國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南通供電分公司 陸春鋒 韓耀東

供電企業(yè)為了保證既滿足人們的日常生活需求，還需要向用電用戶提供非常安全穩(wěn)定的電力供應(yīng)服務(wù)，不斷地對電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容增量，引入先進(jìn)的新型技術(shù)以及新設(shè)備。在電網(wǎng)系統(tǒng)中電力輸送是電力從發(fā)電、輸電、變電以及配電整個環(huán)節(jié)中的重要部分，電力的輸送主要是通過電網(wǎng)線纜進(jìn)行輸送的。在電網(wǎng)線路的敷設(shè)過程中為減輕電纜敷設(shè)的難度和減少電纜間牽引力的相互作用，在實(shí)際的敷設(shè)過程中在間隔一定的距離后就需要電纜接頭對其進(jìn)行連接。在目前的電力事故調(diào)查中，電纜的故障導(dǎo)致的電力事故占據(jù)著絕大部分的因素。

在電力設(shè)備中，配電電纜作為其中的關(guān)鍵裝備，在實(shí)際的使用過程中經(jīng)常會由于內(nèi)部雜質(zhì)、電荷積累等原因形成電場集中。電場集中會導(dǎo)致電纜產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，影響配電電纜的運(yùn)行狀態(tài)。據(jù)此通過利用局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效地對配電電纜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，判斷電纜的老化情況，增強(qiáng)配電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性[1]。

1 配電網(wǎng)電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理綜述

配電網(wǎng)中電纜故障在電力系統(tǒng)故障中的占比是非常高的，且配電網(wǎng)電纜故障極易造成比較大的電力系統(tǒng)故障，對我國的經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重的影響，因此對配電網(wǎng)的電纜開展在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用非常之有必要，通過配電網(wǎng)電纜在線檢測系統(tǒng)能夠有效地保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

電力系統(tǒng)電纜在日常的運(yùn)行過程中，在輸送電能的過程中會表征出聲、光、熱、電磁等特征，通過表征出的特征能反應(yīng)出配電網(wǎng)電纜的運(yùn)行狀態(tài)，這些狀態(tài)可根據(jù)發(fā)熱、局部放電、接地環(huán)流、振動、超聲波、電磁波等狀態(tài)量來監(jiān)測，通過監(jiān)測就能夠達(dá)到發(fā)現(xiàn)配電網(wǎng)電纜狀態(tài)的目的。配電網(wǎng)電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)采用局部放電及溫度測試手段對電纜接頭進(jìn)行監(jiān)測，目標(biāo)在于在運(yùn)行條件下對接頭進(jìn)行狀態(tài)診斷、缺陷部位的精確定位、缺陷程度的定量分析，提高電力電纜運(yùn)行的可靠性。配電網(wǎng)電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)在上述原理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)如下。

通過安裝電容耦合傳感器（在電纜接頭裝有防爆殼情況下，電容耦合主副傳感器分別包裹在電纜接頭兩側(cè)，盡量選擇接頭兩側(cè)1米范圍之內(nèi)；在電纜接頭無防爆殼情況下，主傳感器包裹在電纜接頭上的一側(cè)，副傳感器包裹在電纜接頭另一側(cè)外電纜本體上，盡量選擇距離接頭1米范圍之內(nèi)）來耦合電纜接頭的局部放電脈沖電流信號（每一個中間接頭需配置2套電容耦合傳感器，其中1套安裝于監(jiān)測點(diǎn)位用于采集局部放電信號，另1套安裝于電纜隧道的其他電纜回路上，主副傳感器的兩部分距離與電容耦合傳感器兩部分距離保持一致且平行安裝，若被監(jiān)測電纜附近無其他電纜，則可將噪聲傳感器安裝在所監(jiān)測電纜距離電容耦合傳感器5m 處，用于采集噪聲信號）。

耦合到的脈沖信號通過同軸電纜傳送至監(jiān)測裝置，對模擬信號經(jīng)過放大、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后變成數(shù)據(jù)信號，再通過NB-IOT 傳送至服務(wù)器。服務(wù)器對不同傳感器的信號分別進(jìn)行不同分析、計(jì)算，并將這些通過計(jì)算獲得的放電信號數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)庫中，經(jīng)多次采集后，從數(shù)據(jù)庫提取數(shù)據(jù)進(jìn)行譜圖分析和數(shù)據(jù)報(bào)表，并在虛擬檢測系統(tǒng)的面板上顯示。圖1所示為被測電纜接頭裝有防爆殼且被測電纜周圍有其他電纜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

組成在線檢測系統(tǒng)的零部件數(shù)量及功能如下：電容耦合傳感器2套，高頻電流信號耦合；溫度傳感器1只，獲取被測位置溫度信號；局放及溫度監(jiān)測裝置1個，局部放電及溫度監(jiān)測裝置內(nèi)含超低功耗微控制器，可實(shí)現(xiàn)對傳感器耦合到的信號進(jìn)行高速同步采集，并將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給服務(wù)器；NB-IOT 1個，將數(shù)據(jù)傳輸至云端或服務(wù)器。

