丁 楊，羅文華，宮瑞邦，李曉光，李金良，朱國(guó)華，黃海暉，馮衛(wèi)國(guó)，馬 瀟

BDS在氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

丁 楊1，羅文華1，宮瑞邦1，李曉光1，李金良1，朱國(guó)華2，黃海暉2，馮衛(wèi)國(guó)2，馬 瀟3

（1. 國(guó)網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊 830000；2. 北京合眾思?jí)芽萍脊煞萦邢薰?，北?100089；3. 中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192）

針對(duì)形變監(jiān)測(cè)中通過(guò)常規(guī)方法難以獲取完整及時(shí)的氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備狀態(tài)信息，因而不能準(zhǔn)確管控設(shè)備，影響變電站安全運(yùn)行的問(wèn)題，提出利用我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）實(shí)現(xiàn)氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備的智能化檢測(cè)，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)1套超高壓變電站氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備BDS形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以有效監(jiān)控和預(yù)警設(shè)備形變。

超高壓變電站；氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備；基準(zhǔn)站的布設(shè)；監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

0 引言

隨著國(guó)家電網(wǎng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中的重要性越來(lái)越突出，維持國(guó)家電網(wǎng)的安全已成為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的根本保障。我國(guó)地域廣闊，氣候復(fù)雜多變，特別是西北地區(qū)，氣候惡劣、晝夜溫差大，對(duì)高壓變電站的氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備的維護(hù)帶來(lái)非常大的難度，需要可靠智能化手段來(lái)解決當(dāng)前的電網(wǎng)安全問(wèn)題。

氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備（gas insulated swichgcar）是高壓配電裝置的1種形式，是將斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、互感器、避雷器、母線、電纜終端和進(jìn)出線套管等組合成1個(gè)整體，并封裝在金屬殼內(nèi)，充SF6氣體作為滅弧和絕緣介質(zhì)的全封閉組合電器。由于其占地面積小、絕緣性能高、運(yùn)行方便、檢修周期長(zhǎng)、維護(hù)工作量小等特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中裝用量比例逐年升高。與此同時(shí)，近幾年該設(shè)備故障引發(fā)的系統(tǒng)故障跳閘占比上升，特別是西北地區(qū)設(shè)備故障率居高不下，伸縮節(jié)及設(shè)備內(nèi)絕緣問(wèn)題比較突出。由于該設(shè)備故障時(shí)停電范圍較大，其工作狀態(tài)關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。

由于氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備采用全封閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)部狀態(tài)不可見(jiàn)，從外部肉眼可觀測(cè)的信息較少，通過(guò)常規(guī)的方法獲取的設(shè)備狀態(tài)信息有限且滯后，難以滿足狀態(tài)評(píng)價(jià)和狀態(tài)管控的要求。為了滿足變電站的運(yùn)行維護(hù)要求，檢測(cè)氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備的早期故障，從而保證變電站的安全運(yùn)行，構(gòu)建1套氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)十分必要。

1 BDS形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)

亞中變電站位于南山牧場(chǎng)，屬于易發(fā)生沉降的山丘地質(zhì)，其220 kV及66 kV設(shè)備區(qū)域已于2016年3月發(fā)生地基沉降下陷。亞中變電站氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備為西開(kāi)設(shè)計(jì)，水平“一”字布置，母線筒最長(zhǎng)達(dá)219 m，溫差導(dǎo)致的熱脹冷縮將導(dǎo)致大幅度的形變，該設(shè)備母線筒已于2015年發(fā)生由于大幅度形變導(dǎo)致的管壁焊縫處漏氣。設(shè)備地基上未安裝任何可觀測(cè)地基沉降的裝置，母線上未安裝任何可觀測(cè)水平位移形變的裝置（水平位移觀測(cè)卡尺），沉降及位移信息無(wú)法監(jiān)測(cè)。

根據(jù)亞中超高壓變電站的實(shí)際情況，本項(xiàng)目采取分體式設(shè)計(jì)，對(duì)變電站母線的4個(gè)門(mén)形架兩側(cè)設(shè)置采集信號(hào)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)天線用于采集位置信號(hào)。接收機(jī)安裝于場(chǎng)外統(tǒng)一的機(jī)柜內(nèi)。天線和接收機(jī)之間采用低損耗射頻線纜，通過(guò)預(yù)設(shè)電纜溝進(jìn)行布設(shè)，并加裝防護(hù)管。接收機(jī)數(shù)據(jù)通過(guò)光纖傳輸?shù)郊袡C(jī)房的解算服務(wù)器進(jìn)行高準(zhǔn)確度等級(jí)解算。

通過(guò)在氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備上安裝北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）定位監(jiān)測(cè)裝置，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的實(shí)時(shí)設(shè)備位置變化及基礎(chǔ)局部沉降監(jiān)測(cè)，配合使用BDS及全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）定位差分算法，數(shù)據(jù)處理后可使監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到毫米級(jí)，同時(shí)將設(shè)備狀態(tài)信息變化進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊預(yù)警，達(dá)到設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警目的。

