基于端边云架构的新型智能换位箱在线监测系统的设计及应用.pdf

基于端边云架构的新型智能换位箱在线监测系统的设计及应用李海,曹雨,孙伟莎,何阳,杨凡,王振兴,邹翔宇(国网上海电缆公司,上海 )摘要:高压电缆可靠性高、占用土地空间小,在大城市中投运的数量逐年增加,给电缆运检工作带来严峻挑战.为有效掌握高压电缆本体运行和通道的状态,制定运维检修策略,根据敷设于排管通道内电缆运维需求和监测设备运行工况,设计了一种新型智能换位箱在线监测系统,其内部集成光伏储能模块、多种类终端监测传感器和数据采集单元及通信节点模块,实现电缆运行和状态数据采集的一体化,能够大大缩减占地资源.关键词:高压电缆;智能换位箱;在线监测中图分类号:TM D O I:/j c n k i d g j s D e s i g na n dA p p l i c a t i o no faN o v e l I n t e l l i g e n tT r a n s p o s i t i o nB o xO n l i n eM o n i t o r i n gS y s t e mB a s e do nE n d t o E n dC l o u dA r c h i t e c t u r eL IH a i,C A OY u,S UN W e i s h a,HEY a n g,YAN GF a n,WAN GZ h e n x i n g,Z OUX i a n g y u(S t a t eG r i dS h a n g h a iC a b l eC o m p a n y,S h a n g h a i ,C h i n a)A b s t r a c t:H i g h v o l t a g ec a b l e s a r eh i g h l yr e l i a b l ea n do c c u p y l i t t l e l a n ds p a c e T h en u m b e ro f h i g h v o l t a g e c a b l e sp u t i n t oo p e r a t i o n i nb i gc i t i e si si n c r e a s i n gy e a rb yy e a r,w h i c hb r i n g ss e v e r ec h a l l e n g e st oc a b l et r a n s p o r t a t i o na n di n s p e c t i o nw o r k I no r d e r t oe f f e c t i v e l yg r a s pt h es t a t eo f t h eh i g h v o l t a g ec a b l eb o d yo p e r a t i o na n dc h a n n e l,a n dd e v e l o po p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c es t r a t e g y,a c c o r d i n g t o t h e c a b l e l a i d i n t h ed r a i n a g e c h a n n e l o p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c en e e d s a n dm o n i t o r i n ge q u i p m e n t o p e r a t i n gc o n d i t i o n s,an e wi n t e l l i g e n t d i s p l a c e m e n t b o xo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mi sd e s i g n e d T h e s y s t e mi s i n t e r n a l l y i n t e g r a t e dw i t hP Ve n e r g ys t o r a g em o d u l e,m u l t i p l e t y p e so f t e r m i n a lm o n i t o r i n gs e n s o r s a n dd a t aa c q u i s i t i o nu n i t sa n dc o mm u n i c a t i o nn o d em o d u l e s I t r e a l i z e s t h e i n t e g r a t i o no fc a b l eo p e r a t i o na n ds t a t u sd a t aa c q u i s i t i o n,a n dc a ng r e a t l yr e d u c e t h ea r e ar e s o u r c e s K e yw o r d s:h i g h v o l t a g ec a b l e;i n t e l l i g e n t t r a n s p o s i t i o nb o x;o n l i n em o n i t o r i n g收稿日期:引言随着我国城市化进程的快速发展,架空电力线路入地已成必然趋势 ,电缆状态检测工作量继而急剧增加,单纯依靠人力已远不能满足运维需求 .