輸配電避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)的分析與設(shè)計

王 剛，張 強

(鐵嶺供電公司，遼寧 鐵嶺 112000)

20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的金屬氧化物避雷器(MOA)具有保護特性好、通流容量大和結(jié)構(gòu)簡單可靠等優(yōu)點，可為電力設(shè)備提供更好的保護水平和更大的保護裕度，在城市配電網(wǎng)中得到廣泛運用，正逐步取代炭化硅避雷器，但在實際運行中，MOA的使用面臨監(jiān)測較難等問題。

我國電力系統(tǒng)對避雷器檢測采用預(yù)防性試驗方式，一般通過停電試驗可檢查出來，但停電試驗不可靠，也不經(jīng)濟。在配電網(wǎng)中，進(jìn)行停電試驗更加不合時宜。配電網(wǎng)線路分布廣，避雷器數(shù)量眾多，對每個避雷器進(jìn)行逐一檢測需要消耗大量人力、物力，還會造成停電，同時也不能排除2次預(yù)防性試驗間避雷器損壞的可能。現(xiàn)今，經(jīng)濟發(fā)展對用電可靠性和電能質(zhì)量的要求斷提高，在MOA發(fā)生事故后進(jìn)行更換的做法已不能被用戶接受。對MOA進(jìn)行在線監(jiān)測是解決這一問題的有效途徑，通過在線監(jiān)測與帶電測試并由此確定是否停電，能夠有效發(fā)現(xiàn)MOA受潮和老化等缺陷;通過在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與同一設(shè)備連續(xù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可進(jìn)一步判斷屬于何種潛在性故障，通過在線監(jiān)測還可以在不斷電的情況下隨時了解MOA的運行性能，及時發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象和事故隱患，對檢測結(jié)果做出正確判斷，采取相應(yīng)防范措施。因此，研究MOA在線檢測技術(shù)十分必要［1－3］。

1 配電網(wǎng)避雷器在線監(jiān)測通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案

1.1 數(shù)據(jù)傳輸要求

避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的傳輸提出了很高要求，主要可分為如下3個方面。

a． 抗干擾能力。避雷器多設(shè)備于戶外，工作環(huán)境較差;同時，由于靠近高壓線，電磁干擾強烈，需要通信設(shè)備具有良好的電磁兼容性。

b． 可靠性和實時性。通信系統(tǒng)是在線監(jiān)測系統(tǒng)的神經(jīng)線，系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)采集和分析處理都需要借助于通信系統(tǒng)來實現(xiàn)。在線監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是對避雷器運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，要求反應(yīng)時間越短越好，處理過程越快越好，這樣就對通信系統(tǒng)的可靠性和實時性提出了較高要求。

c． 建設(shè)成本。配電網(wǎng)中避雷器使用量大，通信系統(tǒng)的通信端口必須涉及到每個避雷器，這樣將造成通信網(wǎng)的覆蓋面積很大，線路很長，是一項投資巨大的工程。因此，必須選用合理的通信方式，盡量降低成本。

1.2 主要通信方式

目前，避雷器在線監(jiān)測通信方式主要有光纖通信、電力線載波通信、無線通信，都各具特點。光纖通信的高傳輸速率、高可靠性和超低損耗是其它通信方式難以比擬的，已成為電力通信骨干網(wǎng)的主要傳輸方式，但要成為避雷器在線監(jiān)測通信的主要方式，光纖通信還有很大的技術(shù)劣勢。首先，要廣泛鋪設(shè)光纖，成本過高是難以克服的問題;其次，如果電力特種光纜與電力線同桿架設(shè)，出現(xiàn)中斷時需要停電檢測，且周期較長，這在直接面向用戶服務(wù)的配電網(wǎng)中是需要避免的。電力線載波通信是一種傳統(tǒng)的電力通信方式，具有投資小、易維護的優(yōu)點，但其干擾嚴(yán)重、時變衰減大、阻抗變化大，目前尚不能為避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)提供高速、穩(wěn)定、可靠的通信鏈路。無線通信GPRS/CDMA，近年來得到了廣泛應(yīng)用，但采用第2方服務(wù)存在成本高、信息安全性差的缺點，且GPRS/CDMA大多存在較高的時延，不一定滿足在線監(jiān)測系統(tǒng)要求［4－5］。

