基于5G通信技术的变电站SF6气瓶智能管理系统设计

李愿明,唐新民,蒋 菠,吴伟智,李建清

(1.广东电网能源发展有限公司,广东 广州 510160; 2.南通虹登机械设备有限公司,江苏 南通 226006)

0 引言

六氟化硫(SF6)气体在变电站中的主要作用是进行4类电气设备的绝缘或灭弧。在应用过程中,SF6气体采用气瓶进行存储[1]。该气体无色、无味。存储该气体的气罐发生泄漏不易被发觉。当气体泄漏达到一定浓度后[2],会威胁人身安全。因此,各变电站对于SF6气瓶的管理十分重视,会采用不同的方法对SF6气瓶进行管理和监控[3-4]。

对SF6气瓶的可靠管理是变电站安全运行和管理的重要内容。行业内的诸多学者对此展开研究和分析。颜涛为掌握SF6气瓶的状态,基于小波分析方法,提出相关的泄漏检测方法[5]。张英等为判断SF6气瓶是否发生泄漏,提出基于扩频调制(long range radio,LoRa)技术的泄漏报警监测技术[6]。Miao等为准确检测SF6气瓶,采用小体积高压气瓶间接将母体气体输送到目标气瓶[7]。Feng等对冲击加速同心双层气瓶(空气缸嵌入SF6气瓶)的研制进行研究,采用皂膜技术制备双层气瓶[8]。

上述方法均可实现SF6气瓶使用状态的监测。但在监测过程中,受到监测设备、外界因素影响,上述方法的数据采集以及传输的实时性较差,导致监测结果的时效性不理想。因此,本文为实现SF6气瓶的全面管理,在保证气瓶使用安全的前提下,设计基于5G通信技术的变电站SF6气瓶智能管理系统,以实时掌握其运行状态。

1 变电站SF6气瓶智能管理系统设计

1.1 SF6气瓶智能管理系统架构

SF6气瓶在管理过程中,均会部署SF6气体浓度检测仪和氧量仪,从而对空气中SF6气体浓度实行实时采集和感知。如何保证感知数据传输的实时性[7],并且高效、可靠利用感知数据,已成为SF6气瓶管理的核心问题。为此,本文设计基于5G通信技术的变电站SF6气瓶智能管理系统。基于5G通信技术的SF6气瓶智能管理系统架构如图1所示。

SF6气瓶智能管理系统充分利用5G通信技术强大的通信能力[8],完成SF6气瓶感知数据的传输,以保证数据传输的实时性、可靠性。该系统可分为3个模块,分别是感知模块、5G传输模块以及管理模块。感知模块通过SF6气体浓度检测仪和氧气、压力、温湿度等多种传感器感知并采集环境中SF6气体的浓度和含氧量数据,通过数据终端单元、移动信号接入设备连接5G传输模块,经由该传输模块将感知的数据传送至管理模块。管理模块则依据感知的数据[9]计算SF6气体的密度,并判断其是否存在泄漏,从而完成SF6气瓶智能管理。

①感知模块。

感知模块主要包括SF6气体采集器、氧气传感器、智能数字传感器、数据终端单元、移动信号接入设备、数字信号处理器(digital singnal processor,DSP)数据处理模块、电源模块等部分。SF6气体浓度检测仪和氧气、压力、温湿度等传感器的主要作用是感知环境中SF6气体浓度含量[10-11]、氧气含量。数据终端单元、移动信号接入设备则是用于完成网络连接,进行感知数据的传输。

② 5G传输模块。

5G传输模块是系统实现管理的网络枢纽,是保证系统正常运行的关键。该模块主要包含5G公网、三层交换机、5G网络切片、网关、内部专网等部分,用于实现感知模块感知数据的实时传输、保证数据在高电磁环境下的传输速率。

③管理模块。

管理模块是系统实现SF6气瓶智能管理的实现层。该层主要包含前置机、时间服务器、显示器、报警器、数据中心、上位机服务器等部分。该模块的主要作用是监测SF6气瓶的状态[12-13],并基于非分光红外差分检测方法对SF6气瓶的泄漏情况进行检测。如果存在泄漏则及时发送预警,并且启用无线分组交换技术将预警信息发送至相关工作人员,以此实现双重预警。该模块可确保预警信息的及时处理以及第一时间对泄漏的SF6气瓶进行抢修[14]。与此同时,上位机服务器对预警信息生成报表模式,以呈现监测结果,从而实现SF6气瓶智能管理。

1.2 SF6气体采集器

感知模块作为系统中的基础支撑模块,是向系统管理模块提供可靠SF6气瓶运行状态数据的基础。感知模块主要采用SF6气体采集器完成SF6气瓶感知。该采集器以红外光源为主。SF6气体采集器结构如图2所示。

