智能型线路避雷器在线监测系统设计

2023-10-09王庆库贺艳军

通信电源技术 2023年16期

王庆库，刘华，贺艳军

（1.国网海东供电公司，青海海东 810699；2.国网海西供电公司，青海格尔木 816000）

0 引言

输电网络扩展使雷击线路事故量显著增加，使避雷器作用愈发重要。但是，一旦避雷器出现老化、劣化情况，没有做好维护、更换工作，将无法发挥避雷器作用。因此，加强避雷器监测工作成为行业关注的重点。应用避雷器监测系统能够获取避雷器运行信息，评估避雷器工作状态，进而维护劣化避雷器和更换老化避雷器[1]。但是，传统在线监测系统主要采取机械式技术，受到多方面因素干扰，存在读数误差，进而使避雷器评估效果较差。行业应结合当前避雷器监测系统现状，研究相关智能化的在线监测系统，提升数据采集可靠性，使工作人员能够随时随地查看避雷器工作状态，从而有效降低电力设备损坏风险。近年来，大数据时代使更多技术在避雷器在线监测系统设计中得以应用[2]。文章提出的智能型线路避雷器在线监测系统在此背景下应运而生。借助大数据分析中心，智能型线路避雷器在线监测系统能够分析数据状态，广泛收集避雷器各项信息，并结合信息分析处理，获取避雷器运行情况、健康状态，减少人力物力投入，实现及时维修和自动化监测排查。

1 避雷器在线监测系统架构与设计方案

劣化避雷器遭遇雷击，可能导致避雷器丧失作用，进而引发设备损坏。因此，应为避雷器配备在线监测系统，从而及时评估避雷器状态，了解避雷器劣化程度，并在避雷器出现严重劣化后出具预警，实现及时维护避雷器。

1.1 架构

设计的避雷器在线监测系统构架包括传感器、主工程文件索引（Index of Engineering Document，IED）。其中，传感器属于重要的在线监测元件，能够促进避雷器状态参数转变，并上传各项转化后的信息；主IED用于监测处理传感器上传的信息。设计的避雷器在线监测系统使用传感器、主IED完成整个数据从采集到转化、输出的流程，实现数据处理[3]。

1.2 设计方案

本系统主要包括现场参数采集系统和远程专家服务系统2个部分，如图1所示。在系统相关模块中，声表面测温模块能够检测避雷器温度。工频、冲击电流检测模块、高速数据采集预处理模块能够传输内部数据，确保数据在中央数据处理模块得到统一处理，并传输到远程服务器。远程专家诊断系统能够获取避雷器现场数据，评估设备健康情况，用户能够根据显示器评估避雷器状态。

图1 系统结构

2 避雷器在线监测系统软硬件设计

2.1 硬件设计

现场数据采集系统能够提供数据信息，评估避雷器运行状态。首先可使用罗氏线圈获取雷电流信号，传输到转换器转换信号，其次使用现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）存储，最后由处理器处理数据[4]。工频线圈能够采集工频电流信号，并在调理信号后，将信号传输到处理器中进行处理。在这一过程中，声表面波传感器能够采集避雷器温度信息，借助无线方式将信息传输到单元模块，最终传输到处理器中进行处理。所有信息最终汇集到STM32处理器中，经数据融合处理后，通过通信电路上传到远程监测系统[5]。

工频电流与冲击电流相比，两者在信号特性、量级方面存在明显区别[6]。因此，雷电流采集工作不仅应做好冲击电流采集工作，还可以应用罗氏线圈采取工频电流，进而保障数据信息的准确性。雷电冲击电流能力相对较高，并且波形消失速度较快，应选择品质优良的罗氏线圈，并配套高速采集电路，通过提升数据准确性和加快转化速度，采集到更加完整的雷电冲击电流，以免受到外部因素干扰[7]。考虑上述因素，设计以OP27作为前端运放电路，使用差分输出方式，配合应用高速采用模数转换器，改善雷电冲击电流采集效果。

工频电流信号具有频率低下的特点，通过连接罗氏线圈以及积分电路，电压跟随器能够控制电压信号，可确保信号进入STM32控制芯片，经转换端口完成信号处理[8]。设计系统的电路设计核心为STM32处理器。使用STM32处理器能够有效解决传统处理器功能单一的问题，提升处理速度，降低能耗。此外，该处理器集成度良好，可满足设计需求。

连续雷击会增加系统数据处理量，虽然传统预处理设计缓存容量较大，但是仍需及时上传数据，以免数据丢失[9]。设计系统使用4G通信技术最大化发挥在线监测功能，密切联系数据，进而保障系统运行效果[10]。本系统设计了无线通信模块，传输速率可满足行业要求，配套相应的处理器，能够促进数据向无线模块传输，最终由监测专家系统分析各项数据，构建数据模型，评估避雷器运行情况，获取结论。

2.2 软件设计

系统设计了现场信号采集程序。其中，FPGA程序能够支持数据缓存、传输。为确保数据存储的安全性，并增加数据存储空间，可选择双先进先出队列（First Input First Output，FIFO）方式缓存数据[11]。考虑后续系统维护工作以及升级需求，系统设计了STM32微控制器程序[12]。设计系统时，使用模块化设计思想，以便满足后续系统设计需求。因为模块化设计思想下各模块具有一定的独立性，所以维修更加方便[13]。系统上电后，控制器可统一在内部进行初始化处理。在4G模块初始化结束后，控制器能够发送指令，外部设备开始监测避雷器参数。外部数据进入程序后，整个程序能够结合数据实际情况，采取相应的操作。一旦避雷器发生雷击，FPGA能够第一时间得到雷击数据，给予高速预处理，并存储数据[14]。存储结束后，FPGA将雷击信号传输给主控制器，并触发外部中断。主控制器接收信号后，将数据传输到4G通信模块接口，然后微控制器传输数据，使远端服务器接收。该系统程序的设计流程如图2所示。

图2 系统程序的设计流程

远程监测终端程序应用浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）结构。该结构可有效提升用户使用便利度，通过浏览器即可查看各项数据信息[15]。系统后台服务器支持身份证管理，因此数据查询具有较高的安全性。经终端程序，可获取避雷器温度以及相关电流信号、数据信息，并且以多种形式展示，可便于用户观看。专家诊断系统能够围绕避雷器数据进行积累，并设置趋势曲线，一旦超出限值，立即报警，由专业人员进行处理。同时，本系统应用无线数据传输技术，构建数据库，长期评估避雷器运行状态，进而在出现问题第一时间进行预警，确保输配电线路运行安全。

3 系统测试结果

为验证避雷器在线监测系统的应用效果，文章进行了在线模拟实验。实验结果显示，罗氏线圈、冲击电流在波形方面具有一致性。远程服务器检查冲击电流数据与以及电流大小呈现正相关关系。同时，整个系统声表面波测温模块运行状态良好。在受到雷电作用后，避雷器伴随温升情况，而在雷电结束后，避雷器温度会恢复到使用前状态。后台专家诊断系统获取数据准确性较高，在评估避雷器状态方面的功能性良好。总体而言，系统设计可满足行业要求。