电力电缆接头故障在线监测与预警系统整体解决方案设计03.docx
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电力电缆接头故障在线监测与预警系统整体解决方案设计03
电力电缆接头故障在线监测与预警系统
整体解决方案
单位：
中国航天科工集团六院六О一所
编写：
胡剑
日期：
二〇一一年三月
电力电缆接头故障在线监测与预警系统
第1章引言
在城市的供电系统中，电力电缆越来越多。
当供电距离较长时通常在线路上要出现电缆接头，多年的运行显示90%以上的电缆运行故障是接头故障引发的。
通过进一步的分析表明，接触电阻、过负荷等因素是引起接头温度过高，造成电缆接头绝缘老化或崩烧故障的主要原因。
本文以东北电网有限公司重点科技计划项目（城区电力电缆安全防火远程在线监测系统）为工程背景,针对城区电力电缆接头数量大、分布范围广等特点,研制了一套新型电力电缆接头故障在线监测与预警系统。
监测系统由现场装置、无线通信网络和上位机管理系统组成。
现场装置对电缆接头温度进行数据采集和监测;上位机系统完成对电缆接头运行温度的远程监测、预警、报警及电缆接头运行状态的评估,同时,基于SCADA组件实现了GIS方式下的电缆接头管理功能;利用GSM/GPRS网络实现了上位机与现场装置之间的数据传输。
针对现场监测装置供电难的问题,以超级电容器为基础,专门设计并研制了一种新的现场装置有效解决了现场监测装置供电的难点。
该系统适合城区大范围电力电缆接头故障在线监测,具有广阔的应用前景。
第2章系统相关技术
2.1电缆接头测温分析
2.1.1电缆接头热源分析
接头发热主要是流经线路的电流在接头电阻处的损耗所释放出来的热能，该热能与流经线路的电流平方及接头电阻成正比。
2.1.2电缆接头传热分析
热主要沿3个方向传递，即向导线两方传递和经过接头绝缘皮向外传递。
由于热阻的存在，其温度沿导线按一定的梯度分析，接头处温度最高，逐步衰减至一定距离到环境温度；沿接头绝缘皮传递的热，经绝缘皮热阻及一定范围的空气热阻过渡到环境温度。
2.1.3电力及热力混合网络
通过上述的分析和忽略一些次要因素，可以总结出如图1所示的电力及热力混合网络图。
图1电缆接头处电力及热力混合网络
图中所标
代表裸接头处温度，
为电缆环境温度，
为测点温度，
为接头处接触电阻，
是由电流互感器测定的电缆电流，
为接头到温度检测单元的等效热阻，
为温度检测单元到环境温度处的等效热阻。
由于电缆带有高电压，从安全、安装难易度和成本考虑，要直接取得
代价比较高，因此在以后的分析中采用了间接温度
。
元件及材料的选择是，测温元件热容量要小，测点与接头间应注入高绝缘导热好的材料，测点与环境间则使用绝热材料。
经上述处理后，用
代替
的计算结果实际证明完全可以满足工程计算的要求。
2.1.4算法及公式
根据图1的混合网络及相关定理，可以推导出电流、温度及电阻的关系如下：
Rx=K•
•R0
（1）
式中
为安装初始测定值，K为比例修正系数。
由上式可见，当用电设备正常运行时（其负荷电流不会变化很大），接头电阻与温差
（
-
）成正比，也就是说可以将电缆头的温度作为电缆头故障的预警信号。
除了极限预警情况下要及时对电缆头采取措施外，在设备大修停电期间对非预警的电缆头进行质量评估，找出隐患加以解决，则显得更有意义。
因为这时候的维修丝毫不会影响生产。
这类评估主要从接头电阻是否已有质的变化，接头绝缘老化程度等入手。
由于接头绝缘老化会使绝缘强度和密封性下降，带来漏电和加速接头氧化过程导致接头寿命缩短等潜在隐患，对其正确评估是很有实用价值的。
下面就针对这2个问题，探讨评估的依据和方法。
在式
（1）中，由于初始值参数不易取得（绝大多数温度探头都是在线路运行以后加上去的，即现有设备的技术改进），直接使用不方便。
但在工程实践中发现，只要监测最近一段时间内接头电阻是否有了明显的变化就可以找出隐患。