图2 SF6气体采集器结构

SF6气体采集器主要包括光源调制驱动电路、红外光源、滤光片、镀膜气室、热释电红外探测器、信号调理电路、核心处理器、外围电路等部分。其中,采用集成无线收发器和8051微处理器的CC2530作为核心处理器的主控芯片,设有串行通信接口、通用异步收发器(universal asynchronous receiver transmitter,UART) 接口以及可编程输入/输出(input/output,I/O)引脚等。红外光源部署在镀膜气室内,以保证发射的红外光源在反射后,能够入射至热释电红外探测器。因此,红外光源可较大程度提升光程,保证检测结果的高分辨率。SF6气体采集器进行SF6气体浓度监测时,红外光源在经过滤光片后会发生透射。为了将透射后的光转换成电压信号,热释电红外探测器会实行转换,并将获取的电压信号输入信号调理电路。信号调理电路对电压信号作放大滤波处理后将其输入核心芯片。通过核心芯片处理,即可以获取SF6气体浓度数据。

氧气传感器主要由氧化锆陶瓷和内外表面的一层薄铂组成。氧气传感器的原理是将传感器陶瓷管内外的氧离子浓度差转换成电压信号输出,以获取SF6氧气浓度数据。压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元组成。压力传感器的原理是在薄片表面形成半导体变形压力,通过外力(压力)使薄片变形而产生压电阻抗效果,从而使阻抗的变化转换成电信号。温湿度传感器利用探头作为测温元件,采集温度和湿度信号。这些信号经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、电压/电流强度(voltage/intensity of current,V/I)转换、恒流及反向保护等电路处理后,转换成与温度和湿度成线性关系的电流信号或电压信号输出。

1.3 5G通信网络

1.3.1 5G通信网络结构

感知层利用SF6气体浓度检测仪完成该气体的浓度检测后,需通过5G传输模块将检测数据传送至管理模块。为保证传输的实时性,本文采用5G通信技术,构建5G通信网络。用于SF6气体浓度数据传输的5G通信网络结构如图3所示。

图3 5G通信网络结构

用于SF6气体浓度数据传输的5G通信网络在应用过程中能够对不同的运行需求进行网络划分,使网络形成独立专用的物理隔离切片、逻辑隔离切片。该划分主要依据5G网络切片技术完成,以此满足不同业务的传输和通信需求。

1.3.2 5G网络切片

5G网络切片结构如图4所示。

图4 5G网络切片结构

5G网络切片是5G通信网络进行SF6气体浓度数据传输的重要技术。5G网络切片是实现不同需求业务的关键,能够将整个网络划分成数个虚拟的端到端网络。其中,各虚拟网络中均包含无线网、传输网、核心网。各网络之间均为逻辑独立运行,且相互隔离,以保证其中1个网络发生异常时其他网络仍可正常运行。5G网络切片在应用过程中,以应用需求、应用场景为依据,完成网络资源的整体管理和编排,从而对网络的功能实行针对性地划分。由此可实现专项的个性化虚拟网络的制定,满足差异化网络需求;实现差异化用户、差异化场景、差异化业务之间的安全隔离,并保证业务执行的安全性。

5G网络切片包含云端、通道、终端以及安全一体化融合体系。云端具有开放、方便、强大的平台构建能力,可以实现业务管理、调度等功能。通道指划分形成的无线网、传输网、核心网等网络。其为不同的业务需求提供不同的网络服务,以实现SF6气体浓度数据的实时传送。终端是连接感知层的相关设备,可按照不同设备的网络带宽、通信时延、连接需求等,进行网络的匹配和应用。安全一体化融合体系则对各级网络切面实行安全管理,并且进行加密以及网络域安全管理,以保证网络的安全运行。

1.4 SF6气瓶泄漏在线检测

由于不同气体在光的作用下会呈现不同的光谱吸收特性,可对SF6气瓶采集器中红外光源的衰减程度实行检测,通过检测结果描述SF6气体的泄漏情况。因此,管理模块采用基于非分光红外差分检测的方法,以实现SF6气瓶泄漏在线检测。该模块先对采集器获取的数据实行处理,以获取泄漏气体对于激光的吸收峰值和谷值的波长(分别为λon和λof)。λon和λof的接收信号功率分别为Pr(λon)和Pr(λof)。λon和λof获取SF6气体对于红外光源的吸收系数(分别为γon、γof)、浓度乘积(CR)。对上述参数进行计算,可得出SF6气体的CR结果。依据CR和光源到SF6气瓶之间的距离R,可求得SF6气体的浓度C。基于上述步骤,依据不同角度下红外光源的采集结果,可计算SF6气瓶泄漏的C。C值越大,表示距离SF6气瓶泄漏点越近。依据C的结果,可判断SF6气瓶的泄漏位置和泄漏浓度。接收信号功率Pr为:

(1)

(2)

(3)

依据式(3)的计算结果,可判断SF6气瓶泄漏位置,完成SF6气瓶泄漏浓度在线检测。

完成SF6气瓶泄漏浓度在线检测后,为保证在线检测结果的可靠性,本文对检测结果实行自动校核。校核步骤如下。

①获取由5G通信模块所传输的全部SF6气瓶运行数据。对该数据实行整合处理后,按照时间标签对所有数据进行记录。

②获取SF6气瓶泄漏浓度在线检测结果,并记录其对应的时间标签;获取离线试验数据库中与监测结果对应的时间标签数据,并定义平均背离程度、期望偏离程度以及平均离散程度这3种性能评价指标;对这些指标进行计算。

