高压线路智能故障监测及预警系统设计研究

2022-01-22廖林宏

电子测试 2021年24期

廖林宏

（福州万山电力咨询有限公司，福建福州，350100）

0 引言

高压线路的安全运行关系着整个电网的系统安全，故障是影响电网系统安全最为常见的事故之一。当高压线路发生故障时，查找和修复故障的时间较长，严重影响供电恢复。同时，在高压线路故障监测方面，现有的技术可以实现对金属接地故障的准确定位，但是无法完成对高阻性接地故障的准确判断，在此方面的故障监测需要做进一步的研究和提升。系统在故障预警方面多由人工巡视完成，但许多高压线路的架设环境极为复杂，很多人工巡视会受到限制和阻碍，但是如果高压线路的安全隐患不能及时解决，将有可能产生更大的安全事故。因此，对高压线路智能故障监测及预警系统的需求是非常迫切的。

1 概述

1.1 监测装置结构设计

高压线智能监测装置要监测的范围很广，如输电线路故障和故障前预放电行波电流等。由于行波电流的幅值范围和频率影响范围较为特殊（mA-kA，1KHz-5MHz）,因此对高压智能监测装置的要求较高。监测装置需要在两种电流波中使用不同的测量传感器，如图1所示在检测终端的两边分别安装了供电模块和调理模块来进行在线监测。在线检测装置主要由传感器、GPRS天线等组成，该部分统一由主控单元进行控制。监测工作主要由传感器进行电流采集，在通过传感器进行信号转换，将采集的电流转换为数字信号，再由通信模块进行信息传输，最终完成整个装置的所需电能[1]。

图1 在线监测外观结构示意图

1.2 监测装置工作原理

（1）系统的传感器模块主要由两个传感器组成，在通过相关准则来测量行波电流。其中，传感器1的主要作用是根据高压线的故障电流和工频电流来判断电场信息，进而选择空心结构。传感器2的主要功能是测量高频小信号隐患放电电流，由于该电流较为特殊，传感器1的空心线圈无法满足其要求，因此传感器2的材料多为高磁导率的材料，以此来代替空心结构。

（2）调理模块与供电模块并列安置于监测结构外部，其主要作用是当传感器模块获取外部信号并准备进行传输时，对传感器中掺杂的无效波形进行过滤，也就是俗称的“滤波”。经过条例模块“滤波”以后的有效波形的幅值也会一定程度上获得提升和方法，最终将传感器模块采集的电流模拟信号串入A/D转换器中，为高压线路智能故障检测和预警提供数据支持，供通信模块传输至操作人员显示端。

（3）GPS天线模块融合了4G、5G等功能，在高压线路智能故障监测及预警系统中多处存在，如数据采集装置、通信模块等，主要负责对系统产生的数据进行无线传输和通信。经本文的针对性配置以后，该模块可以不经过人工桥接自动组建无线传感器网络，实现高压线路故障监测的智能化信息传输。另外，根据不同系统的精准定位差异需求，本次构建的GPS天线模块还能够给出采集波形的GPS绝对时间，方便工作人员在进行故障定位和故障预警时进行数据分析。

（4）CT取电模块位于调理模块旁边，主要通过环形超微晶铁芯从高压线路导线上进行在线取电，也可以通过系统匹配的太阳能电池板实现取电，最大程度保证智能化故障检测与预警系统能够全天候作业。在到西安工作电流范围内，CT取电模块能够位系统提供稳定的+4.2V直流电压，从而保证系统全天候作业的供电稳定性。

2 高压线智能故障监测及预警系统

高压线智能故障监测是基于无线通信技术基础上的，再加上预警系统可以整体将总系统分为以下三个层次：监测终端节点、数据服务中心、远程监控中心。在该系统中GPRS天线是数据传输的重要部分，它将测量的数值及转化信息传送至数据服务中心；信息在数据服务中心进行处理和储存之后，在通过远程监控中心进行显示或者调取，该操作可以提高对高压线路现场工作人员的安全保护[2]。

2.1 监测终端硬件设计

2.1.1 监测终端的体系结构

如图2所示为高压线检测终端硬件示意图，该监测终端是由多个单元和模块组成。其中，电场传感单元的主要功能是起到转化作用，该单元在电磁场感应原理的基础上将电场强度转化为电压信号，再经过信号处理和环境中湿度值的修正后得到精确的电场值。微控制模块的主要作用是通过把控电场值与预警报警值进行比较，再通过数值比较判断是否发出警报。同时，在通过GPRS模块上传的数据进行远程监控和预警。

图2 高压线检测终端硬件结构图

2.1.2 电场传感单元设计

当前，在高压线路中电场传感器主要以电荷感应技术为参考，由两片平行的金属极板组成。当其工作环境处于工频电场时，极板电荷会通过电场的影响直接重新分布，进而产生感应电势差。然后根据信号处理模块得到的数据信息，可以推算出电场的基本信息。

2.1.3 GPRS通讯模块

GPRS通信模块在系统中的主要作用是传送信息，它将终端监测信息传输至数据中心，是从实现了高压线智能故障监测及预警系统的远程监控。该系统的实用环境较为复杂，因此需要稳定性好、功耗低等功能模块的支撑。该系统采用SIM808芯片作为基础来建立无线通信的，因此该系统的GPRS模块具有很好的抗干扰能力，可以实现自然环境较差的情况下的通信，并且它可以直接与监测终端进行连接，比较适用于高压线路智能故障监测及预警系统。

高压线智能故障监测及预警系统在硬件设计完成之后，需要嵌入软件设计，其工

2.2 监测终端的软件设计

作流程如图3所示。系统开始工作后，首先进行一系列操作的初始化阶段（时钟、通信模块等），然后系统开始工作采集电场信息，在通过信息转化部分将数据信息进行处理和分析，之后与电压的安全等级进行分析比较，若距离小于安全距离，系统就会发出警报，最后系统再将警报等信息通过GPRS模块传送至数据中心。

图3 高压线监测终端整体工作流程图

3 实验参数校准与分析

高压线路智能故障监测及预警系统主要通过微控制模块进行电压采集，而微控制模块的AD是电压采集的执行者。表1所示为利用该高压线路智能故障监测及预警系统进行第爱唱测量时获取的数值，在与电场标准值进行对比以后得到了该系统进行智能故障监测与预警的相对误差[3]。

表1 测量值相对误差表

高压线路智能故障监测及预警系统中的为控制模块内置ADC通道精度为12位，表中测量数据的相对误差最高为4%左右，低于5%，能够满足系统的日常工作需求。此外，本次进行测量实验所使用的设备为德国某企业生产的标准电场测试仪，其工作标准较高，能够高精度采集不同强度的电场。经过实验表明，本文所涉及的高压线路智能故障监测与预警系统工作线性度良好，可以投入使用。

同时，根据相关国标规定，如果高压线路所处的环境中为雨雪等相对湿度较大的天气，则需要消除气候、空气带来的湿度变化对测量结果准确性的影响。因此，本文对表1所示的数据进行了测量修正，按照大于80%的环境湿度分为 80%≤ RH＜ 85%、85%≤ RH＜ 90%、90%≤ RH＜ 95%、95%≤RH＜100%四个区间分别进行了数据修正和分析，结果表明修正以后的数据测量误差与表1所示的数据一致。表明该系统能够满足高湿度气候环境下的智能故障监测与预警需求。