分布式电缆沟环境监测报警装置在变电站内的应用

朱自强, 洪 波, 章俊辉

(国网安徽省电力有限公司超高压分公司, 安徽 合肥 230009)

0 引言

电缆沟是变电站不可缺少的基础设施，沟中电缆不仅涉及电力传输，还涉及继电保护、自动控制、通信、测量和计量等设备，是变电站的神经中枢，一旦沟中电缆发生故障，不但检查处理工作难度大、时间长，还有可能使继电保护或控制回路失效，造成事故扩大[1,2]。

目前，影响电缆沟内设备稳定运行的主要因素是火灾、小动物破坏和水浸[3,4]，对应的后果、现有预防方式、发现方式如表1所示。

表1 影响电缆沟环境的主要因素

目前，变电站电缆沟内环境巡视，通常需要人工巡查，并逐一打开电缆沟盖板查看沟中环境。而故障后的查找和定位，主要还是靠人为查找，逐一缩小故障范围定位故障点的方式，该方法耗时时间长，效率低下。

1 监测装置的研制

1.1 盖板材料

使用智能盖板采用高分子树脂复合板和防火板压制而成的双层透明盖板，由于盖板的透明性，可将太阳能电池板直接集成于透明盖板上，无需另行布置。盖板上预留各类传感器电源接线接口。

按正常两人巡视或异常处理时，测试打开透明盖板的时间，反复试验十次计算平均值，试验打开盖板时间见表2，10次试验的平均值为21.7 s。

表2 盖板打开时间测试

采用轻型材料更加轻便[5]，集成太阳能电池板更加方便[6]，打开盖板时无需先将电源模块拆除，节约时间。

1.2 数据显示

采用液晶显示屏，将该盖板区域电缆沟数据显示在盖板上。按正常巡视时观察，测试在不同天气条件下、不同时间段数据显示的清晰程度。如表3所示，在各类天气或时间段，液晶显示均能提供清晰的数据显示。

表中“√”表示数据显示清晰。液晶显示还可以根据需要图形化定制。

表3 液晶显示测试

1.3 通讯方案

使用ZigBee技术[7]通过网关采集传感器信息，并通过无线Wifi对各网关组网，将信息传送至路由器，路由器将信息分发至本地监测后台、手持移动终端、远程计算机等。测试使用无线组网，数据传输丢包率。每轮次测试100次。试验结果如表4所示，平均丢包率为0.2%。

表4 Zigbee无线组网测试

每个盖板为一个子模块，方便检修与替换。并可通过中间路由器向本地后台、手持移动终端、远程终端等推送，能够准确反映出采集到的传感器或发出告警信息的盖板位置。

1.4 数据推送

开发专用的APP，发生告警时，向运维人员手持移动终端APP推送信息。在装置上产生报警信号，测试运维人员手持移动终端、手机APP推送告警信息的时间。反复试验十次，取平均值。试验结果如表5所示，数据推送的平均延时不足3 s，可以满足信息实时推送的要求。

可以根据需求定制APP功能，除可以接送推送告警外，还可以展示各盖板实时采集的数据。

表5 数据通讯测试

2 组装调试

2.1 盖板制作

经过查阅资料和调查分析[8]，设计了电缆沟智能盖板所需集成的各类模块信息，主要包括主控制器、与主控制器连接的电源模块、数据采集模块、显示屏、通讯模块，如图1所示。

图1 电缆沟盖板主要集成单元示意图

1)主控制器内控制芯片为智能盖板的核心，用于信息的接受及控制指令的发送。

2)电源模块包括太阳能面板、锂电池、电源管理系统，太阳能面板的输出端与电源管理系统的输入端连接，锂电池与电源管理系统相互连接，电源管理系统的输出端与主控制连接。电源管理系统主要包括锂电池充电管理回路、电源管理电路。该系统采用内置锂电池供电，同时通过太阳能光伏发电给锂电池充电，实现供电，节能环保。

3)数据采集模块主要包括温度传感器、湿度传感器、双鉴传感器、水浸传感器、感温线缆；温度传感器用于采集沟中环境温度；湿度传感器用于采集沟中环境湿度；感温线缆用于监测沟中火灾情况，当沟中电缆因温度过高产生烧灼时感温线缆会短路产生告警信号；双鉴传感器用于监测沟中小动物的活动情况，防止小动物对电缆造成损伤；水浸传感器用于监测沟中排水情况，当沟内排水不畅水位抬高时会发出告警。采用可插拔式传感器模块，方便故障传感器的更换和检修。各采集模块的作用如图2所示。