假设t1时刻以前（一般可以取温度探头接入时刻）接头性能良好，并作为标准与现在某个t2时刻的接头性能进行比较，便可以取得接头变化的比率（该比率可由式
（1）推导出来），见式
（2）。
式
（2）是t2时刻的接头电阻
与t1时刻的接头电阻
的比值，其中
；
分别为t2与t1时刻的对应参数，可以把它们作为接头电阻评估的依据。
P=
（2）
由式
（2）可以看出，t1时刻的参数是常数项，接头电阻的变化只与t2时刻的温度差及电流平方的比值有关，当负荷电流运行较平稳时，t2时刻的温差可以反映出接头质量的大致变化（实际情况是，正常的接头电阻值很小，即便是有一定电流的变化，产生的热量也不大，且会迅速地被周围的材料吸收掉，不可能产生较大的温差），见式（3）。
P
（3）
式（3）突出了故障的主要特征，简化了运算。
通过式（3），可以方便地设置一极限温差，当温差越限时发出报警信号，以便对故障作出应急处理。
而式
（2）则作为大修时，非预警的电缆头是否维修的评判依据。
引起绝缘材料老化的因素很多，机理复杂。
在一般使用情况下，当受到温度等外界环境影响时，绝缘材料极易与氧等发生反应，导致降解同时产生氢气、甲烷、二氧化碳等有害气体或水，因而在绝缘层中形成细小的空洞或裂缝，使材料变脆、龟裂，降低了材料的绝缘强度和密封性。
然而要总结出一种较精确的评估方法不太容易，不过实践证明绝缘材料长时间地处于较高的温度状态下，其老化速度会加快。
由此出发，可以提出温度与时间积累的相关性为基础的评估方案：
=
•
•
•
（4）
式中
为材料修正系数，
为温度修正系数，
为测点温度。
当
小于40时不产生累积。
在实际系统中，对这种积累分5级评判，当进入某一评判系统时，给出对应的更新提示。
2.2GPRS技术的应用及分析
应用GSM网络进行数据传输从理论分析和实际应用都是切实可行的。
就目前移动通信部门提供的服务而言，可分为两种方式：
①短消息（SMS），通过拨打终端号码而获取数据资料短消息；②GPRS技术，核心是通过IP转换技术进行数据传输。
相比较下，采用GPRS技术更具优点和前瞻性，符合未来的通信发展方向。
下面就以GPRS技术为例作说明：
2.2.1GPRS原理及技术特点
GPRS是通用分组无线业务generalpacketradioservice的英文简称，是在现有GSM系统基础上发展出来的一种新的网络业务。
GPRS采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一个无线信道又可以由多个用户共享，实现资源有效的利用，从而实现高速率数据传输。
GPRS支持基于标准数据通信协议的应用，可以实现与IP网、X.25网互联互通。
GPRS具有全双工运作，间隙收发，永远在线，只有在收发数据才占用系统资源，计费方式以数据传输量为准等特点，由于GPRS的核心层采用IP技术，底层可使用多种传输技术，这使得它较易实现端到端的、广域的无线IP连接，以实现某种特定功能。
图1GPRS网络构成示意图
具备GPRS功能的移动电话或终端通过无线方式与GSM基站进行通信，随即登陆上GSM网络，但与电路交换式数据呼叫不同，GPRS分组是从基站发送到GPRS服务支持节点（SGSN），而不是通过移动交换中心（MSC）连接到语音网络上。
SGSN与GPRS网关支持节点（GGSN）进行通信；GGSN对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如因特网或X.25网络。
来自因特网标识有移动电话或终端地址的IP包，由GGSN接收，再转发到SGSN，继而传送到指定的移动电话或终端上。
2.2.2GPRS的技术特点
1）资源利用率高：
GPRS引入了分组交换的传输模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。
GPRS用户的计费以通信的数据量为主要依据，体现了得到多少、支付多少的原则。