相對于上述3種配電網(wǎng)通信方式，Wi-fi/Zigbee技術(shù)具有一些獨特的優(yōu)點。在通信網(wǎng)絡(luò)方面主要研究Wi-fi主干網(wǎng)與Zigbee局部網(wǎng)組成的網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸、接口設(shè)備和運行特性等。

2 新型避雷器在線監(jiān)測終端的選擇

目前，避雷器在線監(jiān)測終端的功能已由單一信號的狀態(tài)監(jiān)測與識別發(fā)展為功能多樣化和集成化，主要有如下幾個方面。

a． 避雷器內(nèi)部溫度、電流、電壓信號檢測功能。對避雷器的泄漏電流、阻性電流、電網(wǎng)電流和電壓等特征量進(jìn)行測量。

b． 數(shù)據(jù)記錄與處理功能。對以往的避雷器運行工況中的泄漏電流、阻性電流、溫度和電網(wǎng)運行工況進(jìn)行記錄并存儲，作為判斷避雷器狀態(tài)信息，便于對避雷器運行狀態(tài)進(jìn)行綜合分析。

c． 保護功能。配電網(wǎng)過電壓防護，防止出現(xiàn)過電壓時避雷器未損壞而自監(jiān)測裝置發(fā)生故障的情況，有效防護了過電壓對自監(jiān)測裝置的威脅;過電壓誤動防護，配網(wǎng)系統(tǒng)允許單相接地故障持續(xù)運行2 h，自監(jiān)測裝置要保證不因泄漏電流增大而誤動;對表面污穢導(dǎo)致誤動的防護，外表污穢在濕度較大時可能使泄漏電流增大幾倍，極有可能導(dǎo)致誤動。在污穢嚴(yán)重地區(qū)，采用屏蔽環(huán)將MOA表面泄漏直接旁路入地，以減少誤動。

d． 檢修決策功能。避雷器在線監(jiān)測最重要的應(yīng)用是監(jiān)測避雷器的運行狀態(tài)，判斷其是否產(chǎn)生缺陷，是否應(yīng)立即進(jìn)行檢修，減小檢修的盲目性，提高檢修效率。

e． 集成功能。終端、開關(guān)在線監(jiān)測智能單元和站內(nèi)其它智能設(shè)備的集成，新型避雷器在線監(jiān)測終端應(yīng)保證實現(xiàn)上述功能所需要的硬件軟件設(shè)備，包括信號傳感、軟件編制、硬件電路、通信接口、電源、人機接口、電磁兼容、可靠性、安裝調(diào)試維護問題等［6－7］。

3 避雷器故障在線監(jiān)測與決策算法研究

避雷器在線監(jiān)測與決策算法的關(guān)鍵是對特征信號的處理。由于避雷器運行環(huán)境復(fù)雜多變，以及缺乏對避雷器狀態(tài)惡化過程機理的全面認(rèn)識，對特征信號的理解和運用存在片面性，導(dǎo)致現(xiàn)有的單一信號判據(jù)都無法適應(yīng)而導(dǎo)致誤判和漏判。理論研究和現(xiàn)場錄波數(shù)據(jù)表明，阻性電流中含有大量高頻分量，如果能提出一種精確的數(shù)學(xué)模型，從理論上推導(dǎo)阻性電流判據(jù)，對在線監(jiān)測是極為有利的［8］。同時避雷器溫度的測量受環(huán)境的干擾很大，如果能選擇合適的傳感器、進(jìn)行高精度測量，并研究一個合適的數(shù)據(jù)處理算法對溫度信號進(jìn)行處理，將使在線監(jiān)測精度大大提高。

A/D精度和速度的提高及DSP芯片技術(shù)的成熟，對于特征信號和狀態(tài)評估的計算將更為有利。而特征信號的測量成為提高狀態(tài)估計精度的關(guān)鍵因素。采用先進(jìn)的新型傳感器可極大地提高在線監(jiān)測效率和精度。

單判據(jù)阻性電流已無法滿足現(xiàn)在的線監(jiān)測要求，研究多判據(jù)監(jiān)測理論是一個趨勢。小波理論、模糊集理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)學(xué)工具的應(yīng)用使判據(jù)的可靠性和自適應(yīng)性得到加強。但應(yīng)用這些先進(jìn)數(shù)學(xué)工具的前提是理解特征信號對避雷器狀態(tài)的作用機理，了解避雷器各種狀態(tài)條件下的溫度、電壓、電流特征等。

