丁 楊，羅文華，宮瑞邦，李曉光，李金良，朱國華，黃海暉，馮衛(wèi)國，馬 瀟

BDS在氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備形變監(jiān)測中的應(yīng)用

丁 楊1，羅文華1，宮瑞邦1，李曉光1，李金良1，朱國華2，黃海暉2，馮衛(wèi)國2，馬 瀟3

（1. 國網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊 830000；2. 北京合眾思壯科技股份有限公司，北京 100089；3. 中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192）

針對形變監(jiān)測中通過常規(guī)方法難以獲取完整及時的氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備狀態(tài)信息，因而不能準(zhǔn)確管控設(shè)備，影響變電站安全運行的問題，提出利用我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）實現(xiàn)氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備的智能化檢測，并設(shè)計實現(xiàn)1套超高壓變電站氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備BDS形變監(jiān)測系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以有效監(jiān)控和預(yù)警設(shè)備形變。

超高壓變電站；氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備；基準(zhǔn)站的布設(shè)；監(jiān)測點的布設(shè)；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)形變監(jiān)測系統(tǒng)

0 引言

隨著國家電網(wǎng)在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中的重要性越來越突出，維持國家電網(wǎng)的安全已成為國家經(jīng)濟發(fā)展的根本保障。我國地域廣闊，氣候復(fù)雜多變，特別是西北地區(qū)，氣候惡劣、晝夜溫差大，對高壓變電站的氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備的維護帶來非常大的難度，需要可靠智能化手段來解決當(dāng)前的電網(wǎng)安全問題。

氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備（gas insulated swichgcar）是高壓配電裝置的1種形式，是將斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器、避雷器、母線、電纜終端和進出線套管等組合成1個整體，并封裝在金屬殼內(nèi)，充SF6氣體作為滅弧和絕緣介質(zhì)的全封閉組合電器。由于其占地面積小、絕緣性能高、運行方便、檢修周期長、維護工作量小等特點，在電力系統(tǒng)中裝用量比例逐年升高。與此同時，近幾年該設(shè)備故障引發(fā)的系統(tǒng)故障跳閘占比上升，特別是西北地區(qū)設(shè)備故障率居高不下，伸縮節(jié)及設(shè)備內(nèi)絕緣問題比較突出。由于該設(shè)備故障時停電范圍較大，其工作狀態(tài)關(guān)系到整個電網(wǎng)的安全可靠運行。

由于氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備采用全封閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)部狀態(tài)不可見，從外部肉眼可觀測的信息較少，通過常規(guī)的方法獲取的設(shè)備狀態(tài)信息有限且滯后，難以滿足狀態(tài)評價和狀態(tài)管控的要求。為了滿足變電站的運行維護要求，檢測氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備的早期故障，從而保證變電站的安全運行，構(gòu)建1套氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備形變監(jiān)測系統(tǒng)十分必要。

1 BDS形變監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計和建設(shè)

亞中變電站位于南山牧場，屬于易發(fā)生沉降的山丘地質(zhì)，其220 kV及66 kV設(shè)備區(qū)域已于2016年3月發(fā)生地基沉降下陷。亞中變電站氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備為西開設(shè)計，水平“一”字布置，母線筒最長達(dá)219 m，溫差導(dǎo)致的熱脹冷縮將導(dǎo)致大幅度的形變，該設(shè)備母線筒已于2015年發(fā)生由于大幅度形變導(dǎo)致的管壁焊縫處漏氣。設(shè)備地基上未安裝任何可觀測地基沉降的裝置，母線上未安裝任何可觀測水平位移形變的裝置（水平位移觀測卡尺），沉降及位移信息無法監(jiān)測。

根據(jù)亞中超高壓變電站的實際情況，本項目采取分體式設(shè)計，對變電站母線的4個門形架兩側(cè)設(shè)置采集信號的監(jiān)測點天線用于采集位置信號。接收機安裝于場外統(tǒng)一的機柜內(nèi)。天線和接收機之間采用低損耗射頻線纜，通過預(yù)設(shè)電纜溝進行布設(shè)，并加裝防護管。接收機數(shù)據(jù)通過光纖傳輸?shù)郊袡C房的解算服務(wù)器進行高準(zhǔn)確度等級解算。

