物联网技术在电力设备状态监测系统中的应用

摘 要：避雷器作为电力设备的过电压保护装置，其性能的优劣对电力设备安全运行起着很大作用。提出了一种基于无线传感技术的避雷器状态监测系统，并利用基波分析法来诊断避雷器运行状态，并取得较好效果。

0 引言

金属氧化物避雷器已在电力系统中得到了广泛的应用，其作为电力设备的过电压保护装置，对电力设备安全运行起着很大的作用。避雷器在运行电压作用下产生泄漏电流，包括容性电流和阻性电流，其中容性电流的大小仅对电压分布有意义，并不影响发热，而阻性电流则是造成金属氧化物电阻片发热的真正原因。当避雷器内部出现异常时，主要是阀片严重劣化和内壁受潮等阻性分量将明显增大，并可能导致热稳定破坏，造成避雷器损坏。但这个持续电流阻性分量的增大一般是经过一个过程的，因此运行中监测金属氧化物避雷器的持续电流的阻性分量，是保证安全运行的有效措施。

目前开展避雷器带电测试方式有全泄漏电流在线测试技术和利用便携式测试仪定期带电检测阻性电流。这二种测试方式均存在不足之处，其中前者只能观测全泄漏电

流无法区分容性电流和阻性电流，由于采用模拟测试技术结果易受空间电磁场干扰、精度差、准确度差;而后者无法实现实时监测，虽然能较为准确地测量阻性电流分量，但试验接线较繁琐，大型变电所引线布置复杂难以满足测试要求，雷雨季节前后各变电所普遍开展测试工作量大，此外测试过程中需要在运行设备上进行接线对工作人员及试验设备都有一定安全风险。因此，研究一种新型的避雷器状态监测系统已迫在眉睫。

1 以前避雷器在线监测存在的不足

以往有过避雷器泄漏电流在线监控实验性产品，主要采用RS-485，CAN组成监控网络。其安全保证主要是光电隔离，然而这类避雷器泄漏电流在线监控方案的安全性是有疑问的。由于避雷器在动作时要承受巨大的雷击能量，避雷器泄漏电流监视器同样也要承受这个能量，如果采用这类在线监视技术不可避免的需要布设供电和通讯线缆，电源线只能采用铜缆，这会带来巨大风险，如果装置出现问题很可能将雷击能量引入控制室，导致故障扩散到变电站主控设备而使得整个变电站崩溃。由于安全风险巨大，采用此类在线监测方案的产品几乎没有得到变电站采用。

图1 WSN网络结构图

2 无线传感技术应用特点

无线传感器网络(WSN)就是由许多集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身，嵌入式节点传感器通过2.4GHz无线通讯方式互连起来的网络，采用TDMA突发跳时扩频和跳频扩频模式结合的方式通讯，传输基站与主机间通过RS-485总线(或CAN)互联，WSN网络结构图如图1：

WSN技术应用到避雷器泄漏电流状态监测上特别合适。采用WSN技术可以很好的解决避雷器泄漏电流监测问题，由于WSN是无线通讯网络，每个电压、电流传感器与路由和主机都是通过无线联系，任何一个传感器的故障不会导致整个监测网络的崩溃，也不会将雷电流引入控制室，所以不会给变电站监测系统带来任何额外的风险，具有高度的系统可靠性。

3 状态监测系统原理分析

采用基本法分析检测避雷器泄漏电流及诊断运行状况。通常流经金属氧化物避雷器电流包含容性成分IC和阻性成分IR，IC主要为基波成分，IR则除含有基波成分外，还含有丰富的谐波成分，这是由避雷器的非线性特性造成的。避雷器是否正常的主要特征就是判断其IR是否在正常的范围以内，监测系统主要任务就是从全电流中提取出IR。在正常状态下，其阻性电流IR远小于容性电流IC，因此全电流主要表现为IC。虽然IC在相位上超前于IR90°，但对于两者的基波来说，在不引入外部参考信息的情况下很难将IR分离出来。由于IR和该项电压同相位，因此只要引入该项引入电压信号即可精确求取IR分量。

基于上述理论，系统中的电压、电流传感器通过无线基站接收器与现场测试元件连接，电压传感器测量各相电压的过零时间和各相电压的各次谐波分量，在电压过零的同时无线避雷器泄漏电流传感器向测试元件发送电流值，二者共同参与计算阻性电流。无线避雷器泄漏电流传感器测量总泄漏电流的基波和各谐波分量，与电压传感器协调计算出阻性电流分量。