4)盖板采用彩色液晶屏，可实现实时数据的显示。

5)通讯模块采用ZigBee通讯方式，与网关和主路由通讯。

6)智能盖板采用高分子树脂复合板和防火板压制而成的双层透明盖板，外周设置不锈钢边框，有效解决传统盖板笨重不易操作的问题。

整个盖板制作后，各功能模块位置如图3所示。

图2 各传感器采集数据示意图

图3 电缆沟盖板组装调试

经测试，各类传感器采集率100%，液晶显示面板显示准确率100%，太阳能电池板供电可靠性100%，与无线传输器的通讯可靠性100%。在无任何光照条件下，电池续航能力可以达到70 h左右，满足现场要求。

2.2 通讯模块

各盖板上的采集模块直接与智能盖板连接，通过智能盖板的通讯模块进行数据的传送。每个智能盖板与网关通过ZigBee无线通信，稳定可靠，避免与监测主机的布线连接及位置的限制。ZigBee路由器属于物联网通信，具备自组网功能。每个网关通过无线网络与中心路由器连接。数据通过中心路由器分发，通过有线网络与本地终端连接，通过无线或4G网络向远程服务终端推送，进而推送至手持移动终端、远程终端等。

2.3 客户端APP

目前开发APP主流的编程语言包括Java、Object-C等，其中Java语言是在Android平台开发APP应用程序使用，Object-C是适用于IOS智能操作系统的APP开发语言，是苹果APP的主流语言。考虑到APP开发难易程度，本文优先在IOS系统上开发客户端APP，今后将逐步向Android系统扩展。APP设计思路如图4所示。用户授权登陆成功后，APP面板将显示各传感器实时采集的数据信息，并判断是否有告警信号的推送。若有告警信号，APP将显示告警信息，并要求用户及时对告警信息进行确认。若无告警信号或用户已对告警信号确认，APP将返回继续显示实时数据信息，否则将持续显示告警信息直至用户确认。

图4 APP设计流程图

1) 温湿度监测，为电缆沟设置了监测入口，电缆沟当前环境温度湿度数据显示，该数值每1 min更新一次。

2) 报警监测器，包括感温线缆监测、小动物监测、水浸监测。

3)只要登陆了APP，并在手机系统里设置通知打开，所有报警都会实时推送到手机提醒，并不需要打开APP的状态。

APP显示画面如图5所示。

图5 APP显示画面示意图

2.4 组装调试

将上述各部分模块组装并布置于电缆沟内，并为值班人员手机安装开发完毕的APP，登录授权，如图6所示。

图6 安装效果图

组装完成后，对整个系统进行数据测试和延迟测试，测试结果如下。

1) 电缆沟环境数据采集测试：对所采集的各类传感器的准确率和延时情况进行测试。如表6所示，经过十次测试，信息采集的准确率均为100%，信息传递延时误差不足3 s。

表6 电缆沟环境数据采集测试结果

2) 告警推送测试：对告警推送的可靠率和延时情况进行测试。如表7所示，经过十次测试，告警信息推送的可靠率均为100%，未发生误报或漏推送情况，报警传递延时误差不足3 s。

表7 告警推送测试结果

按照此方案在某500 kV变电站试运行三个月，统计三个月内的试验结果，得到以下结果，如表8所示。

表8 组装调试测试结果

经过现场值班人员确认，电缆沟内故障查找和定位时间最长不超过8 min，告警正确率达到100%，实现了本文的目标。

3 总结

变电站电缆沟内设备稳定运行是变电站稳定运行的重要保障，500 kV变电站是电力系统主网架重要组成部分，供电可靠性的提高进一步保障了居民生产和生活用电，具有显著的社会效益。

本文研制的智能盖板实现电缆沟内环境数据的实时采集及显示，利用无线ZigBee技术、无线技术、传感器技术将监控管理服务器、本地服务器及智能盖板构建成一个完整的电缆沟环境监测平台，能够实时监测电缆沟的运行环境，全面监测电缆沟内的潜在隐患，以及信息的快速传输，帮助运维人员有针对性地开展巡视，解决巡视无针对性或留有死角的问题，并通过该系统将沟内环境保持在一个良好的状态，为进一步开展电缆网运行评估、检修提供及时有效的数据支撑，保证了电缆的安全可靠运行，减轻运维人员的工作，提高工作效率。