饋線自動化系統(tǒng)中的通信系統(tǒng)，為研究分布式避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。以前研究的阻性電流信號的單一判據(jù)原理都具有局限性，僅對某一特征進(jìn)行比較分析，只能反映避雷器在某一時期的自身狀態(tài)。現(xiàn)在，利用分布在饋線上的新型在線監(jiān)測終端強大的測量和計算功能，可取得多個狀態(tài)特征;利用監(jiān)測終端的通信功能，可將計算得到的狀態(tài)判據(jù)上傳給控制中心的子站系統(tǒng)，通過子站的分析判斷決定避雷器是否需要進(jìn)行檢修［9］。

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成與功能設(shè)計

避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)的核心是新型在線監(jiān)測終端的研發(fā)，新型在線監(jiān)測終端組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括光纖溫度互感器、數(shù)據(jù)采集與合并單元、微處理器模塊、通信模塊、故障檢測與處理模塊、高壓取電模塊、電池供電模塊，以及相應(yīng)的算法、軟件和架構(gòu)、安裝固定器件等，其功能主要有數(shù)據(jù)采集、通信、與主站配合進(jìn)行狀態(tài)判斷和預(yù)防檢修決策等。

圖1 避雷器在線終端組成結(jié)構(gòu)示意圖

避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)的先進(jìn)性和實用性主要體現(xiàn)在對關(guān)鍵技術(shù)的掌握上，關(guān)鍵技術(shù)主要包括適用于避雷器溫度測量的傳感器的選擇和應(yīng)用、適用于避雷器在線監(jiān)測的通信組網(wǎng)設(shè)備的開發(fā)及監(jiān)測與決策算法研究。前2個部分是基礎(chǔ)，后者是集成和關(guān)鍵，正因為前面的基礎(chǔ)才成就后面的關(guān)鍵，因此，該系統(tǒng)的監(jiān)測與決策算法的基本思路是在深入研究避雷器的各種特征量(泄漏電流、阻性電流和內(nèi)部溫度等)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用自適應(yīng)處理技術(shù)、信息融合技術(shù)和人工智能技術(shù)，研究高性能的避雷器在線監(jiān)測實用算法。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)論

對MOA的內(nèi)部溫度監(jiān)測為主，同時測量分析阻性電流和泄漏電流，利用傳感器將這些信號傳給避雷器在線監(jiān)測通信網(wǎng)進(jìn)行傳輸，將這些溫度信號采入計算機，用實用算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，對避雷器的運行工況做出較為客觀的反應(yīng)，對缺陷及隱患做出準(zhǔn)確判斷，實現(xiàn)對避雷器的在線監(jiān)測。

采用溫度傳感器研究新型避雷器在線監(jiān)測終端設(shè)備，應(yīng)用先進(jìn)的通信技術(shù)，研究避雷器在線監(jiān)測新算法，構(gòu)建避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)具有十分重要的理論價值和實際意義。本系統(tǒng)將有效提高電力系統(tǒng)安全運行水平，對電網(wǎng)安全和發(fā)展具有重要意義。

［1］ 陳繼東，林 盾．MOA在線監(jiān)測系統(tǒng)幾個問題的研究［J］．電瓷避雷器，2003，46(5):23－25．

［2］ 楊 升，常 越．基于CAN總線的MOA在線監(jiān)測系統(tǒng)［J］．高電壓技術(shù)，2003，29(5):29－30，44．

［3］ 李 虎，鄒建明．在線監(jiān)測技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用 ［J］．華中電力，2007，20(6):56－58．

［4］ 張宇輝．避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)研究 ［J］．科技風(fēng)，2009，22(21):240，251．

［5］ 王葉坤，黃洪全．一種新型分布式金屬氧化鋅避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)［J］．儀表技術(shù)，2008，37(7):29－31．

［6］ 萬四維，陳世元．氧化鋅避雷器阻性電流的在線監(jiān)測 ［J］．廣東電力，2005，18(12):65－68．

［7］ 云曉春．金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測技術(shù)比較［J］．信息與電腦 (理論版)，2010，4(12):153．

［8］ 常 越，錢家驪．LCD－4儀器檢測三相氧化鋅避雷器阻性電流的分析［J］．高電壓技術(shù)，1995，21(2):77－80．

［9］ 賈逸梅，粟福珩．在線監(jiān)測氧化鋅避雷器泄漏電流的方法［J］．高電壓技術(shù)，1991，17(3):30－35．