1、高压直流输电系统接地极在线监测第 32 卷第 9 期2006 年 9 月高电压技术HighVoltageEngineeringVol|32No.9Sep.2006?15?高压直流输电系统接地极在线监测杨文宇,刘健,王建渊,申明,王晓帆,李泽.,李晓辉.(1.西安理工大学自动化与信息工程学院,西安 710048;2.北京国网联合电力有限公司,北京 100080;3.湖北超高压输变电公司,武汉 430050)摘要:为满足实际电力企业生产需求,提出并实现了基于 GSM 与太阳能供电技术的高压直流输电换流站接地极在线监测系统.在接地极在线监测系统前台单元中实时检测换流站接地极的入地电流,观测井的水位和
2、温度等数据,利用数字信号处理器预处理,借助 GSM 网络传输,通过后台系统管理软件监测换流站接地极的运行状态.该系统已投入三峡一常州直流输电 500kV 龙泉换流站实际运行 ,效果良好,能反映该接地极运行状态的变化规律.关键词:高压直流输电;接地极;在线监测;数字信号;预处理; 全球移动通信中图分类号:TM855 文献标识码:A 文章编号:10036520(2006)09001503On-lineMonitoringSystemforHVDCSystemEarthPoleYANGWenyu,IIUJian,WANGJianyuan,SHENMing,WANGXiaofan,IIZe.,IIXi
3、aohui.(1.XianUniversityofTechnology,Xian710048,China;2.BeijingStateGridUnitePowerCo.,Itd.,Beijing100080,China;3.HubeiHighVoltagePowerSupplyEngineeringCompany,Wuhan430050,China)Abstract:Forthesatisfactionoftheelectricpowerenterprise“production,thesolutionisproposedinthispaperfortheremoteon-linemonito
4、ringsystemforHVDCsystemearthpolebasedonGSMnetworkandsolarenergypowersupplytechnology.Intheon-siteunitoftheon-linemonitoringsystem,thevalueofthecurrent,temperatureandwaterleveloftheobservationwellareobtainedfromdifferentsensors.ThesedataarepreprocessedinaDSPchipandthentransmittedbyGSMwirelesscommunic
5、ationnetworks.Thebackgroundunitreceivesandmanagestheon-sitedata.BasedOrlsoftwareofsystemmanagement,theoperatingconditionofHVDCsystemearthpolecanbediagnosed.ThissystemisalreadysuccessfullyputintoworkonLongquanconvertingstationofthe500kVHVDCtransmissionlinefromSanxiatoChangzhou,runningstablyandthevari
6、ablerulecanbeimpersonalityreflected.TheGSMandsolarenergypowersupplytechnologyisfirstusedinon-linemonitoringsystemforHVDCsystemearthpole.itwillmaybereducetheloadofthemaintenanceandsupplyagapandhasmuchvalue.ThisobjectivelymakeafurtheraccountthattheGSMnetworkandsolarenergypowersupplytechnologywillhavea