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能、特點(diǎn)及優(yōu)勢

配網(wǎng)電纜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過對配電電纜的接頭以及相關(guān)局部放電的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的檢測和記錄，形成測試譜圖、放電趨勢圖，以此來實(shí)現(xiàn)對配電電纜的物理狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，為后續(xù)的檢修工作做出準(zhǔn)備[2]。系統(tǒng)采用脈沖識別、噪聲自主學(xué)習(xí)、50/100Hz 相關(guān)性、特征聚類、頻率特征分析、報(bào)警等多種智能數(shù)據(jù)處理算法，使測試數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

本系統(tǒng)采用外置式局放傳感器（電容耦合傳感器），可廣泛應(yīng)用在無接地線引出的電纜接頭上，安裝方便。本系統(tǒng)采用超低功耗設(shè)計(jì)，可采用電池供電、太陽能供電方式為裝置提供電能。監(jiān)測裝置可選用IP68設(shè)計(jì)，具有良好的防水性能，即便在2米水深的環(huán)境中也能穩(wěn)定有效的工作，可有效監(jiān)測到電纜的運(yùn)行情況，對保證電力電纜的安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要意義。

2.2 系統(tǒng)主要組件

局部放電采集裝置。內(nèi)含超低功耗微控制器，提供了更優(yōu)越的性能、更大容量的內(nèi)置存儲器。采集裝置可實(shí)現(xiàn)對電容耦合傳感器耦合到的信號進(jìn)行高速同步采集，并將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給監(jiān)測主機(jī)；電容耦合傳感器。傳感器采用開合式結(jié)構(gòu)，可直接包裹在被測量的導(dǎo)體上來耦合高頻電流信號，靈敏度高、安裝方便，無須破壞導(dǎo)體。該傳感器具有極佳的瞬間反應(yīng)能力和高頻特性，可廣泛應(yīng)用在無接地線引出的電纜中間接頭上（圖2）。

圖2 電容耦合傳感器實(shí)物圖

電容耦合傳感器性能參數(shù)如下：電容耦合傳感器，檢測范圍20pC～10000pC，靈敏度20PC，傳輸方式為同軸電纜，接頭類型TNC，防護(hù)等級IP68，尺寸60～150mm，安裝位置在高壓電纜中間接頭，安裝方式為開合式包裹于電纜表層，環(huán)境溫度－25～70oC，環(huán)境濕度≦95%，海拔高度≦4500m。

溫度傳感器。采用高精度工業(yè)級高精度溫度傳感器，它集溫度測量、A/D 轉(zhuǎn)換為一體，其溫度測量范圍從-55～125oC，可在1s 內(nèi)將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，該傳感器可直接讀取被測物體的溫度，并可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式；并由其組建的溫度測量單元體積小，使用方便靈活，便于攜帶和安裝（圖3）。溫度傳感器性能參數(shù)如下：檢測范圍－55～+125oC，靈敏度±0.5oC，供電方式3～5V/DC，防護(hù)等級IP68，尺寸20×7、5×3.5mm，安裝位置在高壓電纜中間接頭，安裝方式膠沾及捆扎，環(huán)境溫度－55～125oC，環(huán)境濕度≦95%，海拔高度≦4500m。

圖3 溫度傳感器實(shí)物圖

監(jiān)測主機(jī)。安裝在監(jiān)測主機(jī)上的局部放電在線監(jiān)測軟件主要功能是進(jìn)行通信控制、數(shù)據(jù)收發(fā)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、存儲、展示，實(shí)現(xiàn)對所有采集節(jié)點(diǎn)的同步采集控制、數(shù)據(jù)收發(fā)控制。監(jiān)測主機(jī)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)幅值或頻次、高頻分量等出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)。系統(tǒng)完整還原歷史趨勢圖，方便用戶進(jìn)行趨勢分析，為用戶的運(yùn)維提供有力保障；供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)可采用鋰電池供電，可保證系統(tǒng)在不需要充電的情況下正常連續(xù)2年；野外供電可定制光伏發(fā)電系統(tǒng)來供電。太陽能供電系統(tǒng)通過太陽能電池板給蓄電池充電，通過蓄電池給局放采集器供電。

圖4 NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 NB-IoT 通訊模塊

NB-IoT 屬于LPWA 技術(shù)的一種，它具備了強(qiáng)覆蓋、低成本、小功耗、大連接這四個關(guān)鍵特點(diǎn)。由于NB-IoT 的引入，給LTE/EPC 網(wǎng)絡(luò)帶來了很大的改進(jìn)要求。傳統(tǒng)的LTE 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)主要是為了適應(yīng)寬帶移動互聯(lián)網(wǎng)的需求，亦即為用戶提供高帶寬、高響應(yīng)速度的上網(wǎng)體驗(yàn)。但是NB 卻具有顯著的區(qū)別：終端數(shù)量眾多、終端節(jié)能要求高（現(xiàn)有LTE 信令流程可能導(dǎo)致終端耗能高）、以小包收發(fā)為主（會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)信令開銷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)載荷傳輸本身大?。?、可能有非格式化的Non-IP 數(shù)據(jù)（無法直接傳輸)等。