实际上，GPRS用户的连接时间可能长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用。
2）传输速率高：
GPRS可提供高达115kbit/s的传输速率（最高值为171.2kbit/s）。
这使得GPRS终端用户能和ISDN用户一样快速地上网浏览，同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒体应用成为可能。
3）接入时间短：
分组交换接入时间缩短为少于1秒，能提供快速即时的连接，可大幅度提高远程监控等工作的效率。
4）支持IP协议和X.25协议：
GPRS支持因特网上应用最广泛的IP协议和X.25协议。
而且由于GSM网络覆盖面广，使得GPRS能提供Internet和其它分组网络的全球性无线接入。
2.2.3利用GPRS来实现数据传输
基于GPRS技术的SCADA系统是以GSM为网络平台，充分利用了GPRS的技术特点和优势，实现高速、永远在线、透明数据传输的数据通信网络系统。
图2系统构成示意图
2.2.4基本工作原理：
在GPRS模块上实现TCP/IP协议，在应用程序端安装数据中心软件，数据中心拥有固定的IP地址（或域名），GPRS模块登陆上GSM网络后，自动连接到数据中心，向数据中心报告其IP地址，并保持和维护链路的连接，GPRS模块监测链路的连接情况，一旦发生异常，GPRS模块自动重新建立链路，数据中心和GPRS模块之间就可以通过IP地址用TCP/IP协议进行双向通信，实现透明的、可靠的数据传输。
2.2.5数据通信过程如下：
1）现场监控点通过数据采集模块将数据存储到内存，当接收到命令数据时，通过接口电路，将带时间标签的数据发送到已登陆网络并具有IP地址的GPRS模块，后通过数据编码并有指向地发送到GSM网络。
2）数据经GSM网络空中接口功能模块同时对数据进行解码处理，转换成在公网数据传送的格式，最终传送到公网中用户服务器IP地址。
3）服务器接受到数据后，通过公司内部网将数据传送到SCADA系统，后通过系统软件对数据进行还原显示，同时将数据存储到数据库中。
2.2.6系统应用GPRS技术的优势
1）永远在线：
GPRS模块一开机就能自动附着到GPRS网络上，并与您的数据中心建立通信链路，随时收发用户数据设备的数据，具有很高的实时性。
2）按流量计费：
GPRS模块一直在线，按照接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量的传递时不收费用。
3）高速传输、误码率低：
GPRS网络的传输速度最快将达到160Kbps，速率的高低取决于移动运营商的网络设置，根据中国移动的网络情况，目前可提供20~40Kbps的稳定数据传输。
4）组网简单、迅速、灵活：
系统可以通过Internet网络随时随地的构建覆盖全中国的虚拟移动数据通信专用网络，提供接入便利，节省接入投资。
5）通信链路由专业运营商维护：
由于采用中国移动的GPRS数据业务，因此链路维护也由中国移动负责，免除通信链路维护的后顾之忧。
2.2.7系统应用GPRS技术的不足
1）对移动通信部门有依赖性
因为系统建设运行需借助GSM网络，这就造成我们SCADA系统的数据通信受到移动通信部门的制约，须说目前GSM网络发展的比较成熟，但有时亦存在网络繁忙堵塞或意想不到的事情发生，这会对系统数据造成中断，影响系统的数据分析处理。
而采用超短波通讯组建自身网络系统，当系统发生故障时，可利用自身技术力量对网络进行修复而不需借助第三方，在工作中处于主动。
2）运行成本相对较高
鉴于目前资费标准，该系统的运营成本在端站数量较少时略微偏高。
2.2.8系统运营成本分析
构成系统运行成本主要有两方面（参考本地资费）：
①系统服务器端的静态IP地址租用费。
该项目目前资费较高，约占总运行成本的95%；②系统数据流量费用。
收费标准目前有包月制和按数据量两种收费方式，按流量计算0.03元/kBytes，而包月制20元/月有1024kBytes流量，该费用取决于流量的多少。
