基于物聯(lián)網(wǎng)的輸變配電在線監(jiān)測技術(shù)研究及應(yīng)用

引言

寧夏電網(wǎng)自20世紀80年代末開始陸續(xù)安裝使用電網(wǎng)設(shè)備在線監(jiān)測裝置/系統(tǒng)，至今已有20多年時間。由于缺乏統(tǒng)一的平臺，各類監(jiān)測裝置/系統(tǒng)長期孤立運行，資源不能共享；同時在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)也無法與離線試驗、運行巡檢等其它重要狀態(tài)量有機結(jié)合，未能有效發(fā)揮其輔助診斷的作用。為解決上述問題，本文利用物聯(lián)網(wǎng)這一平臺，通過各種傳感器技術(shù)、廣域通信技術(shù)和信息處理技術(shù)實現(xiàn)各類輸變配電設(shè)備運行狀態(tài)的實時感知、監(jiān)視預(yù)警、分析診斷和評估預(yù)測，達到提升電網(wǎng)智能化水平的目標(biāo)，實現(xiàn)對輸變配電設(shè)備的狀態(tài)在線運行管理。

1總體設(shè)計

采用先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及現(xiàn)代通信技術(shù)，構(gòu)建輸變配電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。主要包括輸變配電設(shè)備在線監(jiān)測裝置(感知層)、基于有線/無線傳感網(wǎng)絡(luò)、電力通信專用網(wǎng)等信息通信網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)絡(luò)層)和輸變配電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測管理主站系統(tǒng)及智能評估診斷及管控平臺(應(yīng)用層)三部分內(nèi)容。

依據(jù)寧夏電力公司實際，將輸變配電設(shè)備的各類狀態(tài)監(jiān)測信息進行抽象化處理，建立面向準(zhǔn)實時連續(xù)型數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、傳輸、存儲和綜合加工處理的統(tǒng)一技術(shù)架構(gòu)，實現(xiàn)“兩級部署、三級應(yīng)用”的建設(shè)目標(biāo)。系統(tǒng)采用了如圖1所示的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)。

傳感層：依托各類輸變配電設(shè)備在線監(jiān)測裝置，實現(xiàn)輸變配電設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳送。

網(wǎng)絡(luò)層：基于有線/無線傳感網(wǎng)絡(luò)、電力通信專用網(wǎng)、TD-LTE電力無線寬帶通信專網(wǎng)等信息通信網(wǎng)絡(luò)，保證輸變配電狀態(tài)信息的可靠傳輸。

應(yīng)用層：輸變配電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測管理主站系統(tǒng)及智能評估診斷及管控平臺，應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘工具，輔助專業(yè)化知識，從海量數(shù)據(jù)中提取有價值的信息來診斷分析設(shè)備狀況，提供服務(wù)決策，促進生產(chǎn)管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級，提升生產(chǎn)效率和效益,提高信息化管理水平。

2技術(shù)原理

2.1傳感層

2.1.1輸電設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)

（1）絕緣子泄漏電流監(jiān)測技術(shù)

輸電線路絕緣子泄漏電流在線監(jiān)測裝置采集絕緣子表面泄漏電流值、最大泄漏電流值、脈沖電流、每分鐘放電脈沖數(shù)，及環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、光輻射、終端狀態(tài)等參數(shù)，終端設(shè)備本身可存儲6個月的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（2）輸電線路氣象監(jiān)測技術(shù)

通過氣象傳感器，監(jiān)測現(xiàn)場的風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度、大氣壓強、降水量、雪量等參數(shù)。

（3）導(dǎo)線溫度在線監(jiān)測技術(shù)

大量的線路運行經(jīng)驗表明，線路導(dǎo)線運行的溫度是線路安全可靠運行的一個重要指標(biāo)，而線路接頭部分更是線路安全運行的最薄弱環(huán)節(jié)。

輸電線路圖像監(jiān)測

圖像監(jiān)測具有直觀、快捷等特點，在輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)中具有重要地位。

2.1.2變電設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)

變壓器局部放電信號的監(jiān)測

局部放電檢測技術(shù)主要包括脈沖電流(PD)檢測技術(shù)、超聲波(AE)檢測技術(shù)和超高頻(UHF)檢測技術(shù)，能夠有效發(fā)現(xiàn)設(shè)備主絕緣早期缺陷氣

