基于邏輯復(fù)用功能的高壓線路智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳小龍

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司百色局，廣西 百色 533000）

0 引 言

隨著超高壓和特高壓電網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)，電力電網(wǎng)朝著智能化、大容量化以及大跨度輸送電能的方向發(fā)展，同時(shí)超高壓電網(wǎng)的運(yùn)營和維修工作量隨之增加。由于高壓輸電線都集中分布在戶外地區(qū)，且覆蓋區(qū)域較大，極易受到惡劣自然條件和人類活動(dòng)的影響。此外，隨著電壓級別的提高，輸電線被雷擊的概率隨之增加[1]。常規(guī)的手工檢修方式需要消耗大量的人力和物力，且不能實(shí)時(shí)檢修，工作效率低，檢修質(zhì)量也很難得到保障。因此，設(shè)計(jì)高壓線路智能巡檢系統(tǒng)對高壓輸電線進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控非常必要。

1 輸電線路智能巡檢系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)利用紅外感應(yīng)、傳感器以及激光掃描等設(shè)備，通過對電、光、聲以及位置等信息的采集，實(shí)現(xiàn)物與物之間的信息交換和通信，達(dá)到定位跟蹤和智能識(shí)別等效果?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的高壓線路智能巡檢系統(tǒng)，通過射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）等信息技術(shù)，對輸電線路進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和智能化管理。該系統(tǒng)將輸電線路中的智能終端、監(jiān)控平臺(tái)以及安全防護(hù)設(shè)備等融為一體，在一定區(qū)域內(nèi)建立一個(gè)由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成的物聯(lián)網(wǎng)體系。利用現(xiàn)代傳感器、雙模電源以及多種無線通信技術(shù)，可對電力系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離、實(shí)時(shí)監(jiān)測[2]。

1.2 大數(shù)據(jù)分析技術(shù)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟，大數(shù)據(jù)技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前常用的數(shù)據(jù)分析技術(shù)。大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠?qū)⒉煌瑏碓吹男畔⑦M(jìn)行融合和分流，并按照不同的使用目的進(jìn)行重新組合，對其下一步的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測，做出預(yù)先的判斷，并對工作過程進(jìn)行優(yōu)化[3]。大數(shù)據(jù)技術(shù)具有規(guī)模龐大、種類繁多、價(jià)值密度高以及計(jì)算速度快等突出優(yōu)點(diǎn)。基于云計(jì)算的大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠?qū)⒋幚淼拇罅砍绦蜃詣?dòng)分成若干個(gè)小型的子項(xiàng)，并由多臺(tái)服務(wù)器組成一個(gè)龐大的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息的檢索、計(jì)算以及分析，最終將計(jì)算的成果提交給終端服務(wù)器。

基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的智能巡檢系統(tǒng)，利用4G/5G網(wǎng)絡(luò)對輸電線路的監(jiān)控視頻圖像和線路本體的運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測線路溫度和故障燈數(shù)據(jù)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)輸電線路存在的運(yùn)營隱患，避免對超高壓輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響[4]。同時(shí)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)與手機(jī)終端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交流，確保用戶能夠及時(shí)收到故障報(bào)警，從而大大提高巡查工作的效率。

1.3 復(fù)用技術(shù)

1.3.1 頻分復(fù)用

頻分復(fù)用（Frequency Division Multiplexing，F(xiàn)DM）指將用于傳輸信道的總帶寬劃分成若干個(gè)子頻帶（子信道），每個(gè)子信道傳輸一路信號(hào)。頻分復(fù)用要求總頻率寬度大于各個(gè)子信道的頻率之和，能夠使多路傳輸系統(tǒng)中各個(gè)通道間的傳輸互不干擾。該技術(shù)由于可以在不計(jì)延遲的情況下進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用[5]。

1.3.2 時(shí)分復(fù)用

時(shí)分復(fù)用（Time Division Multiplexing，TDM）是將每條信息都分成不同的時(shí)間段，每條信息都有自己的通道。由于時(shí)隙按一定的方式指派并且向前移動(dòng)，時(shí)分復(fù)用傳輸也被稱作同步時(shí)分復(fù)用，其優(yōu)勢在于時(shí)間分布固定，容易調(diào)整和控制，更適用于數(shù)碼信號(hào)的傳送。但是，其缺陷也很明顯，如果一個(gè)信號(hào)源是空閑的，沒有任何數(shù)據(jù)要發(fā)送，則相應(yīng)的信道也是空閑的[6]。

1.3.3 波分復(fù)用

波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技術(shù)采用虛擬劃分法將一根光纖劃分為多條虛擬光纖，每條虛擬光纖的工作波長均不相同，可以在一定程度上提高光纖通信的效率和能力。波分復(fù)用是目前光纖通信網(wǎng)最常用的一種擴(kuò)展方式，具有效率高和成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1.3.4 碼分復(fù)用

碼分復(fù)用（Code Division Multiplexing，CDM）是一種對不同編碼進(jìn)行區(qū)分的方法。將CDM 技術(shù)與其他多址技術(shù)結(jié)合在一起可以形成多種復(fù)用模式，如碼分多址、頻分多址、同步碼分多址以及時(shí)分多址等[7]。

2 基于邏輯復(fù)用功能的智能檢測系統(tǒng)

