楊天貴

(中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣州市 510405)

0 引言

雷擊是影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一。電網(wǎng)故障分類統(tǒng)計(jì)表明，在我國(guó)運(yùn)行的高壓線路總跳閘次數(shù)中，由雷擊引起的跳閘占40% ～70%，嚴(yán)重影響了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)運(yùn)行與發(fā)展。每年各級(jí)供電單位需統(tǒng)計(jì)轄區(qū)內(nèi)雷電的活動(dòng)情況，通過(guò)分析雷電活動(dòng)的頻次、雷擊地點(diǎn)，來(lái)表征該區(qū)域遭受雷害的分布情況，從而對(duì)電網(wǎng)雷擊進(jìn)行防護(hù)［1］。

對(duì)電網(wǎng)采取全面可靠的防雷措施是電網(wǎng)保護(hù)的重點(diǎn)工作內(nèi)容，雖然各類防雷裝置的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，但受其保護(hù)能力及造價(jià)限制，在輸電線路全線裝設(shè)并不現(xiàn)實(shí)，因此需要一種能表征電網(wǎng)雷害分布、指導(dǎo)輸電線路實(shí)施防雷保護(hù)的技術(shù)。

本文將研究一種新型電網(wǎng)雷害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析管理系統(tǒng)，根據(jù)線路的具體情況(如桿塔高度、絕緣子數(shù)量、桿塔所處的地形地貌和地質(zhì)條件等)布置無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)［2］。該系統(tǒng)能通過(guò)前端傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)防雷設(shè)備的運(yùn)行情況，包括前端避雷器狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、雷擊時(shí)的各種實(shí)時(shí)雷電參數(shù)等，通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳傳送至主控監(jiān)測(cè)中心分析服務(wù)平臺(tái)。相關(guān)管理人員可及時(shí)了解電網(wǎng)防雷設(shè)備的運(yùn)行狀況、同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)雷電流波形，及時(shí)分析出雷擊的形式和故障地點(diǎn)，為準(zhǔn)確判斷輸電線路雷害成因提供證據(jù)，以便改進(jìn)輸電線路的防雷體系。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

雷擊所造成的故障跳閘事故一般有3種成因，基于傳感器的電網(wǎng)雷害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析管理系統(tǒng)需針對(duì)不同情況進(jìn)行相應(yīng)的功能設(shè)計(jì)。雷擊事故發(fā)生的原因大致有:

(1)線路避雷器分布點(diǎn)少，雷擊直接擊穿絕緣子導(dǎo)致線路發(fā)生接地故障，此類情況多發(fā)生在郊區(qū)。

(2)因變壓器接地網(wǎng)殘舊或人為破壞，造成變壓器防雷功能完全失效，雷擊的破壞性電流燒毀變壓器;或變壓器上的避雷器存在質(zhì)量問(wèn)題，導(dǎo)致受雷害時(shí)避雷器產(chǎn)生隱蔽的故障點(diǎn)，情況嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致輸電線路全接地;或脫掛式避雷器由于產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題在雷擊時(shí)不能及時(shí)脫開，從而造成隱蔽故障點(diǎn)。

(3)各類避雷器產(chǎn)品的進(jìn)貨量大，不能對(duì)每件產(chǎn)品都進(jìn)行試驗(yàn)，部分產(chǎn)品參數(shù)與實(shí)際參數(shù)不一致，雷擊跳閘時(shí)容易發(fā)生不動(dòng)作現(xiàn)象。低壓避雷器很容易受強(qiáng)雷擊而擊穿，特別是位于空曠地帶的低壓線路［3］。

傳感器網(wǎng)絡(luò)作為通信領(lǐng)域的新興技術(shù)，具有分布式處理系統(tǒng)的高監(jiān)測(cè)精度、高容錯(cuò)性、覆蓋區(qū)域大、可遠(yuǎn)程遙測(cè)遙控、自組織、多跳路由等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)須另外設(shè)置基站，且具有很強(qiáng)的抗毀能力，能在各種極端的惡劣條件下穩(wěn)定運(yùn)行。本文研究的電網(wǎng)雷害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析管理系統(tǒng)，需具有以下功能:

(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)配電網(wǎng)系統(tǒng)，包括鋼塔、線路的雷擊參數(shù)，記錄遭受雷擊時(shí)的電流、電壓參數(shù)，判斷出雷擊的形式和發(fā)生位置。利用前端電流傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)雷電流波形，及時(shí)分析出雷擊形式和故障地點(diǎn)，為準(zhǔn)確判斷輸電線路雷害的成因提供證據(jù)，以便改進(jìn)輸電線路的防雷體系。