③将3种性能指标的计算结果和设定的期望阈值进行对比。对比结果可通过图表的方式,在显示器上进行可视化呈现。

④依据呈现结果,对SF6气瓶泄漏在线检测结果进行校正,从而实现变电站SF6气瓶的智能管理。

2 测试结果与分析

为验证本文系统对于变电站SF6气瓶智能管理的应用情况,本文以某变电站的SF6气瓶作为测试对象,采用本文系统对该对象实行智能管理,并获取管理结果。该变电站在运行过程中,发生过多次SF6气瓶泄漏现象。在该变电站原有SF6气瓶监测系统应用过程中,监测结果的实时性存在一定问题、可靠性和时效性均受到直接影响。因此,该变电站期望能够可靠实现SF6气瓶的智能管理,精准检测其泄漏情况。该变电站内搭建了5G通信网络。网络通信相关性能参数为:峰值速率下行20 Gbit/s、上行10 Gbit/s;带宽下行20 Gbit/s、上行10 Gbit/s;设备连接密度106个/km;可靠性数据传输速度32 bit/ms;丢包率0.001%;移动速率500 km/h。在应用过程中,本文系统要求网络通信时延低于10 ms。

为验证本文系统在进行数据通信时的通信性能,需获取本文系统在不同感知设备数量下、感知数据传输时延以及传输平均速率结果。感知数据传输时延以及传输速率结果如图5所示。

图5 感知数据传输时延以及传输速率结果

由图5可知,随着感知设备数量的逐渐增加,设备在进行数据通信过程中,时延结果均低于10 ms,并且传输平均速率均在8 ～10 Gbit/s之间,极大程度地接近传输速率峰值。因此,本文系统的网络通信性能良好,能够满足通信的实时性需求。

为验证本文系统对于SF6气瓶的在线监测效果,试验随机对变电站中的某SF6气瓶实行检测。在检测过程中,人为对SF6气瓶实行破坏以造成泄漏,从而获取该气瓶在不同运行时间内的气体浓度变化结果,并依据浓度变化结果判断其是否发生泄漏。气体浓度变化检测结果如图6所示。

图6 气体浓度变化检测结果

由图6可知,在本文系统检测过程中能够较好地检测SF6气瓶的泄漏情况,从而在不同环境温度下获取气体泄漏浓度。在没有发生气体泄漏时,SF6气体的浓度为0。当发生人为破坏后,SF6气瓶发生泄漏。随着泄漏时间的增加,气体浓度开始发生变化。对泄漏实行抢修后,气体泄漏停止,其浓度下降至0。因此,本文方法具有良好的SF6气瓶在线监测效果,能实时监测SF6气瓶运行状态,实现SF6气瓶的可靠管理。

为验证本文系统的SF6气瓶泄漏在线检测校核结果,本文以平均偏移程度Δε为评价指标。该指标能够判断在同一个时间戳下,检测结果和理想结果之间的差值(要求低于0.035),以此判断本文系统对SF6气瓶泄漏在线检测的精度。该指标的计算式为:

(4)

式中:n为检测获取的实时数据量;yi为在线检测获取的实时数据;xi为期望数据。

本文随机抽取3个SF6气瓶进行在线检测,依据式(4)获取本文系统在相同时间戳下的Δε结果。平均偏移程度测试结果如表1所示。

表1 平均偏移程度测试结果

由表1可知:本文系统应用后,在相同的时间戳下,对于不同SF6气瓶在线检测的Δε指标值均满足应用要求,即均低于0.035。测试结果说明,本文系统对SF6气瓶进行在线检测校核后,能够较好地保证检测结果的可靠性。

为进一步验证本文系统的有效性,试验将本文系统与传统4G通信技术的变电站SF6气瓶智能管理系统进行对比,以传输时延为测试指标。传输时延对比结果如图7所示。

图7 传输时延对比结果

由图7可知:本文系统的传输时延在4.5 ms以下;4G通信技术的传输时延在4.5 ms以上。相比4G通信技术,本文系统的传输时延较短。

3 结论

SF6气体在电力系统中具有良好的绝缘功能。但是在SF6的使用过程中,一旦发生气体泄漏,会造成较大的风险。如何可靠、全面地掌握SF6气瓶状态,是保证电力系统正常运行、工作人员作业安全的重要内容。因此,本文设计基于5G通信技术的变电站SF6气瓶智能管理系统。

本文对该系统的应用情况进行测试后得出:本文所设计的智能管理系统具有良好的应用性能,能够保证SF6气瓶状态数据的实时传输,为管理的时效性提供可靠保障;本文系统还可实时监测SF6气瓶的泄漏情况,在检测气体的泄漏浓度的同时通过在线监测校核技术对检测结果实行校核,以进一步提升在线检测精度。

除此之外,本文系统的应用性能良好,可实现变电站SF6气瓶的全面智能管理,呈现SF6气瓶的管理结果。