電氣設備遠程監測與通信技術分析

李金燕

（國能陽宗海發電有限公司，云南 昆明 652100）

0 引 言

隨著我國電力技術的不斷發展，電力系統的復雜度不斷提升。遠程監測系統可為電力電氣設備的維護和檢修提供重要的信息參考，提供有關設備狀態的可靠信息，幫助設備維護人員提高維護工作效率[1]。經過多年的發展，基于遠程監測技術的一些比較成熟的產品被逐步應用到電力系統維護中，在大型電氣設備維護方面發揮了重要的作用。但是如果遠程監測系統通信接口或其他地方出現故障，就可能導致遠程監測失效，進而影響整個遠程監測系統的正常使用。因此，有必要針對遠程監測系統與通信技術進行研究。

1 電氣設備遠程監測系統

所謂電氣設備遠程監測是指利用傳感器、計算機等技術，通過信號采集與傳輸、數據處理、邏輯處理等操作對電氣設備運行狀態進行實時監控與監測，在線評估系統運行情況，并進行遠程故障診斷[2]。隨著電力電子技術、傳感器技術、信息處理技術以及網絡技術的飛速發展，電氣設備遠程監測已經進入實際應用階段。電網中的電氣設備遠程監測系統由下位機、上位機、通信系統等構成[3]。下位機的主要作用是采集電氣設備數據信息并進行預處理，如電氣設備的電壓、電流、溫度、壓力等信息，并將其轉換為適當的電信號，通過通信系統發送給上位機[4]。上位機對下位機傳來的設備數據進行處理和分析，例如進行時域和頻域分析，利用軟件濾波、均衡等技術對信號進行進一步處理，從而得到可以準確反映設備狀態的數據特征集，將處理后的數據與歷史數據進行比較和分析，以診斷設備狀態并識別故障[5]。電氣設備遠程監測系統結構如圖1所示。

圖1 電氣設備遠程監測系統構成

2 遠程監測系統中通信技術的應用

2.1 遠程監測通信系統

基于監測系統構成及特點，電氣設備監測系統中的通信子系統可采用3層分布式網絡結構，骨干網與分支網搭配。一級骨干網為調度中心、地區網絡到監測主站，方便上級部門調用重要的電氣設備數據；二級子網是監測中心主站與各個監測設備之間、監測中心主站與各監測子站點之間的通信網絡；三級子網是監測站與監測對象或終端之間的通信網絡。對于不適合集中傳輸的超遠距離終端，直接與監測主站通信。圖2為典型的電氣設備遠程監測通信系統結構。

圖2 典型的電氣設備遠程監測通信系統結構

多層分布式網絡結構中，每一級網絡的節點分布、數據量、功率需求等都存在差異，相應的通信方式也有所不同，因此僅用一種通信方式難以滿足系統的所有通信需求。在實踐過程中，應該根據實際需要和經濟性組合不同的通信方式，匹配不同類型通信需求。

2.2 遠程監測系統通信技術比較

不同的通信方式各有特點，其應用場景和經濟指標也不同。目前，遠程監測系統中常用的通信方式主要包括電力線載波通信、電纜通信、光纖通信3種[6]。

2.2.1 技術對比

電力線載波通信方式利用電力線作為通信通道，不需要鋪設專門的通信線路就可以實現與每個電氣設備的通信，而且其通信網絡與電力生產物流方向一致，便于進行信息流和數據處理的分級管理，通信安全且更容易管控。但該方式下的電力線路布線非常復雜，既有架空線也有下埋電纜，許多電力線的長度和橫截面不同。同時需要眾多的配電變壓設備，存在通信信號衰減嚴重、數據傳輸慢、抗干擾能力差等問題。

電纜通信方式需要布設專門的通信電纜，對通信終端要求不高，但維護工作較多。在電氣設備遠程監測系統中，電纜通信方式適用于饋線開關監測終端（Feeder Switch Monitoring Terminals，FTU）、監測站周邊以及變電站之間的通信。