通過在氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備上安裝北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）定位監(jiān)測裝置，可實現(xiàn)點對點的實時設(shè)備位置變化及基礎(chǔ)局部沉降監(jiān)測，配合使用BDS及全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）定位差分算法，數(shù)據(jù)處理后可使監(jiān)測準(zhǔn)確度等級達(dá)到毫米級，同時將設(shè)備狀態(tài)信息變化進行實時通訊預(yù)警，達(dá)到設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測預(yù)警目的。

1.1 基準(zhǔn)站的布設(shè)

基準(zhǔn)站的穩(wěn)定性直接影響到各監(jiān)測點的準(zhǔn)確性和可靠性。因此，對基準(zhǔn)站的位置選擇有嚴(yán)格要求?？紤]到基準(zhǔn)站點位受電磁干擾、通電、通訊、環(huán)境等因素影響，根據(jù)現(xiàn)場情況，最終擬定在主控通訊樓頂作為基準(zhǔn)站天線的安裝點，基準(zhǔn)站接收機安裝在一樓機房內(nèi)，天線與接收機之間通過同軸射頻線纜進行連接[1-2]。

基準(zhǔn)站的主要設(shè)備包括接收機和扼流圈天線，另外還需要有滿足設(shè)計要求的天線基座、設(shè)備機柜、防雷措施，以及供電設(shè)備和用于傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。如圖1所示。圖1中CORS（continuously operating reference stations）為連續(xù)運行參考站基準(zhǔn)。天線接收衛(wèi)星定位信息，通過射頻線纜傳輸?shù)交鶞?zhǔn)站點機柜的接收機內(nèi)。

圖1 基準(zhǔn)站設(shè)備組成

1.2 監(jiān)測點的布設(shè)

本項目主要對氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備母線門形架的伸縮形變進行監(jiān)測；因此，監(jiān)測點布設(shè)在門形架兩側(cè)母線上，為氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備長母線筒伸縮節(jié)處及母線出線拐角處，該位置是氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備在溫度變化后發(fā)生形變最大的位置，監(jiān)測效果比較明顯。

監(jiān)測點的設(shè)備主要包括GNSS天線、射頻線纜、接收機等，如圖2所示。監(jiān)測點的位置信息通過GNSS天線進行采集，需要將天線用管道安裝支架固定在母線上顯示母線管道的形變位移，如圖3所示。信號經(jīng)過射頻線纜傳輸?shù)浇邮諜C進行初步的解算。由于場地和供電的限制，接收機機柜固定在場地邊緣指定地點。每組門形框的3條管道架設(shè)6個監(jiān)測點，共計4組監(jiān)測點。

圖2 監(jiān)測點設(shè)備組成

圖3 監(jiān)測點天線安裝示意

1.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備布設(shè)與實施

基準(zhǔn)站接收機和監(jiān)測點接收機數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)的方式進行傳輸?shù)街骺胤?wù)器，如圖4所示?；鶞?zhǔn)站接收衛(wèi)星定位信息和監(jiān)測點采集的形變信息傳輸?shù)浇粨Q機，交換機通過防火墻上傳到主控服務(wù)器并將信息顯示在顯示屏上；主控服務(wù)器中的中央處理器將接收到的信息按照時序進行比較，從而確定氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備是否形變。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 BDS誤差數(shù)據(jù)及算法處理

BDS定位中的誤差，可以分為系統(tǒng)誤差、偶然誤差和粗差3大類。其中系統(tǒng)誤差包括衛(wèi)星鐘誤差、衛(wèi)星星歷誤差、對流層延時、電離層延時、多路徑誤差等。同其他測量作業(yè)一樣，BDS的數(shù)據(jù)處理受到測量誤差的干擾，為提高最終監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度等級，須找出數(shù)據(jù)處理中的誤差源，并在算法中加以修正[3-15]。

RTK（real-time kinematic）技術(shù)又稱為實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)，通過對基準(zhǔn)站和監(jiān)測點的觀測值進行差分處理得到修正值，實現(xiàn)實時或事后處理解算得到精確的位置坐標(biāo)，其工作原理如圖5所示。本項目采用RTK差分定位原理實現(xiàn)對氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備的監(jiān)測，準(zhǔn)確度等級經(jīng)處理后可達(dá)到毫米級（可以達(dá)到小于5 mm）。