電容型設(shè)備介質(zhì)損耗及電容量的監(jiān)測

為了克服無源電流傳感器的不足，系統(tǒng)采用了自動反饋的零磁通補償技術(shù)電流傳感器。此類傳感器選用了導(dǎo)磁率較高、損耗較小的坡莫合金作鐵心，并采用了深度負反饋補償技術(shù),對鐵心內(nèi)部的激磁磁勢進行全自動的跟蹤補償，從而使鐵心的工作保持在接近理想的零磁通狀態(tài)，以獲得較高的檢測精度和較好的穩(wěn)定性，測量結(jié)果還基本不受外部因素的影響。

避雷器(MOA)的阻性電流及全電流信號監(jiān)測

MOA阻性電流的在線監(jiān)測，通常采用容性電流補償法,它是利用從PT上取得的電壓信號對避雷器泄漏電流中的容性分量進行補償，最后剩下的即為阻性電流分量。

變壓器鐵心及夾件接地電流的監(jiān)測

通過監(jiān)測變壓器的鐵心及夾件的接地電流，可及時發(fā)現(xiàn)鐵心多點接地缺陷。

2.1.3配電設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)

無線10kV電壓檢測節(jié)點

無線10kV電壓檢測節(jié)點用于監(jiān)測10kV配電線路的電壓信號，并自動匯聚到配電綜測骨干節(jié)點。

智能10kV避雷器

智能避雷器是在避雷器內(nèi)部集成了泄漏電流傳感器、溫度傳感器、泄漏電流獲取與儲能單元、動作保護電路和射頻鏈路。

傳感器節(jié)點直接獲取泄漏電流作為工作能源，并儲存在超級電容內(nèi)，在配網(wǎng)失電后維持正常工作。

泄漏電流傳感器直接采樣避雷器芯棒的泄漏電流，并測量芯棒的工作溫度，這些數(shù)據(jù)經(jīng)節(jié)點計算機處理后傳輸?shù)焦歉晒?jié)點，并最終傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊。

防盜螺栓節(jié)點

防盜螺栓主要由：射頻前端、MCU、熱釋電傳感器、磁傳感器、震動傳感器、鋰電池和螺栓外殼結(jié)構(gòu)件等組成。

防盜電子圍欄一張力傳感器節(jié)點

防盜電子圍欄節(jié)點由張力傳感器、鋼絲盤輪、DC/AC升壓模塊、對地電阻檢測、張力計、齒輪計數(shù)器、MCU、RF鏈路、告警喇叭、告警燈、太陽能電池、供電與儲能單元等組成。

無線紅外溫度傳感器陣列節(jié)點

采用MEMS紅外點陣溫度傳感器、低功耗控制MCU、無線傳輸鏈路和高能電池組成完整無線紅外溫度傳感器陣列節(jié)點，可以非接的觸精確測量4X4點陣靜態(tài)、移動目標(biāo)溫度。2.2網(wǎng)絡(luò)層

2.2.1輸變電設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸

綜合運用光纖、WCDMA、WiFi等各類信息傳輸方式,實現(xiàn)監(jiān)測信息的安全、規(guī)范接入。

在地市及以下區(qū)域部署狀態(tài)接入控制器(CAC)、狀態(tài)監(jiān)測代理(CMA)以及各類狀態(tài)監(jiān)測裝置。在輸電線路沿線分布的各類狀態(tài)監(jiān)測裝置首先通過11接口向CMA匯聚數(shù)據(jù),由CMA通過12接口接入網(wǎng)省公司端線路CAG，實現(xiàn)輸電狀態(tài)信息的接入。在站內(nèi)分布的各類變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置首先通過11接口向本站CAC匯聚數(shù)據(jù)，由CAC通過12接口接入省公司端變電CAG，實現(xiàn)變電狀態(tài)信息的接入。

2.2.2配電設(shè)備監(jiān)測擻據(jù)傳輸

配電網(wǎng)絡(luò)主要由中心信息處理與展示軟件、骨干節(jié)點和信息采集節(jié)點組成。其網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖2所示。

配網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測、配變參數(shù)監(jiān)測和配網(wǎng)防盜傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的信息通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點落地，然后通過變電站、（有寬帶通信能力的）開閉所或環(huán)網(wǎng)柜的有線、光纖通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行闹鳈C，中心主機運行的信息處理與展示軟件對收到的信息進行處理、存儲與分發(fā)，如果發(fā)生告警事件，就按事先定義的告警規(guī)則進行告警。

2.3 應(yīng)用層

2.3.1 與已有生產(chǎn)、運行系統(tǒng)信息交互技術(shù)

輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)功能以開放和標(biāo)準(zhǔn)的方式為其它相關(guān)系統(tǒng)獲取狀態(tài)監(jiān)測信息提供了較為完備的在線數(shù)據(jù)服務(wù)，因狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)具有累積量大、實效性高等特點，故輸變電設(shè)備智能評估診斷及管控平臺，主要以服務(wù)調(diào)用和頁面集成的方式獲取及展示數(shù)據(jù)。輸變電設(shè)備智能評估診斷以及管控平臺與輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)集成示意圖如圖 3所示。

2.3.2 狀態(tài)信息實時監(jiān)測技術(shù)

狀態(tài)監(jiān)測信息作為輸變電設(shè)備信息類別之一，與設(shè)備臺賬信息、缺陷信息、故障信息、巡檢信息、檢測試驗信息等共同構(gòu)成輸變電設(shè)備全方位信息，為設(shè)備生產(chǎn)日常管理和狀態(tài)檢修輔助決策提供全面的信息支持。

2.3.3 圖像 / 數(shù)據(jù)展示、分析技術(shù)

利用各種可視化手段包括地圖、分析圖表、視頻、以及專業(yè)組合界面，根據(jù)各應(yīng)用主題，進行直觀的可視化表達，形成多種專門的展示信息組織方式，以支持多專業(yè)、多場景的協(xié)同工作。

2.3.4 設(shè)備異常預(yù)警技術(shù)

獲取并處理輸變電設(shè)備相關(guān)基礎(chǔ)資料以及設(shè)備實時 / 歷史數(shù)據(jù)等反映設(shè)備健康狀態(tài)的特征參數(shù)，評價設(shè)備當(dāng)前健康狀況，預(yù)測缺陷發(fā)展趨勢。對狀態(tài)劣化和趨勢不良的設(shè)備及時發(fā)布狀態(tài)預(yù)警消息，并進行有效的故障模式和原因的分析。研究輸變電設(shè)備診斷模型的建立，形成基于故障診斷模型的分析診斷技術(shù)。

2.3.5電力設(shè)備故障診斷技術(shù)

狀態(tài)檢修的核心是對設(shè)備狀態(tài)的評價、可能故障的診斷 以及劣化趨勢的預(yù)測。

在現(xiàn)有的國網(wǎng)評價導(dǎo)則及已經(jīng)建成的狀態(tài)檢修輔助決策 專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)進一步采用專家評價系統(tǒng)實現(xiàn)更為自動 化和智能化的狀態(tài)檢修評價、故障診斷及狀態(tài)分析預(yù)測的。 2.3.6輸電線路動態(tài)增容與覆冰預(yù)測技術(shù)

(1)動態(tài)增容

增容的本質(zhì)在于保證輸電線路絕對安全的前提下，挖掘 出線路實際的輸送容量，并提供給電力調(diào)度等運行單位。這個 實際的輸電容量通常會遠高于運規(guī)規(guī)定的設(shè)計值。

在線路設(shè)計時，設(shè)計單位會考慮在極其苛刻的環(huán)境下, 計算出線路的安全輸送容量，并將該值乘以某個安全系數(shù)后, 作為線路的規(guī)定限額提供給運行單位。

(2)覆冰預(yù)測

覆冰預(yù)測即預(yù)測未來一段時間導(dǎo)線覆冰厚度的變化趨勢。 導(dǎo)線覆冰厚度是指覆冰成空心圓柱形的厚度，然而實際的覆冰 斷面可能各種不規(guī)則形狀，計算中可將導(dǎo)線近似認為均勻覆 冰，并將導(dǎo)線上任意一單位長度作為研究對象。

3結(jié)語

寧夏電網(wǎng)輸變配電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)目前已經(jīng)上線運行, 該系統(tǒng)規(guī)范了各類輸變配電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的接入，實現(xiàn)了 與生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)(PMS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)及雷電定 位系統(tǒng)的集成，搭建起了狀態(tài)信息集中收集、分析、處理和 交互的平臺，各專業(yè)在線監(jiān)測信息可方便地查詢、統(tǒng)計、展示。 該系統(tǒng)主要有以下特點：深化了寧夏電網(wǎng)輸變配電設(shè)備狀態(tài)檢 修工作;提升了寧夏電網(wǎng)管理精益化水平;為今后輸變配電設(shè) 備在線監(jiān)測新技術(shù)的應(yīng)用提供了良好的條件；作為國家智能電 網(wǎng)管理物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程的一部分，項目實施經(jīng)驗及成果可 在國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)內(nèi)推廣應(yīng)用。

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