2.1 智能巡檢系統(tǒng)工作原理

具有邏輯復(fù)用功能的智能檢測系統(tǒng)主要包括3 個(gè)模塊，即多功能監(jiān)測基站、監(jiān)測系統(tǒng)以及測試后臺(tái)等。監(jiān)控基站利用5G/4G 虛擬專用網(wǎng)絡(luò) (Virtual Private Network，VPN），將實(shí)時(shí)音像、數(shù)據(jù)以及報(bào)警等監(jiān)控信息傳送到監(jiān)控中心。巡檢人員可以利用手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備實(shí)時(shí)獲取高壓線路運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)、音頻以及圖像等，同時(shí)可以利用5G/4G VPN 網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到電力公司的集群服務(wù)供應(yīng)商[8]。利用視頻監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對省內(nèi)超高壓輸電線的監(jiān)測。根據(jù)實(shí)際情況，綜合整理采集到的有關(guān)信息資料，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，方便后期的核查與監(jiān)管。

2.2 系統(tǒng)硬件部分

智能巡檢系統(tǒng)基于4G/5G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信功能，在硬件設(shè)計(jì)方面融合了大數(shù)據(jù)技術(shù)、復(fù)用技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)高壓線路運(yùn)行監(jiān)測功能的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化升級。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框架如圖1 所示。

該系統(tǒng)在總體上實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，提高了芯片的集成性，并顯著減少了芯片的功耗損失。在睡眠狀態(tài)下，電力損失只有0.05 W。利用磷酸鐵鋰電池及太陽面板的周期性充放電方法，可有效延長蓄電池的使用壽命[9]。巡檢系統(tǒng)采用抱箍回形環(huán)安裝方式，可以靈活調(diào)整方向。

2.3 系統(tǒng)軟件部分

高壓線路智能巡檢系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖2 所示。

Android 系統(tǒng)層主要用于對下級硬件平臺(tái)的控制。圖像服務(wù)主要調(diào)用系統(tǒng)的相機(jī)，完成圖像的采集，并以JPEG 格式作為圖像編碼格式。視頻Service 調(diào)用本系統(tǒng)的攝像機(jī)，以H264 格式實(shí)現(xiàn)圖像的采集和編碼。Watchdog Receiver 主要利用通用輸入輸出（General Purpose Input Output，GPIO）口與串口的2 個(gè)信道與控制器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)操作。Upgrade-Service提供App 的后臺(tái)更新服務(wù)。應(yīng)用層App 通過SMS Receiver 接收消息，通過Alarm receiver 實(shí)現(xiàn)定時(shí)鬧鐘，通過Push Receiver 收發(fā)信息，通過HTTP Receiver 來接收服務(wù)端的信息。

2.4 故障類型的判別與定位

超高壓輸電線路的安全、平穩(wěn)、可靠運(yùn)行對于高壓線路智能巡檢系統(tǒng)至關(guān)重要，而超高壓輸電線路是否能實(shí)現(xiàn)智能巡視檢測是檢驗(yàn)超高壓輸電線路有無商業(yè)應(yīng)用價(jià)值的一個(gè)重要指標(biāo)。在超高壓輸電線路中，對出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行快速辨識(shí)與準(zhǔn)確定位，不僅可以加快超高壓輸電線路恢復(fù)投運(yùn)的速度，而且可以有效減少線路因短期停電而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失，極大提升了超高壓輸電線路運(yùn)行的可靠性和安全性[10]。

2.4.1 單相接地故障

超高壓輸電線路中出現(xiàn)單相接地故障的可能性較大，正確識(shí)別單相接地故障對超高壓輸電線路至關(guān)重要。針對單相接地，經(jīng)過故障點(diǎn)的短路電流很小，很難直接探測。對此，通過將特定頻率的信號(hào)從母線分別輸入到各個(gè)饋線，使其不僅能探測到電容電流和消弧線圈電感電流，還能探測到特定頻率的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對單相接地故障的識(shí)別。

2.4.2 相間短路故障

與單相接地故障相比，一條線路出現(xiàn)相間短路故障的概率相對較低。當(dāng)線路出現(xiàn)相間短路時(shí)，線路故障點(diǎn)與變電站之間將產(chǎn)生較大的短路電流，并循環(huán)流動(dòng)。根據(jù)短路電流的大小，就可以判斷線路是否已經(jīng)出現(xiàn)相間短路故障[11]。

2.4.3 故障定位

在輸電線路和電纜線路各分段加裝一個(gè)測試儀，以確定各分段的故障情況。線路故障定位示意如圖3所示。

圖3 線路故障定位示意

當(dāng)3號(hào)線上出現(xiàn)故障時(shí)，故障指示器1～3都動(dòng)作，其他故障指示器不動(dòng)作。根據(jù)高壓線路故障指示器故障動(dòng)作情況，當(dāng)線路故障位置在3 和4 之間時(shí)，故障指示器會(huì)將線路故障信息發(fā)送至系統(tǒng)主站進(jìn)行綜合診斷，進(jìn)一步判斷故障原因，并準(zhǔn)確定位故障。最后將故障信息發(fā)送至管理人員，及時(shí)對高壓線路故障問題進(jìn)行處理。

3 結(jié) 論

文章介紹了基于邏輯復(fù)用功能的智能檢測系統(tǒng)，重點(diǎn)分析了智能巡檢系統(tǒng)的原理、系統(tǒng)硬件部分、系統(tǒng)軟件部分以及故障類型判別與定位。智能巡檢系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)圖像、音頻以及數(shù)據(jù)的同步監(jiān)控，利用5G/4G VPN 網(wǎng)絡(luò)上傳到集群服務(wù)器，通過特定頻率信號(hào)的輸入實(shí)現(xiàn)單相接地故障，通過安裝故障指示器來進(jìn)行相間短路故障定位，從而增強(qiáng)超高壓輸電線路的投運(yùn)恢復(fù)能力。