為基礎(chǔ)來建立無線通信的，因此該系統(tǒng)的GPRS模塊具有很好的抗干擾能力，可以實(shí)現(xiàn)自然環(huán)境較差的情況下的通信，并且它可以直接與監(jiān)測終端進(jìn)行連接，比較適用于高壓線路智能故障監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)。

高壓線智能故障監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)完成之后，需要嵌入軟件設(shè)計(jì)，其工

2.2 監(jiān)測終端的軟件設(shè)計(jì)

作流程如圖3所示。系統(tǒng)開始工作后，首先進(jìn)行一系列操作的初始化階段（時(shí)鐘、通信模塊等），然后系統(tǒng)開始工作采集電場信息，在通過信息轉(zhuǎn)化部分將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理和分析，之后與電壓的安全等級進(jìn)行分析比較，若距離小于安全距離，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出警報(bào)，最后系統(tǒng)再將警報(bào)等信息通過GPRS模塊傳送至數(shù)據(jù)中心。

圖3 高壓線監(jiān)測終端整體工作流程圖

3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)校準(zhǔn)與分析

高壓線路智能故障監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)主要通過微控制模塊進(jìn)行電壓采集，而微控制模塊的AD是電壓采集的執(zhí)行者。表1所示為利用該高壓線路智能故障監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行第愛唱測量時(shí)獲取的數(shù)值，在與電場標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比以后得到了該系統(tǒng)進(jìn)行智能故障監(jiān)測與預(yù)警的相對誤差[3]。

表1 測量值相對誤差表

高壓線路智能故障監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)中的為控制模塊內(nèi)置ADC通道精度為12位，表中測量數(shù)據(jù)的相對誤差最高為4%左右，低于5%，能夠滿足系統(tǒng)的日常工作需求。此外，本次進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)所使用的設(shè)備為德國某企業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電場測試儀，其工作標(biāo)準(zhǔn)較高，能夠高精度采集不同強(qiáng)度的電場。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)表明，本文所涉及的高壓線路智能故障監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)工作線性度良好，可以投入使用。

同時(shí)，根據(jù)相關(guān)國標(biāo)規(guī)定，如果高壓線路所處的環(huán)境中為雨雪等相對濕度較大的天氣，則需要消除氣候、空氣帶來的濕度變化對測量結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。因此，本文對表1所示的數(shù)據(jù)進(jìn)行了測量修正，按照大于80%的環(huán)境濕度分為 80%≤ RH＜ 85%、85%≤ RH＜ 90%、90%≤ RH＜ 95%、95%≤RH＜100%四個(gè)區(qū)間分別進(jìn)行了數(shù)據(jù)修正和分析，結(jié)果表明修正以后的數(shù)據(jù)測量誤差與表1所示的數(shù)據(jù)一致。表明該系統(tǒng)能夠滿足高濕度氣候環(huán)境下的智能故障監(jiān)測與預(yù)警需求。

4 結(jié)語

高壓線路的監(jiān)測與預(yù)警，關(guān)系到社會(huì)生產(chǎn)、群眾生活的方方面面，智能化的監(jiān)測與預(yù)警機(jī)構(gòu)能夠極大地提升監(jiān)測與預(yù)警效率，解決人為監(jiān)測與預(yù)警機(jī)制中效率低、監(jiān)測結(jié)果不準(zhǔn)確等問題。相比傳統(tǒng)故障監(jiān)測裝置，本文設(shè)計(jì)的智能化故障監(jiān)測與預(yù)警機(jī)構(gòu)作業(yè)可靠性、精準(zhǔn)度等也得到進(jìn)一步提高[4]。