李曉芳 劉家兵 李從飛

摘? 要：文章設(shè)計(jì)了一種新型的架空線配網(wǎng)故障指示器，用于監(jiān)測輸電線路的局放及實(shí)時運(yùn)行參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)預(yù)防線路絕緣及短路故障。該裝置充分利用故障指示器安裝于架空線導(dǎo)線的位置優(yōu)勢和直接測量配電電流的功能優(yōu)勢，提出一種基于超聲波局部放電監(jiān)測原理和GPS/BD同步對時技術(shù)的架空線配網(wǎng)故障指示器，解決配網(wǎng)架空線路故障前監(jiān)測預(yù)警和故障后精確分析的問題。

關(guān)鍵詞：輸電線路;故障監(jiān)測;故障指示

中圖分類號：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）27-0100-04

Abstract： In this paper， a new type of overhead line distribution network fault indicator is designed to monitor the running status of transmission lines and respond to faults in a timely manner. This equipment takes advantage of the location advantage of the fault indicator installed on the overhead line conductor and the functional advantage of directly measuring the distribution current， and proposes an overhead line distribution network fault indicator based on the principle of ultrasonic partial discharge monitoring and GPS/BD synchronous time synchronization technology， so as to solve the problems of monitoring and early warning before distribution network overhead line failure and accuracy analysis after failure.

Keywords： transmission line; fault monitoring; fault indication

引言

我國城鄉(xiāng)輸電線路一般采用不同的輸送介質(zhì)，城市內(nèi)一般采用電纜，城市之間以及廣大的農(nóng)村地區(qū)，仍然使用架空線路（即傳統(tǒng)的電線桿輸電線路），架空裸導(dǎo)線輸電容易因短路，絕緣距離不足引發(fā)各種故障，例如電弧光，電擊穿等，故障發(fā)生點(diǎn)往往不易尋找，修復(fù)時間長。

目前已有部分架空線路采用故障指示器來實(shí)現(xiàn)輸電線路的監(jiān)測，但傳統(tǒng)故障指示器只提供一些簡單的故障指示信息，對故障原因、故障發(fā)生時的狀態(tài)均無從獲知，此類故障指示器依然只是故障后的指示裝置，并不能實(shí)現(xiàn)故障前的監(jiān)測和預(yù)警，故障原因分析也存在較大難度，改進(jìn)此類故障指示器，對國家輸電線路的發(fā)展具有重大意義。

本文利用故障指示器安裝于架空線導(dǎo)線的位置優(yōu)勢和直接測量輸電電流的功能優(yōu)勢，提出一種基于超聲波局放監(jiān)測原理和GPS/BD同步對時技術(shù)的故障指示器，解決了配網(wǎng)架空線路故障前監(jiān)測預(yù)警和故障后精確分析的問題。[1-2]

1 總體設(shè)計(jì)

故障指示器由電源單元、監(jiān)測單元、接口單元、主控制器和數(shù)據(jù)存儲器組成;電源單元包括取能模塊、儲能模塊和電源模塊;監(jiān)測單元包括溫度測量模塊、電流測量模塊、電壓測量模塊和局放檢測模塊;接口單元包括聲光指示模塊、GPS/BD模塊和無線通信模塊。指示器采用多種取能方式，且能實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)設(shè)備同步采樣，故障分析功能更為強(qiáng)大。[3]

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源單元

電源單元包括：取能模塊、儲能模塊、電源模塊;

取能模塊，儲能模塊和電源相連接，在本設(shè)計(jì)中，取能模塊采用3種取能方式，分別為線圈取能，光伏取能，電池取能。在取能時，支持一種或多種取能方式同時工作。

線圈取能，利用磁生電的原理，輸電線路中通入高壓交流電時，線圈周圍存在交變磁場，當(dāng)此輸電線路穿過線圈時，便會產(chǎn)生感應(yīng)電流，為裝置供能。

光伏取能，利用光伏生電的方式，為裝置供電，裝置上會外置一塊太陽能發(fā)電板，這塊電板會在接受到陽光照射時產(chǎn)生電能，為裝置供電。

電池取能，電池供能是本裝置最主要的功能方式，電池會在裝置其他取能方式獲取的電能不足時，提供電能。

儲能模塊，儲能模塊采用的是超級電容，超級電容在其他取能方式獲取的能量過剩時，將多余的電能儲存在電容中，同時超級電容中儲存的電能在取能不足時，會提供電能供裝置工作，目的就是最大程度的節(jié)約電能，延長裝置使用壽命。[4]

2.2 監(jiān)測單元

監(jiān)測單元包括溫度測量模塊、電流測量模塊、電壓測量模塊和局放檢測模塊。

溫度測量模塊，利用熱電偶測量導(dǎo)線的溫度變化，當(dāng)線路發(fā)生短路時，電流急劇增大，會在電路上產(chǎn)生大量的熱量，溫度監(jiān)測感受到溫度變化，會立即響應(yīng)，發(fā)送故障請求。