NB-IoT 終端：通過空口連接到基站；eNodeB：主要承擔(dān)空口接入處理、小區(qū)管理等相關(guān)功能，并通過S1-lite 接口與IoT 核心網(wǎng)進(jìn)行連接，將非接入層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給高層網(wǎng)元處理。這里需注意，NB-IoT 可獨(dú)立組網(wǎng)，也可與EUTRAN 融合組網(wǎng)（NB 僅能支持FDD，所以這里必定跟FDD 融合組網(wǎng)）；IoT 核心網(wǎng)：承擔(dān)與終端非接入層交互的功能，并將IoT 業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到IoT 平臺進(jìn)行處理。同理這里可NB 獨(dú)立組網(wǎng)，也可與LTE 共用核心網(wǎng)；IoT 平臺：匯聚從各種接入網(wǎng)得到的IoT 數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同類型轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用器進(jìn)行處理；應(yīng)用服務(wù)器：是IoT 數(shù)據(jù)的最終匯聚點(diǎn)，根據(jù)客戶的需求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

配電網(wǎng)的電纜在線檢測系統(tǒng)需要通過人機(jī)交互界面對配電網(wǎng)的電纜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，通過硬件設(shè)備對配電網(wǎng)電纜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過將模擬型號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，數(shù)字信號在通過NB-IoT 通訊模塊將信息傳遞到系統(tǒng)監(jiān)測主機(jī)，檢測主機(jī)通過在其內(nèi)部預(yù)制的相關(guān)軟件和系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置分析，將其通過圖表或是數(shù)字的形式反映出來，反應(yīng)出配電網(wǎng)電纜的相關(guān)運(yùn)行情況。監(jiān)測列表界面顯示信息包括：電纜名稱、設(shè)備編號、通道號、幅值1、幅值2、頻次、報(bào)警及更新時(shí)間，點(diǎn)擊“歷史數(shù)據(jù)”列的按鈕即可快速進(jìn)入歷史數(shù)據(jù)界面。

配電網(wǎng)電纜在線監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)中要將電纜的相關(guān)信息進(jìn)行存儲，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過文本或者是圖表的形式將其存儲到數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫中，在數(shù)據(jù)庫中，供電企業(yè)的相關(guān)工作人員能夠通過軟件系統(tǒng)的人機(jī)交互界面將相關(guān)信息進(jìn)行顯示，調(diào)取歷史數(shù)據(jù)，通過對歷史數(shù)據(jù)的查看和研究分析配電網(wǎng)電纜在實(shí)際的工作狀態(tài)的變化以及狀態(tài)的判定，提高工作人員對配電網(wǎng)電纜的深入了解。當(dāng)供電企業(yè)工作人員進(jìn)行操作時(shí)，需在歷史數(shù)據(jù)界面選擇“設(shè)備編號”、“開始日期”及“結(jié)束日期”，點(diǎn)擊“查詢”按鈕，即可查詢目標(biāo)設(shè)備該時(shí)間段的歷史數(shù)據(jù)，包括“幅值頻次趨勢圖”、“PRPD”圖譜及“PRPS”圖譜。

4 結(jié)語

在進(jìn)行電纜接頭局部放電帶電測試時(shí)，采用便攜式無線雙通道局放檢測儀可以有效地檢測出電纜接頭出現(xiàn)的局部放電信號，及時(shí)對電纜接頭的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面分析、綜合判斷，避免故障發(fā)生。

本文通過對配電網(wǎng)電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)的原理功能設(shè)計(jì)，分析配電網(wǎng)電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)所涉及到的功能，在功能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對配電網(wǎng)電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行選型，確定了配網(wǎng)電纜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)局部放電采集裝置、電容耦合傳感器、溫度傳感器以及供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選取了各項(xiàng)裝置的實(shí)際實(shí)物并闡述了其參數(shù)性能，為下節(jié)的軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

在配電網(wǎng)電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，選取采用NB-IoT 通訊模塊為基礎(chǔ)的軟件系統(tǒng)，通過對人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，通過人機(jī)交互界面其能夠完成配電電纜的實(shí)時(shí)狀態(tài)查詢功能，還有利用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行歷史狀態(tài)的查詢功能，有助于促進(jìn)供電企業(yè)相關(guān)工作人員對整個系統(tǒng)進(jìn)行充分的了解，提高供電企業(yè)工作人員的工作效率。同時(shí)系統(tǒng)監(jiān)測主機(jī)遵從智能電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輸電線路在線監(jiān)測信息連接、交互、貫通和統(tǒng)一物聯(lián)管理。