相信随着技术的升级，业务应用的普及，其资费标准会逐步降低。
第3章现场监测装置的介绍
3.1自供电无线测温传感器
3.1.1【产品概述】
无线测温指示器（或者无线测温盒，下同）基于数字化故障指示器和导线自取电技术，分别安装到高压输电线路（或者开关柜母排）上，在线测量该点温度、负荷电流（可选）、线路电压（可选）、短路故障检测（可选）、断线监测（可选），并以无线方式将数据上传到温度显示终端或者主站，实现温度等测量值的显示和越限报警，及时消除事故隐患。
由于解决了从导线10A起自取电问题，无线测温指示器（或者测温盒）可以实现高密次、长期的双向无线通讯，用户再也不用担心电池损耗殆尽还要再次停电更换锂电池了，完全实现免维护。
3.1.2【产品型号】
1、1型高压输电线路无线测温指示器（自取电）
主要功能有：
无线测温、监测负荷电流和线路电压、短路/断线故障检测与指示（翻牌、闪灯），从输电线路自取电。
2、2型高压开关柜母排无线测温盒（外加取电盒才能实现自取电功能）
主要功能有：
无线测温、温升报警、通过取电盒（按照母排尺寸特殊订做卡线结构）从母排自取电。
3.1.3【技术参数】
频率范围
240‐930MHz基频，每个基频可开64个独立信道（免申请）
数据速率
2.4k‐128k（可调），推荐20kbps
传输距离/发射功率
300m/11db～1000m/20db（可调）
发射电流/发射时间
20mA（11dbm）或60mA（20dbm）/20ms
接收电流/帧听时间
17mA/2ms
主动发送周期
1~10分钟（可调）
测温周期
ZD-1
==主动发送周期
ZD-2
1S
平均功耗
ZD-1
60uA（标准工作模式：
1.每20秒醒来一次以接收主站命令或参数；2.每10分钟上报一次温度等测量数据）
ZD-2
30uA（标准工作模式：
1.每1秒采集一次温度，但温度和温升都没有越限；2.每1分钟上报一次温度，可以接收主站命令或参数，但主站没有下发命令或参数）
后备锂亚电池
ZD-1
2.4Ah/3.6V*2
ZD-2
2.4Ah/3.6V*1
取电电流范围
长期：
0~600A、0~1500A、0~2500A（分三档）；短时（4S）：
40kA
温度测量范围和精度
-55℃～+150℃，±2℃
电流测量范围和精度（可选）
0~600A，±2A或者±1.5%（可选）
外形尺寸（含卡线取电部分）
ZD-1
65×75×120mm
ZD-2
测温盒：
25*25*60mm（天线除外）；取电盒：
25*25*60mm
整机重量
<0.5Kg
测温盒：
<0.1Kg；取电盒：
<0.2Kg
防护等级
IP65（线路板和后备电池已做灌胶处理）
使用寿命
取电
>10年
不取点
<5年
3.1.4【功能特点】
1.ZD-1利用数字化故障指示器的卡线结构，可安装到高压输电线路上。
运行时，指示器灌胶面上的导热板和温度探头紧贴在输电线路的下面，使得测温更准确、及时。
利用绝缘操作杆和安装托杯，可带电装卸。
2.ZD-2采用测温盒与取电盒分离设计思路，之间通过很短的高温线缆进行连接，用户根据需要选择是否需要取电盒来做自取电。
由于测温盒和取电盒体积很小，无高压绝缘和尖端放电问题。
由于没有设计自动卡线结构，需停电装卸。
3.无线测温指示器（或无线测温盒）实时采集温度，越限时立即通过无线跳频方式主动上报。
当温度变化不大时，测温指示器每隔一段时间主动上报一次当前温度值。
4.测温指示器整机（含RF无线模块）功耗极低，设计寿命为15年（无线通讯除外），内置锂亚电池寿命保证为10年。
5.无线测温盒可在线设置测温指示器的温度和温升越限门槛值，温度越限时立即上报；无线测温指示器还可设置速断、过流等参数，电流越限时立即上报并翻牌、闪灯指示。
6.无线测温指示器（或无线测温盒）采用特殊等电位电路设计，在强电磁环境下能可靠工作。
7.从导线10A负荷电流起取电，负荷电流每增加5A，则减少电池功耗10uA。