電流測量模塊，通電導(dǎo)線穿過裝置，裝置中電流傳感器能夠獲取線路中電流的大小和方向（相位），裝置會根據(jù)預(yù)先設(shè)定的電流參數(shù)判斷電流的狀態(tài)，一旦發(fā)生故障便會及時上報。

電壓測量模塊，通電導(dǎo)線穿過裝置，電壓傳感器能夠獲取線路中電壓的大小和方向（相位），裝置會根據(jù)預(yù)先設(shè)定的電壓參數(shù)判斷電壓的狀態(tài)，一旦發(fā)生故障便會及時上報。

局放檢測模塊，本裝置采用超聲波檢測的方法監(jiān)測導(dǎo)線絕緣損壞時，局部放電發(fā)出的高頻噪聲。

2.3 接口單元

接口單元包括聲光指示模塊、GPS/BD模塊和無線通信模塊。

聲光指示模塊，用于現(xiàn)場的故障指示，故障發(fā)生時間在白天時，翻牌告警;故障發(fā)生在夜晚，則LED燈閃爍警告。

GPS/BD模塊，負(fù)責(zé)接收衛(wèi)星的定位信號和授時信號，主控制器根據(jù)接收的信號，進(jìn)行時間同步和位置信息確認(rèn)。在后續(xù)的故障分析中，時間和地點(diǎn)的同步關(guān)系會影響到對故障問題的定位和原因判斷，三相電流的相位校準(zhǔn)也需要精確時標(biāo)。

無線通信模塊，采用物聯(lián)網(wǎng)通信方式NB-IOT進(jìn)行通信，連接裝置和后臺的系統(tǒng)服務(wù)器，方便操作人員觀察和監(jiān)測。

2.4 裝置的工作流程

當(dāng)裝置工作時，GPS/BD模塊會將其接收的定位和同步信息送至主控制器;監(jiān)測單元將其監(jiān)測到的各類數(shù)據(jù)送至主控制器，主控制器會根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的判斷，如果判斷為故障狀態(tài)，將會向聲光指示模塊發(fā)出告警，指示模塊隨即動作，閃燈或者翻牌。同時將告警信息和采集的數(shù)據(jù)一同打包通過無線通信模塊發(fā)送至后臺服務(wù)器。這些數(shù)據(jù)同時也會送至數(shù)據(jù)存儲器，作為原始數(shù)據(jù)保存。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

故障指示器的外殼，包括上部的金屬外殼和底部的中空塑料外殼，金屬外殼中藏有線圈，線圈和金屬外殼之間存在絕緣層，用來隔離線圈和金屬外殼。在上部金屬外殼貼近架設(shè)線的一側(cè)，環(huán)繞有場強(qiáng)電容的一級，此場強(qiáng)電容會和架空線相接觸，因此要求此場強(qiáng)電容必須為金屬材質(zhì)。

架空線導(dǎo)線穿過上部金屬外殼和底部塑料中空外殼之間的孔洞，底部塑料中空外殼的外底部安裝有太陽能光伏板，安裝時故障指示器可繞架空線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以便調(diào)節(jié)太陽能光伏板，使其朝向平均陽光最強(qiáng)的方向。調(diào)節(jié)完成后，要緊固安裝，以免指示器晃動甚至脫落。

4 功能設(shè)計(jì)

本裝置有四種工作模式：休眠模式，間歇工作模式，全速工作模式，強(qiáng)制喚醒模式。

休眠模式，當(dāng)取能模塊取能不足以為芯片工作供電，超級電容儲能不足，且導(dǎo)線供電為0A時，芯片進(jìn)入低功耗休眠模式，此時裝置不進(jìn)行采樣和通信工作。此時芯片耗電量為2.5uA/MHz間歇工作模式，取能模塊可以為芯片工作供能或者電容儲能充足，芯片進(jìn)入間歇工作模式，此時裝置的采樣頻率下降，通信模塊進(jìn)入待機(jī)模式。

全速工作模式，滿足以下條件之一，便進(jìn)入全速工作狀態(tài)：（1）取能模塊取電大于工作消耗;（2）電容無法繼續(xù)儲能;（3）導(dǎo)線輸電出現(xiàn)故障電流。此時裝置全速采樣，通信模塊打開，等待發(fā)送和接收。

強(qiáng)制喚醒模式，當(dāng)后臺需要與裝置通信，監(jiān)測此時狀態(tài)時，無論裝置處于何種狀態(tài)，強(qiáng)制進(jìn)入全速工作模式。[5]

