輸電線路在線監測系統可靠性提升方法研究

王 睿，郭志廣，郎慶凱，鄭鵬超

（北京國網富達科技發展有限責任公司，北京100070）

0 引 言

輸電線路在線監測系統是智能電網建設輸電環節的重要組成部分，是實現輸電線路狀態運行檢修管理，提升生產運行管理精細化水平的重要技術手段［1］。輸電線路在線監測系統應用環境較為復雜，絕大部分裝置安裝在遠離城鎮的地方，地形復雜，自然環境惡劣，常出現高溫高寒等極端天氣情況；具有較強的電磁干擾、工頻磁場干擾等。這樣惡劣的應用環境對在線監測裝置的可靠性提出了較高的要求［2］。

1 系統構成及設計要求

1．1 系統構成

輸電線路在監測系統針對輸電線路運行狀態進行實時監控，可以實現線路覆冰、舞動、風偏、弧垂等運行狀態以及線路和桿塔所處微氣象環境的實時監測，在線路運行異常時發出預警，指導線路的運維與搶修。

輸電線路在線監測系統由監控終端、監控基站和監控平臺3部分構成，如圖1所示。監控終端安裝于桿塔或者導線上面，實現線路運行參數的采集；監控基站負責各路監控終端數據的收集、存儲、處理，并將監測數據通過無線公網傳輸到監控平臺；監控平臺部署于機房，實現數據的處理與展示。

圖1 輸電線路在線監測系統結構圖

1．2 可靠性設計要求

國家電網公司相關技術規范規定，輸電線路在線監測裝置的設計壽命應大于8年，平均無故障工作時間（MTBF）應不低于25 000 h，年均數據缺失率應不大于1%；應具有較強的環境適應性，具備防雨、防潮、防腐蝕、抗振、防雷、抗電磁干擾等性能；適應在－40℃～＋70℃的溫度范圍、高電磁干擾的環境下長期穩定工作。

1．3 常見故障分析

在輸電線路在線監測系統中，監控平臺安裝于機房，穩定性較高，并且維護方便，因此影響系統可靠性的因素主要集中于監控基站和監控終端，其常見故障集中于以下幾個方面［3］：

（1）硬件電路故障：嚴酷的環境溫度、強烈的電磁干擾、雷擊等外界干擾，長時間運行電子元器件的失效等造成裝置硬件電路的損壞。

（2）軟件故障：在強電磁干擾環境下軟件程序運行出現異常造成的死機、數據失效等現象。

（3）供電系統故障：由于運行環境的限制，在線監測系統只能采用太陽能方式供電，長時間陰雨天氣會造成供電暫時中斷；電池在惡劣環境下長時間運行會出現容量減小、負載能力降低、失效等現象，造成供電中斷。

（4）通訊系統故障：野外環境公網信號較弱，會出現通訊異常情況。

（5）機械及封裝故障：監控裝置在桿塔和導線上面的安裝固定、線纜的連接、機殼防水等因素導致在野外環境長期運行易出現異常，造成設備故障。

2 可靠性建模

根據可靠性設計理論及在線監測系統的常見故障，將在線監測系統分為主控電路板、監測終端、供電系統、通訊系統、外接傳感器等幾個功能模塊。由于MTBF是一個基本可靠性參數，任一個組成單元的故障都會導致系統故障，因此輸電線路在線監測系統的可靠性模型為一個串聯結構模型，功能框圖（圖2）和可靠性框圖（圖3）如下。

圖2 在線監測系統功能框圖

根據輸電線路狀態監測CMD的可靠性框圖，可以推得輸電線路狀態監測CMD的可靠性數學模型［4］：

式中，RS為輸電線路狀態監測CMD的可靠性；R1為基站ARM9主控板可靠性；R2為監測終端可靠性；R3為供電系統可靠性；R4為通訊系統可靠性；R5為外接傳感器可靠性。