光纖通信方式的技術優勢明顯，主要包括以下幾個方面。一是可擴展性好，單一光纖通信環可連接多達100個通信節點，可以隨時進行網絡擴展；二是損耗小，遠距離傳輸時光纜通信的損耗僅有0.2～l.0 dB/km左右；三是傳輸距離遠，單模光纖傳輸距離可達40 km以上，多模光纖傳輸距離可達6 km以上；四是可靠性好，環網通信，具有熱備份功能。單一的監測系統通信使用光纖通信性價比不高，但如果與其他系統一同使用時，光纖通信是理想選擇。

2.2.2 經濟對比

由于遠程監測網絡需要進行多數據、大范圍通信，其所用通信方式的經濟性也是需要重點考慮的問題。

（1）基本費用。電力線載波通信方式無需鋪設通信線纜，基本費用較少。電纜通信需要建設通信線路，從而產生電纜建設成本。光纖通信需要鋪設光纖電纜，基本費用較高。相比之下，電力線載波通信方式和公共移動網絡通信的基本費用最低。

（2）設備成本。電力線載波通信方式需配備耦合電容器等設備，設備數量眾多導致成本較高。電纜通信所需設備較少，同時設備價格比較便宜，往往只需要在監測終端設置一個調制解調器即可實現通信。光纖通信的光端設備價格較高，綜合設備成本較高[7]。

3 電氣設備遠程監測通信干擾抑制

遠程監測系統的信號不僅包括傳感器收集的信號，而且還有來自微機的控制信號。由于這些信號需要在各個系統、單元、甚至部件間進行傳送，因此要保證信號在傳送過程中不受其他信號干擾，以避免信號出現畸變或誤動[8]。

3.1 系統內部干擾抑制

實踐過程中，通常通過以下措施來抑制遠程監測系統內部產生的通信干擾。

首先，確保系統內各個通信通道之間保持一定距離，尤其要注意防止通道之間形成電磁耦合。例如，當多路通信信號共享一個集成芯片（包括多個模擬開關或多個運算放大器）時，可以分別選擇多個芯片，避免不同通信通道之間相互干擾。

其次，確保一點接地。當多點接地時會通過接地回路形成循環電流，進而發生共模干擾。監測系統中每個組件、子系統都需要建立自己的回路，不能共用一根地線。特別是數字電路、模擬電路的地線要分開，避免共模干擾。同時，地線應盡可能粗，接地回路應盡可能短，以減小回路阻抗[9]。

最后，采取有效的隔離措施。通過隔離措施對通信信號進行處理后再發送，可有效防止系統內部各單元的相互干擾。常用隔離方式有變壓器隔離、光耦隔離、電-光纖-電隔離。變壓器隔離的核心設備是1∶1變壓器，一次繞組與鐵心保持恒定絕緣，繞組之間有接地金屬屏蔽。光耦隔離的核心設備是光電耦合器，其本質是光電隔離和電路相互隔離。光耦的輸入阻抗一般只有0.1～1 kΩ，干擾源的內阻一般在1 MΩ以上，光耦的輸入噪聲很小。此外，耦合器輸入端和輸出端之間的寄生電容很小，僅有0.5～2 pF。光耦隔離效果和抗干擾能力都比較好，特別適合短距離的信號傳輸。電-光纖-電隔離通過光耦合絕緣來隔離兩個系統之間的干擾，適用于遠距離信號傳輸，抗干擾能力較強。

3.2 監測系統外部電磁干擾抑制

對于電氣設備遠程監測系統來說，載波通信、晶閘管整流、高次諧波以及環境過電壓等都可能產生電磁干擾[10]。來自交流電源的電磁干擾可分為共模干擾和差模干擾。共模干擾是指兩條電源線與地之間的電磁干擾，對地的干擾電位相同，相位相同。差模干擾是指兩條電源線之間的干擾。電氣設備遠程監測系統通常需通過隔離變壓器供電，同時需要在輸出端連接低通濾波器，以消除隔離變壓器的電磁干擾。在信號傳輸中，由電磁耦合產生的干擾可以通過金屬機箱或機柜進行屏蔽。

4 結 論

綜上所述，通過對電氣設備遠程監測系統常用的通信方式進行研究和對比分析，結合遠程監控系統結構和特點，提出系統通信網絡的3層架構方案。該方案采用骨干網加子網組網模式，能更好地滿足在線遠程監測系統的各級數據通信需求，從而更好地保障電氣設備遠程監測系統的正常運行，提高電力系統的運行穩定性。