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

引言

寧夏電網(wǎng)自20世紀(jì)80年代末開始陸續(xù)安裝使用電網(wǎng)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置/系統(tǒng)，至今已有20多年時(shí)間。由于缺乏統(tǒng)一的平臺(tái)，各類監(jiān)測(cè)裝置/系統(tǒng)長(zhǎng)期孤立運(yùn)行，資源不能共享；同時(shí)在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)也無法與離線試驗(yàn)、運(yùn)行巡檢等其它重要狀態(tài)量有機(jī)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(tái)，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(shí)現(xiàn)各類輸變配電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知、監(jiān)視預(yù)警、分析診斷和評(píng)估預(yù)測(cè)，達(dá)到提升電網(wǎng)智能化水平的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸變配電設(shè)備的狀態(tài)在線運(yùn)行管理。

1總體設(shè)計(jì)

采用先進(jìn)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(cè)系統(tǒng)。主要包括輸變配電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)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(cè)管理主站系統(tǒng)及智能評(píng)估診斷及管控平臺(tái)(應(yīng)用層)三部分內(nèi)容。

依據(jù)寧夏電力公司實(shí)際，將輸變配電設(shè)備的各類狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行抽象化處理，建立面向準(zhǔn)實(shí)時(shí)連續(xù)型數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、傳輸、存儲(chǔ)和綜合加工處理的統(tǒng)一技術(shù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)“兩級(jí)部署、三級(jí)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(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)輸變配電設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)管理主站系統(tǒng)及智能評(píng)估診斷及管控平臺(tái)，應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘工具，輔助專業(yè)化知識(shí)，從海量數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值的信息來診斷分析設(shè)備狀況，提供服務(wù)決策，促進(jìn)生產(chǎn)管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級(jí)，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(cè)技術(shù)

（1）絕緣子泄漏電流監(jiān)測(cè)技術(shù)

輸電線路絕緣子泄漏電流在線監(jiān)測(cè)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(chǔ)6個(gè)月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

（2）輸電線路氣象監(jiān)測(cè)技術(shù)

通過氣象傳感器，監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度、大氣壓強(qiáng)、降水量、雪量等參數(shù)。

（3）導(dǎo)線溫度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

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

輸電線路圖像監(jiān)測(cè)

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

2.1.2變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

變壓器局部放電信號(hào)的監(jiān)測(cè)

局部放電檢測(cè)技術(shù)主要包括脈沖電流(PD)檢測(cè)技術(shù)、超聲波(AE)檢測(cè)技術(shù)和超高頻(UHF)檢測(cè)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(cè)

為了克服無源電流傳感器的不足，系統(tǒng)采用了自動(dòng)反饋的零磁通補(bǔ)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(fù)反饋補(bǔ)償技術(shù),對(duì)鐵心內(nèi)部的激磁磁勢(shì)進(jìn)行全自動(dòng)的跟蹤補(bǔ)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(cè)精度和較好的穩(wěn)定性，測(cè)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(hào)監(jiān)測(cè)

MOA阻性電流的在線監(jiān)測(cè)，通常采用容性電流補(bǔ)償法,它是利用從PT上取得的電壓信號(hào)對(duì)避雷器泄漏電流中的容性分量進(jìn)行補(bǔ)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(cè)

通過監(jiān)測(cè)變壓器的鐵心及夾件的接地電流，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)鐵心多點(diǎn)接地缺陷。

2.1.3配電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

無線10kV電壓檢測(cè)節(jié)點(diǎn)

無線10kV電壓檢測(cè)節(jié)點(diǎn)用于監(jiān)測(cè)10kV配電線路的電壓信號(hào)，并自動(dòng)匯聚到配電綜測(cè)骨干節(jié)點(diǎn)。

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(chǔ)能單元、動(dòng)作保護(hù)電路和射頻鏈路。

傳感器節(jié)點(diǎn)直接獲取泄漏電流作為工作能源，并儲(chǔ)存在超級(jí)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(cè)量芯棒的工作溫度，這些數(shù)據(jù)經(jīng)節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)處理后傳輸?shù)焦歉晒?jié)點(diǎn)，并最終傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊。