3 可靠性提升方法

3．1 電路設計

按照產品可靠性設計理論進行梳理和優化。

（1）根據應用標準，從環境因素、人的因素、機器因素三個大的方面調研在線監測系統的應用條件，形成設計輸入條件，用以指導可靠性設計。

（2）按照可靠性設計流程，從器件選型、降額設計、冗余設計、電磁兼容設計等各個環節，對系統電路進行梳理、計算、核查，發現并解決在臨界或極端條件下可能會出問題的設計隱患［5］。其中系統電路除個別器件外，均按照一級降額進行選型和設計；設計了完全獨立于主控系統的狀態監控模塊，當主控系統出現異常及死機狀態時，可觸發斷電復位；部分易出問題的傳感器和電路采用了備份設計，在單個部件出問題的情況下，保證系統可以正常工作；按照四級防護等級進行電路防護設計，添加防雷模塊，最大程度提高產品的防護性能［6］。

（3）工程計算

電子器件的參數都有一定的波動范圍，并不是穩定的單一數值，在長期運行中，或者在批量生產中不同的設備之間，同一臺設備的不同工作時間段，都會出現少量的不一致現象，嚴重者會出現參數超標，引起系統故障。因此，只根據設計經驗進行器件選型，存在臨界條件下出現異常情況的風險，宜通過工程計算的方式進行容差計算分析，做最壞電路情況分析，將器件的實際工作狀態和潛在風險隱患或者余量，用定量的數據計算出來，可以實現預知和可控。

用上拉電阻的工程計算進行實例分析，如圖4所示。

圖4 上拉電阻電路圖

上拉電阻的作用就是將不確定的信號通過一個電阻鉗位在高電平，此電阻同時起限流作用。如圖中所示，R1為信號線nCS0的上拉電阻，nCS0與CPU的PA0管腳和存儲芯片SDRAM的CE管腳相連接。通過芯片數據手冊可以查到CPU I／O的輸出電流最大為8 mA，SDRAM I／O輸入電流為2μA，輸出電流為1μA。

當nCS0為高電平時，電流從CPU輸出到存儲器，存儲器高電平Uih的最小值為2．3 V，有如下公式：

當nCS0為低電平時，電流從上拉電阻輸入到CPU和存儲器，存儲器低電平Vil最大值為0．1 V，有如下公式：

通過公式（2）、（3）計算出0．3 kΩ≤R1≤495 kΩ，R1可選取4．7 kΩ，滿足要求。

3．2 機械設計

按照機械結構穩定性設計原則對產品機械與結構的設計進行梳理，著重針對機械應力對電路板的影響進行了考慮與優化，防止機械應力影響和損壞電路板；選用高品質的主控機箱、航空插頭等，對主控電路進行二次封裝，增強系統的防護性能；對主控箱、電池箱、太陽能電池板、天線的安裝結構進行優化，增強安裝可靠性，方便工程現場安裝［7］。

3．3 電源系統設計

輸電線路在線監測系統應用環境復雜，系統供電多采用光伏供電的方式，易出現頻繁深度放電、長期充電不足、小電流放電、高寒高溫等對電池不利的因素，針對以上因素，從三個方面對供電系統進行優化提升。

3．3．1 電池選型

針對不同的應用環境，配置不同類型的電池，充分發揮不同類型電池的特點。

（1）我國北方地區冬季氣溫較低，最低可達－40℃，宜采用純鉛電池。純鉛電池低溫性能好，間歇性充電性能好，體積相對小，自放電率低，循環次數高，相對鎳鎘電池成本低、環保、控制簡單、更易維護，適合我國北方地區的使用。

（2）對于我國南方部分地區，陰雨天氣較多，無光照時間長，宜選用大容量的膠體電池。

（3）其他地區，選用普通的膠體電池便可滿足應用要求。

3．3．2 電源監控

采用智能充放電控制器，對電源的工作狀態進行實時監控，掌握電源的充放電狀態，電池電量等信息。根據電源的監控信息，對電源進行相應控制，關閉耗電量大的裝置或完全關閉。

3．3．3 溫度保護

針對高寒的應用環境，設計保溫機箱，并具備自加熱功能，在太陽能電量有剩余的情況下對機箱內的保溫儲能材料進行加熱，以提高機箱內的溫度，提高電池的充放電性能。

3．4 標準化設計

加強產品的標準化與模塊化設計，統一產品部件的規格標準，增加系統兼容性，形成穩定的產品系列。

設計高集成度的主控系統板，可接收舞動、微風振動等9類設備數據；對監測終端與監測基站間的通訊平臺進行標準化設計，建立統一的2．4 GHz無線通訊平臺和485有線通訊平臺；對產品機械結構進行標準化設計，保證同系列產品間的所有機械部件可以實現無縫對接；對供電系統進行模塊化、分體式設計，統一接口，不同的應用環境可配置不同的供電系統。