文献 提出一种在线状态检测系统,可实现护层接地电流在线监测、红外在线监测、电缆局部放电在线监测和故障定位等功能,具有良好的效果.但该检测系统只限于检测电缆隧道敷设情况,而目前上海市大量地下电缆均采用排管敷设方式,截至 年 月,上海高压排管长度据统计已达 多千米.为减小护层环流影响,上海 k V及以上电压等级的高压电缆采用电力绝缘头护层换位箱进行交叉换位 ,因地下水位高,故一般将护层换位箱置于地面上.换位箱都是无人值守的,易造成安全隐患甚至事故,这些都严重影响了电网的安全,损害了电力公司的利益,增加了安全隐患以及维护费用.如何保证换位箱的安全,减少隐患,且如何充分利用换位箱,拓展其功能性,进行电缆状态监测,一直是困扰电力电缆运维人员的难题,而关于该领域的研究成果较少.本文结合上海西虹桥高压智慧电缆示范区工程实际,提出一种基于端边云架构的新型智能换位箱系统,解决了电缆通道距离长,各监测设备分散的供电、通信难题,实现了电缆及敷设通道的综合状态实时感知、分析决策及远程巡视.高压电缆智能换位箱系统基于端边云构架的智能换位箱系统由部署在箱体内的电缆护层环流实时感知和分布式故障测距系统、在线局放测量系统、通道可视化与技防系统组成,可实现电缆本体通道状态的数字化实时监测.另外,依托换位箱为信息汇聚节点,可将感知端数据传输至服务器端,实现数据存储和分析,并将结果实时传输到高压电缆精益化管控平台,从而展示电缆运行状态.电工技术电力设备实现方式:以分布在电缆通道的地面换位(接地)箱为载体,在原有换位箱侧壁增加一个背包装置作为智能装置的 集 中 安 装 容 器.该 背 包 装 置 具 有 密 封 防 水 功能,可将原有换位箱改造为强电、弱电分离的结构,满足电力工井内技防设备集中通信及供电设计,能在严苛的使用环境中长时间稳定运行.采用就地太阳能配蓄电池取电方案,提供 V直流电源满足箱体内各类低功耗测量端供电需求,如图所示.智能换位箱内置基于 G通信技 术 的 高 性 能 边 缘 物 联 代 理 模 块,集 成 交 换、路由、微 功 率 射 频(MH z)、P O E、光 保 护、光纤检测、边缘计算等功能,支持国网芯及南瑞安全信息平台的加密方式,通过MQT T协议将接地电流、局放数据、通道可视化、智能井盖等监测数据就近接入.智能换位 箱 之 间 敷 设 光 缆 作 为 通 信 介 质,同 时 实 现 振动、温度、应力的全方位监测,换位箱之间也支持微功率通信,组网后由一个主边缘物联代理通过 G通信网络安全集中接入精益化管理综合平台.图智能换位箱各部件结构示意图 电缆护层环流监测与分布式测距系统电缆护层环流监测和分布式测距系统由终端测量层、通信层和后台服务器组成.终端测量部分由电流传感器、数据采集模块和光纤同步对时模块组成,如图所示.测量终端采集数据并锁定电缆故障行波波头的信息,通过 G通信链路传输至护层环流综合监测服务器,实现故障测距的就地运算和数据存储,其运算结果通过交换机利用电网专用光纤接入精益化管控平台.图电缆护层环流监测和分布式测距系统 电缆局部放电实时监测与测距系统采用高频电流耦合线圈可避免随机噪声的干扰,有效检出局放信号,结合换位箱内光纤同步对时功能,依据各换位箱检出局放信号的时差,可定位局放源.采用门式局放重症监护设备,通过超高频和高频局放检测技术的结合,有效验证局放信号检出的真实度.系统架构智能换位箱局放实时监测模块由前端采集、设备物联通信、局放监测主机组成,外加可移动式门式局放重症监护设备,共同构成局放监测系统.前端采集由开合式钳型H F C T传感器和信号采集单元构成,传感器安装在换位箱中电缆各相换位排及接地线上,实时监测电缆局部放电信号的大小和相位.局放采集单元通过光纤对时系统给各相检测信号赋予时间标,通过 G通信网传输至局放监测主机,数据分析结果再通过国网专用光纤传输至精益化管控平台.局放监测主机对局放数据的相位、大小进行分析,判断放电类型,专家系统评估局部放电的影响,并对局放信号源实现定位.另外,结合每条电缆的历史监测数据,分析局放的发展趋势,评估电缆寿命,为电缆检修计划提供参考.关键技术及应用西虹桥智慧电缆示范区采用模块化局放实时监测系统,依托精益化管控平台,实现基于典型局放特征提取、数字特征模式识别、专家系统智能局放等级判断及全寿命周期内电缆绝缘状态评估、局放源定位.高压电缆局放实时监测与定位过程如图所示,闭环式流程提升了局部放电缺陷的检出率,数据分析结果又反馈提升专家系统智能识别模型的准确度,丰富了缺陷数据库.