7、niceapplicationfutureinon-linemonitoringsystemforpowersystemearthpole.Keywords:HVIX:;earthpole;on-linemonitoring;digitalsignals;pretreatment;GSM0 弓 I 言高压直流输电作为新型输电方式投入运行时间较短,其运行基础数据较少,有待进一步搜集及分析整理.尤其是直流换流站接地极的运行参数采集等完全依靠人工来完成,自动化程度很低.而直流换流站在直流输电系统中是关键设备,该类设备的运行直接关系到整个高压直流输电系统的稳定,因此,对于直流换流站接地系统实时监测具有
8、重要的现实意义_2.本文提出基于 GSM 与太阳能供电技术的换流站接地极在线监测系统能实现接地极的电流,观测井水位,水温的实时监测和数据越限报警功能.国家南方电网公司正在规划设计额定电压 800全国优秀博士学位论文作者专项基金资助(200137)kV 的直流输电线路嘲,对在线监测产品的需求会更加迫切.目前国内还没有应用于高压直流换流站接地极在线监测的相关产品,所以,研究开发满足实际电力企业生产需求的在线监测系列产品成为为电力企业服务和用电安全的当务之急.1 接地极系统结构接地极工程一般包括换流站到接地极的引流线路和极址 2 部分.引流线路般采用双分裂双极架空线路输电,至极址中心塔后可采用架空线
9、路连接到周围的 4 个分支塔再与电极环连接,如三峡一常州直流输电 500kV 龙泉换流站龙青接地极工程;或直接采用导流电缆经接地管母线,阻波器与接地HighVoltageEngineeringVo1.32No.9极金属极体相接,如三峡一广东直流输电 500kV荆州(江陵 )换流站接地极工程 l_4.接地极的导流电缆截面为 240ram 铜芯电缆,需有防水性能.电流环一般为浅埋圆环形式,接地极极体圆钢采用冷轧碳钢或低碳钢,埋深 2.53m,极体周围活性材料为煅烧的石油焦炭.接地极极体间距和埋深对接地电阻和地表电位有影响 j.为反映接地极极体的运行状态,需在电流环圆周上均匀设置 812 个水位,水
10、温监测孔,测量极体周围的焦炭床顶部或下部的温度等数据 l_g.接地极线路运行时主要是导流作用,且设备处于隐蔽状态,若出现接地电阻超标,馈电环发热以及接地设备破坏等情况,将影响换流站正常运行_】.,对交流电网和变压器带来严重影响 l_】.按照高压直流输电换流站设计规程,在换流站运行初期要求通过双极运行,大地回路,大地金属回路 3 种运行方式的考验,且在日常运行期间随时掌握接地极的运行数据,包括换流站接地极人地电流,接地极观测井内的水位和水温等.目前,换流站接地极的监测方式只能采用人工现场检测,此检测不能获得换流站接地极实时的运行数据且一月一次,人工费用高.因为换流站接地极一般距离城市较远,大多在
11、 100km 外,按接地极设计寿命 30 年计算,每月检测一次,一个接地极终身的检测费用约 50200 万元.全国有几十个换流站接地极,设备的检测费用相当高.本文提出基于 GSM 与太阳能供电技术的直流换流站接地极在线监测系统可解决以上问题.2 在线监测系统设计2.1 在线监测系统的总体结构直流换流站接地极在线监测系统由前台监测系统和后台管理系统两部分构成.前者包括传感器,信号采集,数据处理,数据传输及系统电源等,以数字信号处理器(DSP)为芯片作为核心,由多种传感器采集并处理接地极人地电流,观测井内的水位,水温等参数,再通过 GSM 网络发送数据 ,电源采用太阳能电池和锂电池组成.后者负责数
12、据接收和处理,完成接地极参数管理和状态诊断及故障自动报警.系统结构见图 l.2.2 前台监测系统1)信号采集直流输电换流站接地极的电流运行方式有直流线路双极运行,单极金属回路运行和单极大地回路 3 种.前 2 种的人地电流一般为几个到几十 A,大地回路运行的人地电流可达几 kA.本文采用方法为:数据检测终端采用高速,高精度采样技术提供准确稳定的数据为整个监测系统中一l 堡垫堡垩查笪堡垫堕堡堑前台部分:后台部分图 1 接地极在线监测系统结构图Fj 吕 1Framefortheon-linemonitoringsystemforearthpole的数据源,也是 GSM 的主控端 .在接地极分支塔上
