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    • 智能无线自组网络高压输电线路故障预警及定位系统研究

        引言

        

        我国电网高压输电、配电线路因台风、雷击、风雪、其他原因所造成线路故障导致的直接损失经济每年超过60亿,间接经济损失更是高达300多亿。一些设备在远离交通干线、高山峻岭、深山密林、荒漠戈壁等人烟稀少的地区,因为没有移动信号覆盖或移动信号强度薄弱而不能使用,大部分输电线路需要工作人员定时到现场进行检查工作方式,消耗了大量的人力和财力,而且不能及时实时监测故障事件,带来巨大的经济损失。

        

        现有的解决方案通常使用移动通信网,但存在以下问题:完全依赖移动通信网。大部分高压输电线路位于远离城镇、远离交通干线、崇山峻岭、深山老林、丘陵、草原、沙漠等人员稀少或人员不易到达的地区。这些地方移动、联通信号不能覆盖,采用移动电信运营商的GPRS、WCDMA信号来进行数据传递的无线寻址器不能应用;有额外的运行费用。移动通信网有流量使用费,每月需要缴纳费用,大量设备的费用相当昂贵;传输速率很低,基础设备投入大。移动网络产品每50米要有一个装有SIM卡机的数据传输中转站,而本系统在前后10公里才配备一个背靠背二站式数据传输中转站。与其他厂家类似产品相比,本系统可大大降低输电线路故障寻址系统安装配备的投资成本。

        

        因此,将智能无线自组网技术引入高压输电线路在线实时监测,已成为重要选择。然而具体应用却面临很多问题,如采集单元安装、汇集单元供电、数据的传输距离等。本文提出利用自组网技术,并重点分析和讨论了高压输配电线路预警及定位系统实施过程中可能遇到的问题及其解决方案。

        

        1 无线自组网络设计要求

        

        研究远传输、低功耗的自组网无线传输模块。由于电网多戈壁、矿山、沙漠,多未通公路,通讯信号弱,采用传统的电信供应商网络难以实现数据传输,需要采用自组网络完成数据传输。为了降低监测设备的一次性投入成本,需要减少中继器的数量,研究远距离的传输方案。传统的无线传输模块功耗较大,设备使用寿命短,项目需要研究低功耗的无线模块以提高装置寿命。

        

        适用于线路绝缘在线监测的网络结构设计。除每个杆塔A、B、C三相导线上各放置一个传感节点外,在变电站的线路端设置汇聚节点,用于收集线路的所有传感节点的数据,并通过网关和变电站的光纤通信口同供电企业的生产管理网相连,并在线路工区设置工区所辖各变电站的线路监控中心服务器,并配置磁盘阵列用于保存线路监测的历史数据。装在输电线路上的采集单元之间采用LoRa节点进行接力式通信传输监测数据,并传输至离变电站较近的汇聚单元,汇聚单元通过LoRa传输到变电站监视终端,并可最终传输至线路工区服务器。

        

        无线传输拓扑网络防拥塞方法。将输电线路监测系统中由信号采集单元、无线模块和服务器组成的通信子系统在逻辑上分为七层,并在LoRa通信协议的链路层、传输层和应用层同时采取防拥塞措施,从总体上对拥塞进行预防和控制。其中,链路层根据网络的忙闲程度对数据发送速率进行实时调整;传输层采用QoS分级服务以保证重点信号的传输实时性;应用层采用告警摘要、告警排队和按照排队进行具体告警数据呼叫的方法,以防止大量具体告警数据直接上传对信道造成的拥塞。

        

        2 高压输电线路在线监测系统设计

        

        高压输配电线路故障预警及定位系统架构。根据需求安装无线监测汇集单元,监测汇集单元通常安装在铁塔杆塔上,监测汇集单元接收采集单元监测数据;另一方面,监汇集单元采用背靠背传输网络,由汇集单元接入数据传输总站,通过数据总站传输到电力部门的后端监控中心。

        