圖5 差分定位原理

本項目利用RTK解算功能對監(jiān)測站和基準(zhǔn)站的觀測數(shù)據(jù)進行實時解算，并將解算結(jié)果發(fā)送給數(shù)據(jù)展示子系統(tǒng)。變形分析模塊利用各監(jiān)測站解算出來的形變量解析得到用戶設(shè)定的形變閾值，若某一監(jiān)測站的形變量超過該閾值，則變形分析模塊向預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)發(fā)送形變的預(yù)警信號。其位置解算流程如圖6所示。

圖6 位置解算流程

3 實驗與結(jié)果分析

亞中超高壓變電站氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備BDS形變監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計和建設(shè)完工后，出現(xiàn)了很強的多路徑誤差干擾問題，其最初結(jié)果不夠理想，接收的原始數(shù)據(jù)質(zhì)量不高。

現(xiàn)場利用Leica SpiderQC v6.0軟件進行原始數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，尋找影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的根源[16]。

圖7為BDS的細(xì)節(jié)測試。在多路徑效應(yīng)1（multipath，MP1）顯示值為0.98 m；在MP5b顯示值為0.79 m；這2方面值都高于臨界值0.5 m。測試結(jié)果顯示多路徑測試失敗。

圖7 多路徑測試

圖8顯示在不同衛(wèi)星高度角的條件下，多路徑在不同頻段下的影響。在現(xiàn)場，從高度角15°開始都受到多路徑的影響，一直持續(xù)到90°高度角。測試得出數(shù)據(jù)不能達(dá)到監(jiān)測要求的結(jié)論。

圖8 多路徑在各高度角的影響

經(jīng)過現(xiàn)場的設(shè)備測試和調(diào)整過程，本項目最終克服現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境的影響，得到穩(wěn)定的原始數(shù)據(jù)，能夠保證氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備形變檢測設(shè)備的高準(zhǔn)確度等級解算[17]。

圖9為進行設(shè)備調(diào)整和軟件升級后BDS的細(xì)節(jié)測試。報告顯示多路徑測試通過。在MP1顯示值為0.46 m；在MP5b顯示值為0.35 m；這2方面值都低于臨界值0.5 m。

圖9 多路徑測試

圖10顯示在不同衛(wèi)星高度角的情況下，多路徑在不同頻段下的影響。高度角15°開始受到多路徑微弱的影響，高度角30°開始不受多路徑的影響且一直持續(xù)到90°高度角。測試得出數(shù)據(jù)可達(dá)監(jiān)測要求的結(jié)論[18]。

圖10 多路徑在各高度角的影響

經(jīng)實地調(diào)研和數(shù)據(jù)測試，初步分析結(jié)果如表1所示。

表1 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果表

續(xù)表1

由表1可知，本項目數(shù)據(jù)測試結(jié)果良好，實際現(xiàn)場對衛(wèi)星的實際接收個數(shù)無太大影響，但是對實際數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度等級有部分影響，可以通過BDS高精度定位技術(shù)對氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備進行監(jiān)測。

4 結(jié)束語

超高壓變電站氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備BDS形變監(jiān)測系統(tǒng)，利用衛(wèi)星高準(zhǔn)確度等級差分定位原理，結(jié)合變電站氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)對高壓變電站氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備的形變狀態(tài)的實時監(jiān)控，并對該設(shè)備形變趨勢起到的監(jiān)控和預(yù)警管理的作用。本系統(tǒng)功能完整、運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)采集迅速準(zhǔn)確，通過預(yù)先設(shè)置的閥值，系統(tǒng)自動實時地反饋出設(shè)備形變的狀態(tài)和趨勢，并給出相應(yīng)的告警信息，運維人員可以非常直觀地通過平臺操作界面，直接觀察和提取相應(yīng)監(jiān)測點的數(shù)據(jù)信息，方便及時了解設(shè)備狀態(tài)，提高維護的響應(yīng)速度，降低故障的發(fā)生率[19]。通過對國家電網(wǎng)內(nèi)實際案例的數(shù)據(jù)分析及驗證，證明此系統(tǒng)在相應(yīng)的場景下進行推廣的可行性。

[1] 周忠謨, 易杰軍, 周琪. GPS衛(wèi)星測量原理與應(yīng)用[M]. 北京: 測繪出版社，1999: 19-35.

[2] 陳永奇. 單歷元GPS變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法的研究[J]. 武漢測繪科技大學(xué)學(xué)報, 1998, 23(4): 324-328.

[3] 余學(xué)祥. GPS變形監(jiān)測信息的單歷元解算方法研究[J]. 測繪學(xué)報, 2002, 31(2): 123-127.