图电缆局部放电缺陷检测和定位流程局放前端测量尤为重要,局部放电脉冲电流穿过H F C T时,在次级绕组中产生脉冲信号电压,其采样频率为 k H z MH z(d B),可准确探测到 p C的局放信号,在距离放电源m以内检测灵敏度为p C,确保数据采样的可靠性和完整度.针对在线局放监测系统发现疑似局放信号的线路,系统自动关联环流监测数据是否正常.若环流监测数据有异样,则可断定出现局放信号成立.若环流监测数据无异样,则采用上海电缆公司研发的门式高压电缆交叉互联箱可移动智能局放检测装置进一步确认局放检出真实度,其实际应用有如下特点.()首创了电容臂阻抗板的信号采集方法,信号采集精度更高,且内置异于在线局放监测系统的局放测定算法,因此可作为在线局放监测的补充,共同判定疑似局放信号.()基于时间幅值脉宽混合触发的局放信号智能化采集和自动提取识别局部放电脉冲,确保设备的低功耗运行和精确局放信号测定.()可无缝替换现在交叉互联箱门,自带局部放电传电力设备电工技术 感器、数据自动采集存储系统及大容量电池,实现局部放电检测的即插即用,启动后自持力不低于天.在线局放监测系统低功耗局部放电信号采集器通过路B N C接口实时接收三相局放信号,通过路B N C接口采集工频信号.通过R F滤波、放大、高速采样等处理步骤提取有效的局放信号,再通过小波降噪过滤干扰信号.光纤对时网络为分布式测量传感器提供纳秒级授时,实现分布式同步数据采集,同时有助于滤除环境噪声干扰,得到准确的电缆局放综合信息.模块化系统内置国际通用的M o d B u s、T C P协议和I E C 协议,可以方便地与电力、D C S等综合监控系统对接.结语西虹桥智慧电缆示范区的建成,实现了区域内多回排管敷设高压电缆的护层环流、局部放电、电缆通道反外损的在线实时监测.各项监测数据的联动融合确保示警准确度,提升了系统的可靠性.以智能换位(接地)箱为节点 的 综 合 数 据 系 统、专 家 系 统 和 台 账 数 据 的 融合,高压电缆专业精益化管控平台多维度展示电缆线路状态和全寿命周期预测.故障发生时,系统快速响应,并准确定性和定位故障点,大大缩短检修人员消缺排障时间,保证了供电可靠性.外部发生威胁电缆通道安全的事件时,现 场 设 备 及 时 发 出 警 示 信 号 并 通 知 运 维 人员,提高了反外损效率.参考文献 朱晓辉,孟峥峥,王浩鸣,等运行高压交联聚乙烯电力电缆的介电性能J高电压技术,():王宗耀基于改进雷达图理论的交联聚乙烯电力电缆运行状态综合评估J高压电器,():洪祎祺电力电缆运行维护及故障探测D上海:上海交通大学,巩彦江基于金属护套接地电流高压电缆故障诊断D哈尔滨:东北农业大学,周路遥,曹俊平,王少华,等基于多状态量特征及变化规律的高压电缆状态综合评估J高电压技术,():柴玉华,巩彦江,杨刚,等基于接地电流高压电缆交叉互联故障分析J电测与仪表,():,郭卫,周松霖,王立,等电力电缆状态在线监测系统的设计及应用J高电压技术,():张博高压电缆运行参数在线监测报警系统的研发J电工技术,():原佳亮护层感应电流检测技术在高压电缆运行中的应用C第二十五届华东六省一市电机工程(电力)学会输配电技术研讨会,欧阳建军高压电缆接地环流监测技术的应用J中国新技术新产品,():李忠磊,杜伯学高压直流交联聚乙烯电缆运行与研究现状J绝缘材料,():夏君山,夏向阳,赵威,等基于差值电流分析的高压电缆在线监测研究J高压电器,():(上接第 页)背靠背启动代替,受阻容量为,平均每年的经济损失将达到 万元.若采用台静止变频器,则年失败次数为 次,且受阻容量为 零,基 本 不 存 在 经 济损失.结语在高比例新能源的新型电网建设背景下,对比台 MW机组抽水蓄能电站配置套和套静止变频器的电站经济性、可靠性,得出以下结论.()配置套静止变频器可实现电站从停运至抽水满载的响应时间缩短半,单次启动可提升经济效益 万元,同时改善电网中短时间尺度内功率平衡问题.()配置套静止变频器时,机组按日设计启停次数运行下,基本消除静止变频器故障导致的电站受阻容量,平均每年可节省经济损失 万元.()配置套静止变频器时,电站不再需要繁琐的背靠背启动流程,大幅度简化了机组调试、运行复杂度.综上,随着新型电网的发展,台机抽水蓄能电站配置套静止变频器具有显著优势.参考文献 彭才德助力“碳达峰、碳中和”目标实现加快发展抽水蓄能电站J水电与抽水蓄能,():董海洋,衣传宝,王龙基于新型电力系统条件下抽水蓄能电站静止变频器配置台数的优化研究J水电与抽水蓄能,():谢小荣,马宁嘉,刘威新型电力系统中储能应用功能的综述与展望J中国电机工程学报,():谢小荣,贺静波,毛航银,等“双高”电力系统稳定性的新问题及分类探讨J中国电机工程学报,():姜海洋,杜尔顺面向高比例可再生能源电力系统的季节性储能综述与展望J电力系统自动化,():单华,彭宇菲,徐钢抽水蓄能电站S F C的应用与参数优化J电力工程技术,():电工技术电力设备