当负荷电流大于20A时，无线测温指示器即获取足够无线通讯电能，满足无线通讯需要，因此测温指示器已按免维护设计。
8.RF模块采用无线调频通讯，开放频点，分频控制，多点通讯数据不冲突；采用全球唯一4字节地址编号，组网灵活、方便 。
9.由于能从导线取到电能，无线测温指示器（或无线测温盒）可通过调节发射功率，直接与ZD-DCU系列数据采集器（或监控后台）进行无线通讯，省略无线中继（或温度显示终端）等中间环节。
温度等测量数据通过ZD-DCU系列数据采集器（或监控后台）转发给主站系统，主站命令、参数等也可以通过ZD-DCU系列数据采集器（或监控后台）转发给无线测温指示器（或无线测温盒）。
3.2DCU数据采集器（GPRS可选）
[产品简介]：
ZD-DCU1、2型数据采集器主要用于输配电线路故障定位、负荷监测和智能电网在线监测、监控系统，也可用于变电站高压开关柜无线测温等应用场合，通过短距离无线调频、跳频通讯方式实时采集附近安装的1～32只数字化故障指示器的信息（系统电压、负荷电流、接地暂态电流及其增量、温湿度、短路故障动作状态、接地故障动作状态），然后将打包数据通过GPRS通讯方式发送到配网主站SCADA或者GIS系统进行分析和处理。
其中DCU2型带4路电动开关的遥控（合分闸）和6路遥信（开关位置采集）功能。
[工作原理]：
采用大功率太阳能电池板和低压取电技术，确保阴雨天气也可保证正常工作。
采用大容量可充电锂电池做后备电源，可连续工作7天以上，并确保5年以上全户外使用寿命。
实时监测太阳能电池板的充电电压和电池电压，当电池电压偏低时可及时报警，并将GPRS数据通讯从“一直在线”转入“定时上线”工作状态。
当线路正常运行时，DCU向下采用POLLING规约轮询每只数字化故障指示器（FCI），FCI按预设的通讯策略进行应答，将实时采集到的数据发送到DCU。
通讯策略的含义是：
FCI采用低功耗电路和程序设计，设计寿命为10年以上，但无线通讯能量较大，不能完全依靠内部锂电池供电，大部分能量要从高压导线感应取电。
当负荷电流大于20A时可以完全取到通讯能量，在通讯时可以做到“有问必答”或者定时主动发送；当负荷电流小于20A时，只能取到有限的电能，在通讯时会出现“两问一答”、“十问一答”或者不定时主动发送的情况，其它时间FCI内部无线通讯模块都在休眠以减少电池损耗。
值得一提的是，由于无线通讯划分为64个独立信道，对于主动发送不存在互相干扰而导致通讯不上的情况。
对于10kV中性点各种接地系统，当线路出现短路故障时，FCI可以检测到短路故障电流，如果符合特定的短路故障判据，则本地翻牌显示，并按照预设的时间参数自动复归，也可以通过主站遥控复归。
同时，在DCU轮询到自己时将“及时应答”或者立即主动发送动作信息，将动作信号等数据发送到DCU1。
对于10kV小电流接地系统，当线路出现接地故障时，FCI可以检测到接地故障暂态电流，如果符合特定的接地故障判据，则本地翻牌显示，并按照预设的时间参数自动复归，也可以通过主站遥控复归。
同时，在DCU轮询到FCI时将“及时应答”或者立即主动发送动作信息，将动作信号等数据发送到DCU。
DCU在收到FCI的动作信息以后，将动作分支的FCI地址信息通过GPRS通讯方式发给配网主站SCADA或GIS系统，并进行报警显示和自动短信通知。
[功能特点]：
体积小，重量轻
带电装卸
太阳能取电，后备大容量锂电池
在线设置参数；
遥控翻牌/复归、指示灯点亮/熄灭、两路开关合/分闸和开关位置信息采集
防死机和少维护设计
对主站采用GPRS通讯方式和标准101通讯协议
对指示器采用短距离无线调频、调频通讯方式和101协议POLLING规约
[技术参数]：
1、电源：
18V/20~100W太阳能电池板组件
2、电池：
10~50Ah/3.6V可充电锂电池
3、整机平均功耗：
＜50mA
4、短距离调频发送功率：
＜20mA（持续向指示器发送巡检命令时）
5、GPRS发送功耗：
＜150mA（持续向主站发送实时数据时）
6、遥测：