[4] 李征航. 利用GPS進行高精度形變監(jiān)測的新模型[J]. 測繪學(xué)報, 2002, 31(3): 206-210.

[5] 徐紹銓, 張華海, 楊志強, 等.GPS測量原理及應(yīng)用[M]. 武漢: 武漢大學(xué)出版社, 2014: 100-114.

[6] 李征航, 黃勁松. GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M]. 武漢: 武漢大學(xué)出版社, 2005.

[7] 劉大杰, 施一民, 過靜珺. 全球定位系統(tǒng)(GPS)的原理與數(shù)據(jù)處理[M]. 上海: 同濟大學(xué)出版社, 1996.

[8] 劉基余. GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2003.

[9] 余學(xué)祥. GPS變形監(jiān)測信息獲取方法的研究與軟件研制[D].武漢: 武漢大學(xué), 2002.

[10] CORBETT S J, CROSS P A. GPS single epoch ambiguity resolution[J]. Survey Review, 1995, 33(257): 149-160.

[11] DELOACH S. Continuous deformation monitoring with GPS[J].Journal of Surveying Engineering, 1989, 115(1): 93-110.

[12] LOVSE J W. Dynamic deformation of tall struction using GPS[J].Journal of Surveying Engineering, 1995, 121(2):1165-1172.

[13] 李征航, 徐紹銓. GPS在形變監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測繪信息與工程, 2002, 27(3): 32-35.

[14] 陳永奇, 吳子安, 吳中如. 變形監(jiān)測分析與預(yù)報[M].北京:測繪出版社.1997.

[15] 余學(xué)祥, 徐紹銓, 呂偉才.擬單差模型的誤差分析與算法改進[J].鐵路航測, 2002, 28(3): 1-4.

[16] 侯慧, 周建中, 張勇傳, 等.應(yīng)對災(zāi)變的電力應(yīng)急指揮平臺及其在廣東省的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護與控制, 2010, 38(17): 158-163.

[17] 羅劍波, 郁琛, 謝云云, 等.關(guān)于自然災(zāi)害下電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定防御方法的評述[J].電力系統(tǒng)保護與控制, 2018, 46(6), 158-170.

[18] 李震宇, 武國亮, 王志利, 等. 電力微氣象風(fēng)偏災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)及系統(tǒng)實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)保護與控制, 2017, 45(1): 125-131.

[19] LI C, LI B, GUO F R, et al.Studies on the active SISFCL and its impact on the distance protection of the EHV transmission line[EB/OL].[2019-05-28].https://link.springer.com/article/10.1186/s41601-016-0028-7.

Application of BDS in deformation monitoring for gas insulated swichgcar

DING Yang1, LUO Wenhua1, GONG Ruibang1, LI Xiaoguang1, LI Jinliang1, ZHU Guohua2, HUANG Haihui2, FENG Weiguo2, MA Xiao3

（1. Xinjiang Electric Power Company Research Institute, Urumchi 830000, China; 2. Beijing UniStrong Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100089, China; 3. China Electric Power Research Institute Co., Ltd., Beijing 100192, China）

Aiming at the problem that it is difficult to obtain the complete and timely device status information of gas insulated swichgcar for traditional methods in deformation monitoring, leading to unable to accurately control the equipment, which must influence the substation’s safe operation, the paper proposed to use BDS independently developed by China to realize the intelligent detection of the gas insulated swichgcar, and designed a BDS deformation monitoring system for the gas insulated swichgcar of the EHV substation. Experimental result showed that the proposed system could efficiently monitor and pre-warn the deformation of equipment.

extra high voltage (EHV) substation; gas insulated swichgcar; base station arrangement; monitoring station arrangement; deformation system of BeiDou navigation satellite system

P228

A

2095-4999(2020)02-0096-05

丁楊，羅文華，宮瑞邦，等. BDS在氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備形變監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報, 2020, 8(2): 96-100.（DING Yang, LUO Wenhua, GONG Ruibang, et al. Application of BDS in deformation monitoring for gas insulated swichgcar[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2020, 8(2): 96-100.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20200216.

2019-07-31

丁楊（1989—），男（回族），寧夏銀川人，本科，助理工程師，研究方向為高壓設(shè)備狀態(tài)檢測。

楊凱（1983—），男（回族），河北邯鄲人，本科，項目經(jīng)理，研究方向為BDS定位終端在電力巡檢中的應(yīng)用。