(2)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)避雷器的工作狀態(tài)，利用前端電流傳感器監(jiān)測(cè)避雷器全泄漏電流。主控監(jiān)測(cè)中心服務(wù)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行打包解析，分解出避雷器的電流、電壓數(shù)據(jù)［4］，對(duì)避雷器的各相數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)避雷器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，對(duì)其故障進(jìn)行診斷和預(yù)警。

(3)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的運(yùn)行環(huán)境與狀態(tài)，利用各類傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)外部環(huán)境數(shù)據(jù)與硬件設(shè)備狀態(tài)，包括外部溫度、濕度、磁場(chǎng)、風(fēng)力、風(fēng)向、設(shè)備腐蝕度、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)等。

2 前端數(shù)據(jù)采集多傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)

雷害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析管理系統(tǒng)包括前端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和多跳路由傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。前端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)承擔(dān)著采集各類開關(guān)量、物理量的任務(wù)，節(jié)點(diǎn)必須設(shè)計(jì)成通用傳感器接口，實(shí)現(xiàn)與不同類型的傳感器連接。該節(jié)點(diǎn)主要由電源模塊、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、無(wú)線通信模塊組成。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的硬件體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware system structure of data acquisition node

下面介紹各個(gè)功能模塊單元的實(shí)現(xiàn)。

(1)電源模塊電路設(shè)計(jì)。電源模塊采用的電源芯片為AMS1117，將5 V的外部電源電源直接供給電源芯片，即輸出3.3 V和1.8 V的電源電壓。整個(gè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)采用5 V電壓供電，各個(gè)芯片的工作電壓由電源轉(zhuǎn)換芯片提供，主要含有 5、3.3、1.8 V這3種電源。其中，信號(hào)調(diào)理電路采用5 V的工作電源，TMS320F2812系列DSP的I/O電源為3.3 V，內(nèi)核電源則為1.8 V。LPC213X微控制器的工作電壓范圍為3.0～3.6 V，I/O口可承受5 V的電壓。

(2)信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路的目的是將各類傳感器傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行放大、濾波，再送到數(shù)據(jù)采集與處理單元進(jìn)行邏輯處理。由前端傳感器采集的模擬電壓、電流信號(hào)強(qiáng)度一般較小，為mV級(jí)別，必須放大達(dá)到處理單元可以識(shí)別的0～3 V范圍。由于監(jiān)測(cè)配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)信號(hào)，必須實(shí)現(xiàn)多傳感器高速信號(hào)同時(shí)進(jìn)行調(diào)理，因此要求運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率高、帶寬足夠大。本文選用了高阻抗運(yùn)算放大器CA3140進(jìn)行設(shè)計(jì)，其高寬帶和低噪聲的特點(diǎn)保證了信號(hào)轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定。本文設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路包括2級(jí)放大，因此選擇2個(gè)CA3140運(yùn)算放大器逐級(jí)放大。

(3)數(shù)據(jù)采集與處理模塊電路的設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集與處理模塊是前端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的計(jì)算核心，執(zhí)行同時(shí)與多路傳感器的數(shù)據(jù)通訊任務(wù)。處理器的集成度要盡量高，有足夠的外部通用 I/O和通信接口，使整個(gè)系統(tǒng)的處理器外圍電路盡量簡(jiǎn)單，以便減小整個(gè)節(jié)點(diǎn)的尺寸。鑒于數(shù)字信號(hào)處理器(digital singnal processor，DSP)在數(shù)字信號(hào)處理方面的優(yōu)越性能，并考慮到不同型號(hào) DSP的性能參數(shù)及成本，綜合配電網(wǎng)防雷所需的計(jì)算要求，最終選擇采用 TI公司的DSP芯片TMS320F2812負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理。