1.1 基準(zhǔn)站的布設(shè)

基準(zhǔn)站的穩(wěn)定性直接影響到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確性和可靠性。因此，對(duì)基準(zhǔn)站的位置選擇有嚴(yán)格要求。考慮到基準(zhǔn)站點(diǎn)位受電磁干擾、通電、通訊、環(huán)境等因素影響，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，最終擬定在主控通訊樓頂作為基準(zhǔn)站天線的安裝點(diǎn)，基準(zhǔn)站接收機(jī)安裝在一樓機(jī)房?jī)?nèi)，天線與接收機(jī)之間通過(guò)同軸射頻線纜進(jìn)行連接[1-2]。

基準(zhǔn)站的主要設(shè)備包括接收機(jī)和扼流圈天線，另外還需要有滿足設(shè)計(jì)要求的天線基座、設(shè)備機(jī)柜、防雷措施，以及供電設(shè)備和用于傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。如圖1所示。圖1中CORS（continuously operating reference stations）為連續(xù)運(yùn)行參考站基準(zhǔn)。天線接收衛(wèi)星定位信息，通過(guò)射頻線纜傳輸?shù)交鶞?zhǔn)站點(diǎn)機(jī)柜的接收機(jī)內(nèi)。

圖1 基準(zhǔn)站設(shè)備組成

1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

本項(xiàng)目主要對(duì)氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備母線門(mén)形架的伸縮形變進(jìn)行監(jiān)測(cè)；因此，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在門(mén)形架兩側(cè)母線上，為氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備長(zhǎng)母線筒伸縮節(jié)處及母線出線拐角處，該位置是氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備在溫度變化后發(fā)生形變最大的位置，監(jiān)測(cè)效果比較明顯。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)備主要包括GNSS天線、射頻線纜、接收機(jī)等，如圖2所示。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置信息通過(guò)GNSS天線進(jìn)行采集，需要將天線用管道安裝支架固定在母線上顯示母線管道的形變位移，如圖3所示。信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻線纜傳輸?shù)浇邮諜C(jī)進(jìn)行初步的解算。由于場(chǎng)地和供電的限制，接收機(jī)機(jī)柜固定在場(chǎng)地邊緣指定地點(diǎn)。每組門(mén)形框的3條管道架設(shè)6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)4組監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備組成

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)天線安裝示意

1.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備布設(shè)與實(shí)施

基準(zhǔn)站接收機(jī)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)接收機(jī)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行傳輸?shù)街骺胤?wù)器，如圖4所示。基準(zhǔn)站接收衛(wèi)星定位信息和監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集的形變信息傳輸?shù)浇粨Q機(jī)，交換機(jī)通過(guò)防火墻上傳到主控服務(wù)器并將信息顯示在顯示屏上；主控服務(wù)器中的中央處理器將接收到的信息按照時(shí)序進(jìn)行比較，從而確定氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備是否形變。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 BDS誤差數(shù)據(jù)及算法處理

BDS定位中的誤差，可以分為系統(tǒng)誤差、偶然誤差和粗差3大類。其中系統(tǒng)誤差包括衛(wèi)星鐘誤差、衛(wèi)星星歷誤差、對(duì)流層延時(shí)、電離層延時(shí)、多路徑誤差等。同其他測(cè)量作業(yè)一樣，BDS的數(shù)據(jù)處理受到測(cè)量誤差的干擾，為提高最終監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度等級(jí)，須找出數(shù)據(jù)處理中的誤差源，并在算法中加以修正[3-15]。

RTK（real-time kinematic）技術(shù)又稱為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)，通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)值進(jìn)行差分處理得到修正值，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)或事后處理解算得到精確的位置坐標(biāo)，其工作原理如圖5所示。本項(xiàng)目采用RTK差分定位原理實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備的監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確度等級(jí)經(jīng)處理后可達(dá)到毫米級(jí)（可以達(dá)到小于5 mm）。

圖5 差分定位原理

本項(xiàng)目利用RTK解算功能對(duì)監(jiān)測(cè)站和基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)解算，并將解算結(jié)果發(fā)送給數(shù)據(jù)展示子系統(tǒng)。變形分析模塊利用各監(jiān)測(cè)站解算出來(lái)的形變量解析得到用戶設(shè)定的形變閾值，若某一監(jiān)測(cè)站的形變量超過(guò)該閾值，則變形分析模塊向預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)發(fā)送形變的預(yù)警信號(hào)。其位置解算流程如圖6所示。

圖6 位置解算流程

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

亞中超高壓變電站氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備BDS形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)完工后，出現(xiàn)了很強(qiáng)的多路徑誤差干擾問(wèn)題，其最初結(jié)果不夠理想，接收的原始數(shù)據(jù)質(zhì)量不高。

現(xiàn)場(chǎng)利用Leica SpiderQC v6.0軟件進(jìn)行原始數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，尋找影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的根源[16]。

圖7為BDS的細(xì)節(jié)測(cè)試。在多路徑效應(yīng)1（multipath，MP1）顯示值為0.98 m；在MP5b顯示值為0.79 m；這2方面值都高于臨界值0.5 m。測(cè)試結(jié)果顯示多路徑測(cè)試失敗。

