高压配电装置的无线监测与预警系统设计及应用

高 方

（国网河南省电力公司商丘供电公司，河南商丘 476000）

随着西电东送、国家电网的大规模建设，电力系统的安全性、稳定性、经济性等问题日益突出。高压输电线路在长距离、大容量传输、电网互联等方面具有显著优势，对西电东送、国家电网建设等具有重大意义。

但是，高压输电线路的长度较长，线路结构复杂，穿越高山、森林、河流、湖泊等复杂的气候环境，在线路出现故障时，很难进行巡线和检查。这就要求用记录仪或距离设备来提供精确的距离，以便于查找故障。行波测距是高压输电线路故障定位的重要手段，但由于线路上存在着长距离传输衰减、高阻抗故障、T 接线路和智能变电站的发展，使得传统的线路行波法在高压输电线路上的应用效果不佳，很难达到准确的故障定位要求[1]。许多故障都是因为无法及时找到故障原因，导致长时间断电，使电力系统的可靠性受到极大的影响，从而导致了经济、社会的巨大损失。电力系统急需一种高精度的故障定位技术，它可以及时获知故障区域和距离，便于操作人员进行维修，提高运行维护效率。以最大限度地降低损耗，提高供电可靠性，改善供电质量。因此，在高压输电线路中运用智能WAW 改为三模平台技术进行实时在线监测是一种很有意义的方法。但在实际应用中，采集单元的安装、汇集单元的供电、数据传输的距离等都存在着诸多难题。文章介绍了无线自组织网络技术，着重对高压输电线路无线检测预警系统在实施中存在的一些问题和对策进行了分析和探讨。

1 无线自组织网络设计要求

因电网多处在戈壁、沙漠、矿井等地，通信信号较差，利用传统的通信商网络很难进行数据的传送，因此必须使用自组织网络进行数据的传送。为了减少一次投资，必须减少转发器数目，并对长距离传送方案进行研究。由于传统的无线通信模组功率消耗大，设备寿命短，因此迫切希望研制出低功率的无线模组，以延长其使用寿命。所研发系统是可用于在线监测线路绝缘的网络结构。除了在杆塔A、B、C 三相上分别安装一个检测节点之外，在变电所的线路末端设有一个汇集点，用以采集线路上全部检测点的数据，并将采集到的数据经网关和变电所的光纤通讯端口与供电公司的生产管理网相连接。同时在线路工作区域内设有所辖变电站的线路监视中心，并配置磁盘阵列，以存储线路监测的历史资料[2]。无线传输拓扑结构是防止信息阻塞的一种方法。可实现对电力传输系统中信号采集、无线模块、服务器等多个层次的实时监控，同时方便检修运维人员对现场设备及输电线路的远程监控。

2 高压输电线路在线监测系统设计

高压输电线路的故障报警与定位系统的体系结构按需要设置无线监控收集装置。监控收集装置一般都安装在铁塔的杆塔上，由监控装置负责接收收集装置的监控数据；同时，收集装置采用背对背的传输方式，集中装置与数据传送站相连，并经数据终端传送至供电局后端监测中心。系统包括多个监控终端、中央台和其中都具有无线传感器的用户系统；其中，包括应用程序服务器和数据服务器的中央工作站，具有安装方便，维护少的高压线路故障报警和定位系统；并应用了最新的动态波速自适应原理，使定位更加精确；同时，监控终端的功率消耗较小，从而改善了电源的可靠性[3]。在降低无线测温预警系统功耗的设计中，可以将CPU 系统设定省电模式基础上，还可进一步提升降低功耗的设计。所构建的高压输电线路无线监测预警系统的软件程序设计如图1所示。

图1 高压输电线路无线监测预警系统软件程序设计流程

为了确保数据的可靠传递，在网络拓扑结构设计中，每隔10km 设置一个转发器。图2中的软件程序流程依次为：系统实际需求——系统功耗——分析结果——设计程序，每个功能模块相互独立，确保内部功耗平衡稳定，将各个功能模块的交换信息设计成中断唤醒方式，调试好后可以进行功耗核定。

图2 无线监测预警系统功能

3 网络安全控制系统的设计原则

网络安全控制系统的设计不仅需要参考SSECMM 系统安全工程成熟模型标准，还应参考相关信息安全管理标准。设计能够应对不同威胁的安全保护机制是一种可防止破坏电力自动化系统安全的保护系统。同时，实时监控系统的运行状态不容忽视，对系统的攻击可以及时制止[4]。另外，还要具备当受到攻击后可以应急处理，把破坏和损失降低到最小。