(4)無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)。各類數(shù)據(jù)在采集、處理后，通過(guò)無(wú)線通信模塊進(jìn)行傳輸。無(wú)線通信模塊硬件組成如圖2所示。其中 LPC213X微控制器為PHILIPS公司推出的支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32位處理器［5］，內(nèi)置了寬幅串行通信接口和8/16/32 kB的片內(nèi)SRAM，以及多達(dá)9個(gè)邊沿或高低電平觸發(fā)的外部中斷口。AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換接口芯片是AD公司推出的16位A/D轉(zhuǎn)換器，其帶有兼容串行接口，能直接與LPC213X控制器連接，對(duì)采集的傳感器信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。為適應(yīng)突發(fā)雷擊時(shí)的大量數(shù)據(jù)傳輸要求，系統(tǒng)外接外部存儲(chǔ)器SST39VF1601，用于保存原始數(shù)據(jù)和需要掉電保護(hù)的歷史數(shù)據(jù)。射頻天線采用單片射頻收發(fā)芯片nrf401為核心，有效傳輸距離可達(dá)2 km。

圖2 無(wú)線通信模塊硬件原理Fig.2 Hardware schematic diagram of wireless communication module

3 多跳數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

電網(wǎng)的寬幅跨度、復(fù)雜地形對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量(quality of service，QoS)機(jī)制提出了較高要求，如何設(shè)計(jì)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)且滿足實(shí)時(shí)可靠需求的通信協(xié)議，成為高數(shù)據(jù)率無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)的新問(wèn)題。路由協(xié)議的基本目標(biāo)是為不同服務(wù)找到滿足其QoS需求的一條從源節(jié)點(diǎn)至匯聚節(jié)點(diǎn)的路徑［6］。如圖3所示，需要滿足一系列約束條件，包括:帶寬、時(shí)延、丟包率、搜索次數(shù)、距離、流量等，進(jìn)而減少數(shù)據(jù)量，減輕網(wǎng)絡(luò)擁塞，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

通過(guò)配合適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)融合方法，在路由層采取以“事件”為中心的數(shù)據(jù)融合路由協(xié)議:數(shù)據(jù)在向匯聚節(jié)點(diǎn)傳遞的過(guò)程中，各自尋找最短路徑，即:根據(jù)數(shù)據(jù)的發(fā)生區(qū)域?qū)ふ疫m當(dāng)?shù)闹虚g節(jié)點(diǎn)，在這些中間節(jié)點(diǎn)上對(duì)來(lái)自多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行“多入單出”的融合操作后，再向匯聚節(jié)點(diǎn)傳遞。在事件驅(qū)動(dòng)型網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)的形成主要發(fā)生在事件區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)中絕大多數(shù)節(jié)點(diǎn)只有很小的發(fā)射范圍，而匯聚節(jié)點(diǎn)的發(fā)射能力較強(qiáng)，可以滿足網(wǎng)絡(luò)QoS的需求，將數(shù)據(jù)發(fā)回遠(yuǎn)程控制節(jié)點(diǎn)。

圖3 以“事件”為中心的數(shù)據(jù)融合路由協(xié)議Fig.3 Data fusion routing protocol relying on“event”

4 電網(wǎng)雷害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析管理系統(tǒng)

電網(wǎng)雷害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析管理系統(tǒng)的前端使用傳感器網(wǎng)絡(luò)采集電網(wǎng)防雷的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，所采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)多跳傳送到中心數(shù)據(jù)庫(kù)，終端用戶平臺(tái)讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析管理，及時(shí)查找雷擊故障點(diǎn)并進(jìn)行分析，詳細(xì)記錄雷擊故障的損傷情況，同時(shí)開展防雷運(yùn)行總結(jié)和分析評(píng)估［7-9］，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電網(wǎng)雷害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析管理系統(tǒng)Fig.4 Real-time monitoring and analysis system for lightning disturbance on power grid

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的電網(wǎng)雷害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析管理系統(tǒng)使用傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，所采集到的各類數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳傳輸至主控監(jiān)測(cè)中心服務(wù)系統(tǒng)。由于使用的傳感器節(jié)點(diǎn)種類繁多、數(shù)據(jù)類型不一，無(wú)線多跳路由以及自組織方式有利于傳感器節(jié)點(diǎn)的大范圍部署和數(shù)據(jù)傳輸。不依賴于主站和其他通信系統(tǒng)，無(wú)需網(wǎng)絡(luò)布線，具有部署靈活、低成本的優(yōu)點(diǎn);無(wú)需固定基站與通信線路，在災(zāi)害導(dǎo)致固定通信設(shè)施毀壞的情況下，依然可以保持穩(wěn)定工作;無(wú)需借助第3方運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，在山區(qū)等無(wú)運(yùn)營(yíng)商通信信號(hào)區(qū)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

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