13、安装检测装置,将整个检测装置均置于屏蔽箱中.将从观测井内引出的水位,水温传感器和分支塔上的电流传感器接人检测终端.为解决抗干扰问题,在系统硬,软件 2 方面都采取了相应措施123.在硬件方面,前台单元采用铁,铝内外双层金属材料屏蔽;对于采集信号采用多层隔离,防止大电流信号烧毁核心电路;所有信号线采用双层屏蔽线;在软件方面,数字信号处理器设置了看门狗,错误陷阱,多重备份等措施保证系统自动纠错或复位.前台系统主要采集接地极的人地电流和水位,水温等数据.由于在双极运行和单极金属回路运行方式电流传感器输出信号很弱,在确保抗干扰措施前提下,须对信号采取放大,滤波等.该系统中采样信号进入微处理系统,先滤波
14、和限幅,再由数字信号处理器控制进入信号放大环节,根据输入信号幅值对其进行相应倍数的放大,然后由 12 位 A/D 分别高速采样这几路信号,计算相应周期内的电流值.采集后的信号都存储在前台存储单元中.2)数据处理前台监测系统的数据处理由单片机 W77E58 和看门狗定时器以及存储器和开关电源模块构成.CPU 支持电路主要有红外接口电路,DS1302 时钟电路,非易失性存储器,看门狗电路组成.在完全兼容 8051 单片机指令系统和硬件结构的框架下,具有 32K 的片内 FIASHROM 以满足嵌入式语言对大容量存储器的需求.具有电源管理控制,在保证系统正常工作下降低功耗.3)数据传输口.J 相对于
15、载波,光纤,无线微波GPRS 等通信方式 1.引,GSM 系统具有可靠性高,传输能力好,系统扩充性强,经济性高,维护费用低等优点.所以,由前台数据处理单元对采集到的数据按照通信协议打包,封装成帧,通过 GSM 无线通信网络传输,并由后台单元完成接收.为保障系统2006 年 9 月高电压技术第 32 卷第 9 期?17?有效运行,前,后台采用全双工进行双向通信.为保障系统高速,高可靠性的传输数据,在软件通信协议中采用数学编码等压缩技术减少数据传输量;采用海明码进行数据自动纠错.在 GSM 数据传输中采用基于 GSM 的远程控制与数据回报控制芯片(如 FAICOMA2D 系列,Wavecom 的
16、WMO2系列芯片),其 GSM 引擎模块提供的命令接口符合GSM07.05 和 GSM07.07 规范 ,通信前利用短消息功能设定参数和通信协议.4)系统电源对接地极的不间断监测需要长年24h 稳定的供电电源.高压输电线上取电存在绝缘隔离及电源干扰问题,难度大且不安全,不符合电力系统安全生产规程.本系统采用太阳能电池对锂电池浮充方式充电.系统采用休眠,待机及定时开机的工作方式降低整机的平均功耗,同时数据处理单元采用超低功耗的芯片,降级整机平均功耗,配以大容量锂电池供电,可在无阳光下连续工作 15d.2.3 后台系统后台系统的功能为数据的接收,存储,处理,诊断和反馈等.该系统根据前台发送的接地极
17、人地电流,观测井内水位,水温等数据,利用系统设置的安全运行标准判据诊断,故障定位和报警等功能.后台图形界面友好,可实时显示整个接地极的所有分支塔上的人地电流等数据和接地极当前和耋/一,历史运行状态.前,后系统可双向通信,后台譬一一一可根据诊断结果调整图 2 在线监测后台软件系统前台采样和数据发送 n2Softwareofthe周期,满足在线实时监 on-linemonitoring测要求.图 2 为在线 systemforearthpole监测系统后台系统主界面.3 结语基于 GSM 与太阳能供电技术的高压直流换流站接地极在线监测系统能在无人值守条件下,全天候自动监测高压直流输电换流站接地极人
18、地电流,观测井水位,水温等参数,再通过 GSM 网络传回后台,并由诊断系统分析,处理数据,完成报警,故障定位等功能.该系统已在三峡一常州直流输电 500kV 龙泉换流站龙青接地投入运行,性能稳定,能比较客观地反映该接地极运行状况的变化规律.该系统的运行可望大为降低直流输电换流站接地极维护的工作量,提高直流输电换流站接地极故障确定的准确度.可以预见 GSM 与太阳能供电技术在其它高压电力设备实时监测方面同样具有应用前景.参考文献1EPRLHDVCgroundelectrodesignJR.UnitedStates:HectricPowerResearchInstitute,1981.2杨文字,王
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