        通信冗余设计。为保证数据的可靠传输,在进行网络设计时采用信号区域重叠的方法实现。图2中1、2、3分别代表故障指示器,4,5,6,7分别代表不同的中继器。中继器的信号覆盖范围为20km,在图中用一个半径为20km的圆表示。在设计网络拓扑时,采用每10km放置1个中继器(图2)。图中,1号故障指示器在4、5号中继器的覆盖范围内,2号故障指示器在4、5、6三个中继器的覆盖范围内,3号故障指示器在4、5、6、7四个中继器的覆盖范围内。同时,中继器之间的数据传输也存在上述情况,因此个别中继器故障的情况下,系统不会出现通信中断的情况。

        

        汇集终端的设计。其主要模块为数据接收模块、电源模块和无线通信模块。无线通信模块选择支持LoRa标准的模块,电源模块是磷酸铁锂电池和太阳能电源供电相结合。

        

        采集单元设计。包括采样模块、电容、电源模块、LoRa通信模块、低功耗芯片。

        

        后台监控平台设计。该平台负责将收集到的监测数据进行存储、处理和分析。可提供历史数据查询、紧急事件预警及报警、故障点定位、数据分析等功能。监测系统也能够自动对采样数据进行处理分析,准确定位故障区间。该系统有助于线路管理人员及时发现有问题线路故障,可在某种程度上做到线路的实时监控。

        

        3 系统实现的相关问题

        

        3.1 输电线路绝缘子电流泄漏传感单元设备的研发

        

        输电线路绝缘子电流泄漏传感单元设备主要用于输电线路绝缘子泄漏电流信号的整体监测数据分析。绝缘子正常工作时对地处于高阻状态,泄漏电流为十几至几十微安,绝缘子不仅要使导线与地绝缘,还必须耐受雷电和开关操作引起的过电压冲击,抵制严重的电压冲击。当因电压冲击而发生闪络时引起的局部过热,不会导致绝缘子钢化玻璃体的爆裂,而发生沿面放电或闪络时可达到几十毫安培甚至数安培。

        

        图3为泄漏电流互感器的基本结构。采用高导磁率的铁镍材料,其线性度、稳定性更高,性能更好,以抗共模干扰。信号放大级设计了两个放大量程,使互感器始终处于理想的“零磁通”工作状态,保证了其比值差和相位差的最高精度。自动补偿的设计几乎不受温度、振动及磁滞回线的影响。由于采用无源结构,除有几个电阻外再无任何电子部件,工作稳定可靠。交流泄漏电流传感器适用于1~500kV电气设备的接地引线泄漏电流及介损带电测试,绝缘在线监测系统,如CT、PT、CVT、主变套管、主变铁芯、各种避雷器、开关等为满足工程安装的方便性,采用开口铁心卡套与绝缘子上,并加装外屏蔽。

        

        3.2 导线弧垂计算

        

        导线弧垂度的大小在架空导线上会直接影响导线与绝缘子连接处的夹角大小,因此可通过测量导线与绝缘子的夹角来计算出导线弧垂的大小。弧垂传感器为自制传感器,包含高精度的MEMS传感器,可实现对导线振动信号和对导线绝缘子夹角的测量。把测得的原始信号经过数字信号处理器DSP处理后,以这些处理后的结果作为参数,通过导线弧垂计算模型计算后得到所需导线弧垂信息。在此基础上根据报警越界设置判断是否发出报警信息。记导线弧垂度为θ,弧垂传感器输出结果集为ε,微气象传感器输出结果集为δ,则弧垂计算可抽象为δ=F(ε,δ)。

        

        4 结语

        

        智能无线自组网络高压输电线路故障预警及定位系统应用于高压输电线路具有优势,解决了诸多困难,传输带宽、传输距离、采集单元供电、电磁兼容、网络安全等是其中的关键问题。线路故障发生后,系统的自动故障定位和自动诊断功能将从多角度对于故障进行分析,有助于在线路监控中心快速确定故障部位或区域,这对地处山区线路巡检人员可大大减轻工作强度,降低了电网的经济投入。

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