此外，系统还提供一种3次谐波辅助判断技术。系统提取电压、电流中的3次谐波，当电压信号中3次谐波增加，电流3次谐波也随着增加属于正常情况;当电压信号中3次谐波正常，避雷器泄漏电流3次谐波增加则表明避雷器阀片可能出现劣化的征兆，系统将同时比对当前时刻的阻性电流，以及当前的环境湿度，给出出避雷器内部阀片的真实状态。

4 无线传感避雷器状态监测总体设计

整个系统共分为前端数据采集、数据存储与传输、状态监测展现管理三大模块，涉及实体设备主要包括无线传感器网(WSN)、无线避雷器泄漏电流传感器(WCS)、无线电压相位传感器(WPS)、现场处理元件、数据传输平台和客户端监控。无线避雷器泄漏电流传感器实现避雷器内运行电流的采集和传输;无线电压相位传感器实现为现场处理元件提供基准电压信号;现场处理元件对采集到的电流、电压原始值进行积累，提取全电流、阻性电流、谐波电流、动作次数等状态量通过规定协议传输给数据库;状态监测展现部分利用网络平台提供的工具开发信息管理系统软件读取数据库内容，在各终端实现远程实时对避雷器状态进行监测和对历史数据进行查询分析，达到保证电力系统稳定运行的目的。总体结构如图 2所示。

图2 总体结构图

4.1无线避雷器泄漏电流传感器(WCS)

无线避雷器泄漏电流传感器要完成泄漏电流大小，谐波分析和雷击次数采集，以及现场温湿度数据采集，通过无线传感器网络(WSN)实现无线传输，将测量的结果送到现场处理元件。无线避雷器泄漏电流传感器由微电流感应线圈、控制器、湿度传感器等组成，微电流感应线圈采集泄漏电流信号，具有灵敏度高、抗干扰强的特点，对1mA以下的泄流电流感应情况良好;控制器采用超低功耗快速傅里叶FFT算法分析，计算出泄漏电流中的基波及谐波分量;作为辅助判断设备同时配有环境温湿度传感器，可以实时测量避雷器工作环境湿度，因为在不同湿度环境下测量的电流数据有一定的差异，采用多传感器融合的方法给出比较正确的运行数据。

4.2无线电压相位传感器

电压相位传感器的主要功能是产生避雷器监测单元所需的基准电压信号，同时测量基准电压信号与各电压等级及各相PT电压的相位，将测量结果通过WSN网络发送至避雷器现场处理元件，以用于计算全电流与母线电压的角差，进而计算出容性电流和阻性电流。PT电压信号取自母线压变二次侧，在二次端子上并接小型高阻采样装置，PT电压信号同样采用WSN技术传输。

4.3 状态监测软件组成

避雷器状态监测分析软件分4个组成部分，分别为：①缺陷专家告警系统，出现异常发出告警信号;②通讯服务程序，负责网络通讯连接;③在线监控系统控制软件，供后台分析; ④web程序，提供web发布与浏览。其中可供浏览查阅的数据有总泄漏电流、阻性电流、各次谐波电流、雷电记录次数。

5 试验与结论

系统在实验室对一组220kV氧化锌避雷器进行了验证，试验数据如下表1，检测结果符合实际情况，该系统检测精度高，可靠性强，试验取得了较好效果。

表1 220kV氧化锌避雷器电流数据

由于采用了无线传感技术，避雷器状态监测系统现场布置接线简单方便，与同类设备比较避免了将运行雷电流引入控制室的风险，经试验验证监测体系数据稳定，与实际状态基本吻合。监测系统实时远程监控避雷器各项运行状态量，为运行及检修人员省去了大量的状态量现场采集工作，提高了工作效率，降低了安全风险。

监测系统具有的缺陷专家诊断技术可对变电设备内部缺陷发展实时跟踪，作出趋势判断，当有状态量异常时能立即发出报警信号，相关部门随时可对异常设备历史数据进行人工查阅、分析，掌握异常状态量的发展规律，进而可以制定真对性强的检修策略，缩短检修时间，提高变电设备运行可靠性。避雷器状态监测系统的建设为状态检修深入开展提供了检修依据，对设备的绝缘监督和智能化建设也都有重要意义。

参考文献：

[1]孟飞.金属氧化物避雷器泄流电流监测仪的研制.电测与仪表，2009.03

[2]李虹山等.金属氧化锌避雷器(MOA)的在线监测及故障诊断.电力建设，2008.04