电流精度为±1.5%（电流大于10A时）或者±1A（电流小于10A时）；电压线性度优于±95%
8、遥控：
4路继电器空接点输出，AC2KV光电隔离，带DC24V可控遥控电源和开关操作电源
9、遥信：
6路开关位置辅助接点输入，AC2KV光电隔离，带DC24V可控遥信电源
10、遥调：
可在线设置1~30只数字化故障和数据采集器本身的参数
11、通讯频率（短距离无线）：
433MHz（64个独立调频信道，自动跳频），20k（双向），100~1000米可调
12、建议带数字化故障指示器个数：
30个
13、重量：
＜5kg
14、尺寸：
＜150mm×250mm×200mm（高×宽×厚）
15、设计寿命：
10年以上（可充电锂电池为5年寿命）
16、环境温度：
-35℃～85℃
17、环境湿度：
5～95%
18、防护等级：
IP65
19、EMC等级：
±8kV静电放电
第4章上位机管理系统
4.1监控中心数据采集系统
SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition）系统，即数据采集与监视控制系统。
SCADA系统是以计算机为基础的DCS与电力自动化监控系统；它应用领域很广，可以应用于电力、冶金、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。
在电力系统中，SCADA系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。
它在远动系统中占重要地位,可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能,即我们所知的＂四遥＂功能.RTU（远程终端单元）,FTU（馈线终端单元）是它的重要组成部分．在现今的电力综合自动化建设中起了相当重要的作用．
4.2SCADA系统概述
一、SCADA系统概述
SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。
它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。
由于各个应用领域对SCADA的要求不同，所以不同应用领域的SCADA系统发展也不完全相同。
在电力系统中，SCADA系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。
它作为能量管理系统（EMS系统）的一个最主要的子系统，有着信息完整、提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势，现已经成为电力调度不可缺少的工具。
它对提高电网运行的可靠性、安全性与经济效益，减轻调度员的负担，实现电力调度自动化与现代化，提高调度的效率和水平中方面有着不可替代的作用。
二、SCADA系统发展瞻望
SCADA系统在不断完善，不断发展，其技术进步一刻也没有停止过。
当今，随着电力系统对SCADA系统需求的提高以及计算机技术的发展，为SCADA系统提出新的要求，概括地说，有以下几点：
1、SCADA/EMS系统与其它系统的广泛集成
SCADA系统是电力系统自动化的实时数据源，为系统提供大量的实时数据。
同时在模拟培训系统，MIS系统等系统中都需要用到电网实时数据，而没有这个电网实时数据信息，所有其它系统都成为“无源之水”。
所以在这今十年来，SCADA系统如何与其它非实时系统的连接成为SCADA研究的重要课题；现在在SCADA系统已经成功地实现与DTS（调度员模拟培训系统）、企业MIS系统的连接。
SCADA系统与电能量计量系统，地理信息系统、水调度自动化系统、调度生产自动化系统以及办公自动化系统的集成成为SCADA系统的一个发展方向。
2、综合自动化
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