文中构建的无线监测预警系统功能见图3所示。智能在线监控系统主要包括数据采集和通信监视两大模块。数据采集可实现，收集各地分布的安全控制设备发出的各种信息，选用国内主流厂商和各类安全控制设备。采集单元有Web 和手机APP 可选。通过Web 和手机APP 展示界面可以清晰监测高压配电装置及输电线路监测点位的温控、运行状态及综合用电记录。网络安全是系统设计的重点，并提供通道消息监视和调控工具[5]。高压输电线路无线监测预警系统不仅要具备安全监测预警功能，还可以针对性地实施监测预警系统的安全保护机制。

4 系统实现的相关问题

4.1 输电线路绝缘子电流泄漏传感单元设备的研发

输电线路绝缘子漏电检测装置是一种对绝缘子漏电信号进行全面监控的装置。如图3所示。绝缘子在正常工作时处于高电阻状态，漏电电流在十几～几十mA，因此，绝缘子不但要保证电线与接地绝缘，还要能经受住闪电和开关动作造成的过电压冲击，并能承受较大的电压冲击[6]。在电压冲击下，由于闪络而产生的局部过热，不会造成绝缘子钢结构的破裂，而在沿表面放电或闪络时，可能会出现数十mA，乃至数A。

图3 适用于线路绝缘在线监测的网络结构设计

漏电互感器选用具有高磁导率、线性度的铁-镍材料；具有更高的稳定性和更好的性能来抵抗共模干扰。在信号放大器中，采用两个放大程，以保证变压器在“零磁通”工作时的最佳工作状态，从而达到最大的比值和相位差。自动补偿的设计与温度无关；磁滞回线对振动的影响。由于采用被动式设计，所以除了一些电阻器以外，没有其他的电子元件，工作稳定、可靠。本产品主要用于1～500 kV 电力设备的接地导线的漏电和介损带电试验，为了便于工程安装，在线型绝缘监视系统，如CT，PT，CVT，主变套管，主变铁芯，各种避雷器，开关等，为了便于工程的安装，均采用开放铁心卡套和绝缘罩。

4.2 导线弧垂计算

在架空线路中，导线弧垂的大小将直接影响到导线与绝缘子之间的角度，从而可以根据导线与绝缘子间的角度来确定其长度。弧垂传感器是一种新型的微型微机械传感器，它能准确地检测出电线的振动信号和对电线绝缘子的角度。用DSP对测量数据进行处理，并将其处理后的数据作为参数，利用弧垂计算模型进行计算，得出所需要的线路弧垂信息。然后，基于报警的越界设定，对报警信息进行判定。当曲线的垂度为θ时，弧垂传感器的输出是ε，而微型天气传感器的输出是δ，那么，弧垂的计算就可以抽象成θ=F（ε，δ）。

5 结束语

总之，随着电子技术、无线电传感技术和综合技术的迅速发展，无线网络的使用日益普及。特别是在高压输电线路的监测报警应用中，为减少故障发生，构建高压输电线路无线监测预警系统已刻不容缓。通过Web 和手机APP 对高压输电线路进行现场和远程监测预警，很好地解决了高压输电线路常规的安全性问题。与人工智能、计算机、传感器技术相结合，随着通讯技术和信息技术的飞速发展，可以通过对高压输电线路进行实时、远程的监控，从而能够及时地预警可能出现的设备装置或线路火灾，同时极大地方便了日常检修和降低了运维成本。文中构建的高压输电线路无线监测预警系统，经工程实践具有以下优点。

（1）安装方便，维护量小。采用无线接收的方式，不需要安装特殊的行波变压器，并且在杆塔上安装了多台监控终端，不需要与高压设备进行连接，不需要断电，也可以作为后备设备。

（2）监控终端采用无线网络设计，可以实现检修人员对高压输电线路的远程控制，极大降低了人员维护的劳动成本和劳动强度。

在高压输电线路中，采用智能无线自组织网络进行故障报警和定位，具有很大的优越性。当线路出现故障时，该系统可以从多个方面对故障进行分析，从而帮助线路监测中心迅速识别出故障点和区域，从而为山区线路的巡检人员提供了极大的方便。