1、1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 一所编 写：胡 剑日 期：二一一年三月2目 录第 1 章 引 言 .2第 2 章系统相关技术 .22.1 电缆接头测温分析 .222 GPRS 技术的应用及分析 .5第 3 章 现场监测装置的介绍 .93.1 自供电无线测温传感器 .93.1.1【产品概述】 .93.2DCU 数据采集器（GPRS 可选） .13第 4 章 上位机管理系统 .164.1 监控中心数据采集系统 .164.2 SCADA 系统概述 .164.3 控制系统功能 .223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，
2、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
3、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。42.1.2 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
4、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，Ti Tx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Rx Ix RH1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RH2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，T
5、i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Tx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xi算的要求。52.1.4 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)TIx02式中 , , , 为安装初始测定值，K 为比例修正系数。Ix0T0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xT号。除了极限预警情况下要及时对电缆头采
6、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
7、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Rx2的接头电阻 的比值，其中 , , ； , , 分别为 t2与 t1时刻Rx1IxT2Ix1T1的对应参数，可以把它们作为接头电阻评估的依据。P= (2)(1212Ixx6由式（2）可以看出，t 1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，t 2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
8、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)(2Tx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
9、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)Lt)(NixM1T)(40xt式中 为材料修正系数， 为温度修正系数， 为测点温度。x Tx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。2.2 GPRS 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：短消息（SMS），通过拨打终端号码而获取数据资料短消息；GPRS 技术，核心是通过 IP 转换技术进行数
10、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：72.2.1 GPRS 原理及技术特点GPRS 是通用分组无线业务 general packet radio service 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
11、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 1 GPRS 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
12、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。2.2.2 GPRS 的技术特点81）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
13、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
14、网络系统。图 2 系统构成示意图2.2.4 基本工作原理：9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，
15、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
16、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 2040Kbps 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。102.2.7 系统应用 GPRS 技术的不足1） 对移动
17、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）：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
18、 95%；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 1024 kBytes 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