3．5 實驗驗證

加強試驗檢驗環節，到專業檢驗機構進行全面的試驗與驗證，通過設備的型式試驗，包括結構和外觀、準確度、基本功能、可見電暈和無線電干擾、短路電流沖擊、雷電沖擊、靜電放電抗擾度、射頻電磁場輻射抗擾度、脈沖磁場抗擾度、工頻磁場抗擾度、高溫、低溫、交變濕熱、防護等級、振動、運輸、可靠性等，對關系設備可靠性的電磁抗擾度類實驗進行重點驗證，設備可通四級電磁兼容的實驗驗證［8］。

4 可靠性評估

4．1 理論分析

可靠性評估是通過應力計數法進行可靠性定量評估，完成理論評估的過程，需要從可靠性串并聯模型、失效率數據獲取、MTBF的計算幾方面進行。根據輸電線路在線監測系統的構成建立可靠性模型，采用元器件應力分析可靠性評估方法，通過分析元器件所受的應力，計算在該應力條件下的工作失效率［9］。

對于電子設備來說，一般假定它的故障分布函數服從指數分布，這時它的可靠度函數為

由于MTBF是基本可靠性參數，如圖3所示，輸電線路在線監測系統的可靠性模型是一個串聯模型，因此其失效率等于各組成部分失效率之和。

因此只要計算得到輸電線路在線監測系統的失效率，就可以求得其平均故障間隔時間（MTBF）。

4．2 預計計算

本文所采用的元器件工作失效率預計公式和數據均來源于GJB／Z299C—2006《電子設備可靠性預計手冊》的附錄A（采用進口電子元器件的電子設備可靠性預計），計算結果如表1所示［10］。

表1 系統及各功能模塊失效率數據

在設定條件下對輸電線路在線監測系統的MTBF進行了初步預計分析，約為63 205 h。

5 結束語

設備可靠性是關系輸電線路在線監測業務發展的關鍵因素，本文針對目前所應用的在線監測系統，提出了可靠性設計模型，對常見的問題和故障進行了分析與總結，提出了有針對性的可靠性提升方法。將可靠性評估理論應用到輸電線路在線監測系統中，以優化后的系統為實例進行了計算，得到MTBF預估值，驗證了可靠性提升的效果，并為更進一步優化提供了理論依據。

［1］ 黃志江，王 睿，李紅旗，郭志廣．輸電線路次檔距振蕩在線監測系統的研究與應用［J］．微計算機信息，2012，28（324）：148－150．

［2］ 張文新，李華春，周作春．電力電纜運行狀態的監測研究［J］．電力設備，2007，8（4）：39－42．

［3］ 于德明，郭昕陽，陳方東，趙雪松，朱全友，王 磊．500kV輸電線路在線監測系統應用［J］．中國電力，2009，（05）：53－56．

［4］ 武曄卿．嵌入式系統可靠性設計技術及案例解析［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2012．

［5］ 李能貴．電子元器件的可靠性［M］．西安：西安交通大學出版社，1990．

［6］ 鄒建明．在線監測技術在電網中的應用［J］．高電壓技術，2007，33（8）：203－206．

［7］ 趙淑瑩，楊晨升．基于可靠性的機械零部件設計研究［J］．機械工程師，2010，（03）：45－47．

［8］ 陳華光．基于PLC的遠程在線監測系統的設計［J］．計算機測量與控制，2009，17（10）：1990－1992．

［9］ Ni M，McCalley J D，Vittle V，etal．Online Risk－based Security Assessment［C］．IEEE Transactions on Power Systems．2003．

［10］電子設備可靠性預計手冊 GJB／Z299B98［Z］．1999．