摘要：特高压输电线路作为远距离跨区输电的重要通道，对保障国计民生和能源安全具有重要作用。本文结合实际系统的研制与应用，提出了一种基于分布式安装的线路监测终端、监测运维中心站和移动终端应用服务于一体的新型故障诊断服务系统。并提出了基于监测运维中心站的关键技术分析。
关键词：特高压输电线路；分布式故障诊断；关键技术
引言
本文结合实际系统的研制与应用，提出了一种基于分布式安装的故障诊断监测终端、监测运维中心站和移动终端应用服务于一体的新型诊断服务系统。文中首先阐述了系统整体架构、线路监测终端和监测运维中心站的具体实现方案，并结合本系统中三个主要组成模块的具体技术实现特点，进一步详细阐述了本文的自主关键技术、特色测试验证项目和实际工程应用。
1故障诊断系统整体研制方案
1.1系统整体实现方案
本系统整体实现由分布式故障诊断监测终端、监测运维中心站和移动终端应用组成。用户可在中心站或通过移动终端App登录相应页面查看故障诊断和实时监测数据，故障诊断监测终端和中心站之间通过无线接入点专网连接。各个诊断监测终端直接安装在输电线路导线上，采用分布式布置，线路大约每隔20~30km安装一套[1]。终端实时监测导线电流行波信号、工频电量及导线温度等参数，在输电线路故障或遭受雷击时自动记录高频和低频电流采样波形并经确认后通过无线通信链路将数据发送到监测运维中心站进行系统分析与处理。
1.2线路监测终端实现方案
在高压输电线路上A/B/C三相同一位置点处的导线上分别安装三个线路监测终端，全线路分布式、间隔性地安装多套设备，其实现对输电线路故障时行波电流的实时采集、准确识别、启动录波以及数据的存储和转发上送功能。同时，同一位置点处的三相线路监测终端，可以通过相互之间的无线通信通道共享数据与启动信息，在线路各种故障情况下可实时启动三相同步录波并上送，为监测运维中心站故障数据分析提供完整信息[2]。
1.3监测运维中心实现方案
监测运维中心主要负责采集输电线路诊断终端的各种运行信息并加以存储、分析和展示，是直接面向线路运维人员的主要操作界面，主要完成数据处理与故障诊断、无线通信服务、诊断装置远程监测与维护等功能。系统功能采用面向服务的体系架构进行定制开发，在通用服务功能的基础上，设计并实现了前置处理、故障诊断、应用服务以及图形展示四大核心模块，其系统框图如图1所示。
图1 监测运维中心功能体系架构
2线路监测终端设备关键技术
2.1供能及其管理技术
常规输电线路监测终端的取能方式主要有太阳能供电、电流互感器取能、地线取能等，但普遍存在着易受环境影响、感应取能电流工作范围窄、抗高压尖脉冲能力不强、供电系统整体可靠性偏低等不足。为提升电源供能系统的环境适应性和可靠性，本文所述终端设备的供能系统采用取能转换模块与双温后备电池模块相协作的新方法，供能系统组成如图2所示。
图2 诊断终端设备供能系统框图
主要采用了以下三种关键技术：1)宽幅互感器取能技术：取能互感器输出侧采用宽范围的反激变换器，拓宽了取能电流工作范围，增强了抗电流冲击能力，提高了取能效率。2)双温后备电池互补技术：后备电池系统采用高温电池和低温电池相组合，供电管理系统根据外部环境温度变化自主选择电池进行储能或者供电，大幅提高了电池使用寿命和后备供电的可靠性。3)电源管理技术：诊断终端设备中通过对双温后备电池管理、电源状态监测等功能，实现了对整个供能系统的取能监测与管理[3]。
2.2高速采样同步技术
分布式故障定位的关键在于行波信号的有效提取以及行波波头起始时刻的准确判断。由于输电线路上电流变化范围较大，需选用相应的具有较高频率电流传感能力和快速暂态响应的传感器，以避免行波信号的失真。罗氏线圈的微分特性对输电线路故障电流的突变有很好的响应能力，因此本文采用了两套完全独立的罗氏线圈及相应的电流数据采集电路来实现，其原理框图如图5所示。SoC处理单元中的FPGA协处理器同时控制两路高速ADC芯片以10MHz的速率进行故障电流数据的采集。同时充分利用FPGA的高性能数字锁相环及时钟电路处理能力，实现对GPS/北斗信号的对时和守时功能，提供精确到纳秒(ns)级的故障硬件时戳。