防盜螺栓節(jié)點(diǎn)

防盜螺栓主要由：射頻前端、MCU、熱釋電傳感器、磁傳感器、震動(dòng)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(diǎn)

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

無線紅外溫度傳感器陣列節(jié)點(diǎn)

采用MEMS紅外點(diǎn)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(diǎn)，可以非接的觸精確測(cè)量4X4點(diǎn)陣靜態(tài)、移動(dòng)目標(biāo)溫度。2.2網(wǎng)絡(luò)層

2.2.1輸變電設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸

綜合運(yùn)用光纖、WCDMA、WiFi等各類信息傳輸方式,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)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(cè)代理(CMA)以及各類狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置。在輸電線路沿線分布的各類狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(shí)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(cè)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(shí)現(xiàn)變電狀態(tài)信息的接入。

2.2.2配電設(shè)備監(jiān)測(cè)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(diǎn)和信息采集節(jié)點(diǎn)組成。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

配網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、配變參數(shù)監(jiān)測(cè)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(diǎn)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(jī)，中心主機(jī)運(yùn)行的信息處理與展示軟件對(duì)收到的信息進(jìn)行處理、存儲(chǔ)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(jìn)行告警。

2.3 應(yīng)用層

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

輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)數(shù)據(jù)具有累積量大、實(shí)效性高等特點(diǎn)，故輸變電設(shè)備智能評(píng)估診斷及管控平臺(tái)，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(píng)估診斷以及管控平臺(tái)與輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成示意圖如圖 3所示。

2.3.2 狀態(tài)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息作為輸變電設(shè)備信息類別之一，與設(shè)備臺(tái)賬信息、缺陷信息、故障信息、巡檢信息、檢測(cè)試驗(yàn)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(jìn)行直觀的可視化表達(dá)，形成多種專門的展示信息組織方式，以支持多專業(yè)、多場(chǎng)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(shí)時(shí) / 歷史數(shù)據(jù)等反映設(shè)備健康狀態(tài)的特征參數(shù)，評(píng)價(jià)設(shè)備當(dāng)前健康狀況，預(yù)測(cè)缺陷發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)狀態(tài)劣化和趨勢(shì)不良的設(shè)備及時(shí)發(fā)布狀態(tài)預(yù)警消息，并進(jìn)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(duì)設(shè)備狀態(tài)的評(píng)價(jià)、可能故障的診斷 以及劣化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。

在現(xiàn)有的國(guó)網(wǎng)評(píng)價(jià)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(jìn)一步采用專家評(píng)價(jià)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更為自動(dòng) 化和智能化的狀態(tài)檢修評(píng)價(jià)、故障診斷及狀態(tài)分析預(yù)測(cè)的。 2.3.6輸電線路動(dòng)態(tài)增容與覆冰預(yù)測(cè)技術(shù)

(1)動(dòng)態(tài)增容

增容的本質(zhì)在于保證輸電線路絕對(duì)安全的前提下，挖掘 出線路實(shí)際的輸送容量，并提供給電力調(diào)度等運(yùn)行單位。這個(gè) 實(shí)際的輸電容量通常會(huì)遠(yuǎn)高于運(yùn)規(guī)規(guī)定的設(shè)計(jì)值。

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

(2)覆冰預(yù)測(cè)

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

3結(jié)語

寧夏電網(wǎng)輸變配電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前已經(jīng)上線運(yùn)行, 該系統(tǒng)規(guī)范了各類輸變配電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接入，實(shí)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(tái)，各專業(yè)在線監(jiān)測(cè)信息可方便地查詢、統(tǒng)計(jì)、展示。 該系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn)：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(cè)新技術(shù)的應(yīng)用提供了良好的條件；作為國(guó)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(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)及成果可 在國(guó)家電網(wǎng)公司系統(tǒng)內(nèi)推廣應(yīng)用。

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