4.1 故障機(jī)制設(shè)計(jì)

在一個周波內(nèi)采樣80個采樣點(diǎn)，輸入AD轉(zhuǎn)換，芯片監(jiān)測采樣點(diǎn)突變，一旦出現(xiàn)兩個突變點(diǎn)，即判定為線路故障。在程序中設(shè)定一個最大偏差參數(shù)t，一旦超過這個參數(shù)即判定為突變點(diǎn)。隨即記錄裝置的時間，IP地址，將此信息打包，發(fā)送至通信模塊，通信模塊向基站發(fā)送通信請求，建立鏈接。

4.2 低功耗設(shè)計(jì)

為了滿足長時間野外運(yùn)行，裝置采用了低功耗運(yùn)行模式，在低功耗運(yùn)行模式下，CPU需要RTC中斷來喚醒CPU工作，在一個RTC中斷周期中，完成：（1）采樣AD轉(zhuǎn)換;（2）故障判斷;（3）同步錄波;（4）后臺通信;（5）等待;（6）休眠;全部過程。

4.3 通信設(shè)計(jì)

本裝置采用NB-IOT方式通信，全稱為基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)，主要應(yīng)用在低速率，低功耗，大數(shù)據(jù)連接的物聯(lián)網(wǎng)。

通信模塊使用CN18S芯片，支持PSM和eDRX低功耗模式，共有四種通信狀態(tài)：通信鏈接狀態(tài)，空閑狀態(tài)，PSM狀態(tài)，eDRX狀態(tài)。

當(dāng)裝置進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺后，隨即進(jìn)入空閑狀態(tài)，再次啟動需要開啟激活定時器，定時器的時間設(shè)定為1/4個周波時間。如果定時器未被激活時，進(jìn)入PSM狀態(tài)，通信模塊只保留NB-ION的信息，發(fā)射接收功能關(guān)閉，即進(jìn)入休眠狀態(tài)，再次通信時，需要從PSM喚醒。在PSM狀態(tài)下，可能會有下行通訊數(shù)據(jù)的丟失。

當(dāng)裝置進(jìn)入通信等待章臺時，通信模塊進(jìn)入eDRX狀態(tài)，每隔一段時間監(jiān)聽一次PTW（尋呼時間窗口），PTW的大小在定時器中設(shè)定為100個周波長度。此種狀態(tài)在裝置間歇工作時使用，可以在保證通信的同時，最大程度上降低功耗。[6]

5 測試結(jié)果

5.1 采樣錄波測試

三相交流電的錄波波形，每一相相差120°，誤差在0.5°范圍內(nèi)，交流電輸出電流大小為160A，輸出波峰值為226.2A，誤差在0.1A以內(nèi)，其精度測試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)電流在10A以內(nèi)時，誤差小于0.2A，當(dāng)電流在30～100A范圍時，誤差小于1%，電流采樣精度滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 裝置能耗測試

本設(shè)計(jì)采用的電池為3.6V，8.5Ah的一次性鋰電池。按照能效75%計(jì)算，在裝置無外部取能的情況下，可以為裝置休眠狀態(tài)供能19.67年，完全滿足國家電網(wǎng)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)束語

傳統(tǒng)的故障指示器，由于其指示裝置故障簡單的監(jiān)測和分析，不能夠明確的分析故障原因和及時響應(yīng)故障，對突發(fā)故障的處理，很難得心應(yīng)手。本設(shè)計(jì)在現(xiàn)有故障指示器的基礎(chǔ)上增加GPS/BD通信功能，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)所有故障指示器的采樣同步，使得故障分析功能更為強(qiáng)大;同時故障指示器具備的局放檢測功能，通過對導(dǎo)線上的超聲波進(jìn)行監(jiān)測，能夠檢測導(dǎo)線放電情況，可以實(shí)現(xiàn)絕緣故障預(yù)警;故障指示器在取能方面采用了多種方式，可實(shí)現(xiàn)電流線圈取能、電壓場強(qiáng)取能、光伏取能，電池取能，同時采用超級電容進(jìn)行儲能，使得本裝置更加穩(wěn)定，工作時限更長，易于推廣應(yīng)用。

經(jīng)過測試，本次設(shè)計(jì)的架空線故障指示器的各種功能運(yùn)行良好，能夠很好的兼容和適應(yīng)多種工作場合，同時本次設(shè)計(jì)創(chuàng)新之處在于對現(xiàn)有技術(shù)中硬件模塊的改進(jìn)及其連接組合關(guān)系，而非僅僅是對硬件模塊中為實(shí)現(xiàn)有關(guān)功能而搭載的軟件或協(xié)議的改進(jìn)。所以，對本裝置日后的改進(jìn)更加容易，以適應(yīng)傳輸電網(wǎng)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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