2.3时间同步及坐标定位技术
由于行波双端测距定位的精准度受测量终端的对时同步及守时性能影响较大，而对时及守时精度常受GPS/北斗授时模块自身晶元偏差的影响，此外由于高性能恒温晶振的功耗、体积和寿命等原因一般不宜在此场合直接采用，因此本文结合温补晶振短时间内稳定性好、双模授时模块1PPS没有频率偏移和累积误差的特点，提出了一种基于温补晶振频率校准的改进对时守时算法。其主要的方法是，首先采用改进滑动平均滤波对授时模块输出1PPS进行预处理，抑制授时模块抖动；之后将预处理的授时模块1PPS和温补晶振进行比较，对两者间的相位差进行Kalman滤波，同时，结合晶振温变曲线的特性将滤波迭代获得的当前时刻相位差进行校准，从而输出本地1PPS用于运行过程中的实时同步[4]。
3监测运维中心关键技术
3.1数据安全隔离技术
本系统中数据传输通道涉及电力有线专网以及无线公网，信息网络传输环境复杂，特别是移动终端的引入，使得监测运维中心信息安全防护形势愈加严峻。本系统在传统输电线路状态监测安全接入技术的基础上，新增加了独立的移动终端App应用服务器，并通过电力专用的安全隔离装置与监测运维双服务器实现了数据安全隔离，降低其对监测运维主备服务器构成的数据安全风险系数。移动终端App服务器与移动客户端之间通过纵向加密装置以及内嵌式加解密卡实现信息的安全传输。
3.2测距与故障识别技术
本系统将输电线路分割成若干小段，充分利用故障行波到达故障区段两端时暂态电流行波极性相反以及衰减及变形因素影响较小的特点，采用小波变换可准确定位波头到达时刻，根据行波波头到达终端的时差进一步将故障定位到杆塔之间，因此双端测距方法的精度比较高。当故障发生在变电站与最近的分布式故障诊断装置之间或双端测距不具备条件时，故障诊断系统将采用单端测距原理，通过适当的数据处理算法，反射波头位置定位的误差可控制在允许范围内。
3.3 GIS信息与微气象服务技术
由于输电线路分布式终端设备常年暴露在野外环境中，其建设运营、健康状态受环境气象因素影响很大，特别是在终端、线路附近的微气象信息对线路及终端状态监测及寿命评估比较重要。通过在输电线路测量终端GIS图上显示降雨、风向、风速、温度、气压、湿度等微气象信息，可以直观地表达各种气象要素对输电线路和终端的影响程度和范围。在此基础上，本系统进一步提供历史数据查询功能，展示历史气象信息对输电线路的影响，为深度分析历史气象数据与输电线路安全运行的相互作用关系提供了基础平台。
结束语
综上所述，分布式故障诊断作为一种高效的运检技术手段，分布式故障诊断系统在特高压精益化运维管理工作中具有重要作用，可为未来特高压输电线路实现智能化运检提供重要技术支撑。
参考文献
[1]刘洪刚.交流特高压输电线路关键技术的研究及应用研究[J].低碳世界,2015(22):83-84.
[2]周维强.交流特高压输电线路关键技术的研究及应用[J].环球市场,2017(17).
[3]佚名.分布式故障诊断系统在特高压输电线路中的应用[J].内蒙古电力技术,2018.
[4]王晓冬,夏立伟,范杨,等.浅析特高压输电线路检测关键技术[J].机电信息,2015(24):98-99.
论文作者:李祺
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/16
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