圖7 多路徑測(cè)試

圖8顯示在不同衛(wèi)星高度角的條件下，多路徑在不同頻段下的影響。在現(xiàn)場(chǎng)，從高度角15°開(kāi)始都受到多路徑的影響，一直持續(xù)到90°高度角。測(cè)試得出數(shù)據(jù)不能達(dá)到監(jiān)測(cè)要求的結(jié)論。

圖8 多路徑在各高度角的影響

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備測(cè)試和調(diào)整過(guò)程，本項(xiàng)目最終克服現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境的影響，得到穩(wěn)定的原始數(shù)據(jù)，能夠保證氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備形變檢測(cè)設(shè)備的高準(zhǔn)確度等級(jí)解算[17]。

圖9為進(jìn)行設(shè)備調(diào)整和軟件升級(jí)后BDS的細(xì)節(jié)測(cè)試。報(bào)告顯示多路徑測(cè)試通過(guò)。在MP1顯示值為0.46 m；在MP5b顯示值為0.35 m；這2方面值都低于臨界值0.5 m。

圖9 多路徑測(cè)試

圖10顯示在不同衛(wèi)星高度角的情況下，多路徑在不同頻段下的影響。高度角15°開(kāi)始受到多路徑微弱的影響，高度角30°開(kāi)始不受多路徑的影響且一直持續(xù)到90°高度角。測(cè)試得出數(shù)據(jù)可達(dá)監(jiān)測(cè)要求的結(jié)論[18]。

圖10 多路徑在各高度角的影響

經(jīng)實(shí)地調(diào)研和數(shù)據(jù)測(cè)試，初步分析結(jié)果如表1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果表

續(xù)表1

由表1可知，本項(xiàng)目數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果良好，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)對(duì)衛(wèi)星的實(shí)際接收個(gè)數(shù)無(wú)太大影響，但是對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度等級(jí)有部分影響，可以通過(guò)BDS高精度定位技術(shù)對(duì)氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

超高壓變電站氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備BDS形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用衛(wèi)星高準(zhǔn)確度等級(jí)差分定位原理，結(jié)合變電站氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高壓變電站氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備的形變狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)該設(shè)備形變趨勢(shì)起到的監(jiān)控和預(yù)警管理的作用。本系統(tǒng)功能完整、運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)采集迅速準(zhǔn)確，通過(guò)預(yù)先設(shè)置的閥值，系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)時(shí)地反饋出設(shè)備形變的狀態(tài)和趨勢(shì)，并給出相應(yīng)的告警信息，運(yùn)維人員可以非常直觀地通過(guò)平臺(tái)操作界面，直接觀察和提取相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，方便及時(shí)了解設(shè)備狀態(tài)，提高維護(hù)的響應(yīng)速度，降低故障的發(fā)生率[19]。通過(guò)對(duì)國(guó)家電網(wǎng)內(nèi)實(shí)際案例的數(shù)據(jù)分析及驗(yàn)證，證明此系統(tǒng)在相應(yīng)的場(chǎng)景下進(jìn)行推廣的可行性。

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Application of BDS in deformation monitoring for gas insulated swichgcar

DING Yang1, LUO Wenhua1, GONG Ruibang1, LI Xiaoguang1, LI Jinliang1, ZHU Guohua2, HUANG Haihui2, FENG Weiguo2, MA Xiao3

（1. Xinjiang Electric Power Company Research Institute, Urumchi 830000, China; 2. Beijing UniStrong Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100089, China; 3. China Electric Power Research Institute Co., Ltd., Beijing 100192, China）

Aiming at the problem that it is difficult to obtain the complete and timely device status information of gas insulated swichgcar for traditional methods in deformation monitoring, leading to unable to accurately control the equipment, which must influence the substation’s safe operation, the paper proposed to use BDS independently developed by China to realize the intelligent detection of the gas insulated swichgcar, and designed a BDS deformation monitoring system for the gas insulated swichgcar of the EHV substation. Experimental result showed that the proposed system could efficiently monitor and pre-warn the deformation of equipment.

extra high voltage (EHV) substation; gas insulated swichgcar; base station arrangement; monitoring station arrangement; deformation system of BeiDou navigation satellite system

P228

A

2095-4999(2020)02-0096-05

丁楊，羅文華，宮瑞邦，等. BDS在氣體絕緣封閉式組合電器設(shè)備形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào), 2020, 8(2): 96-100.（DING Yang, LUO Wenhua, GONG Ruibang, et al. Application of BDS in deformation monitoring for gas insulated swichgcar[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2020, 8(2): 96-100.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20200216.

2019-07-31

丁楊（1989—），男（回族），寧夏銀川人，本科，助理工程師，研究方向?yàn)楦邏涸O(shè)備狀態(tài)檢測(cè)。

楊凱（1983—），男（回族），河北邯鄲人，本科，項(xiàng)目經(jīng)理，研究方向?yàn)锽DS定位終端在電力巡檢中的應(yīng)用。