一种电涌保护器智能监测系统的研制

翁慧颖，陆海波，钱 江，鹿鸣明，郭创新

（1.丽水电业局，浙江 丽水 323000；2.浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027）

随着电力系统自动化技术的发展，变电站自动化程度越来越高.弱电设备的通信线缆会将各类过电压引入，造成设备无法正常运行甚至损坏［1－2］.安装电涌保护器SPD（Surge Protective Device）可阻止雷电流从各类电缆引入，实现分流，是变电站二次系统防雷的最主要措施［3－4］.这些SPD在线长期运行时，在雷电过电压（流）脉冲波侵扰和自然老化的双重作用下，其性能会逐渐下降，一旦劣化失效，会造成严重后果.因此，现场在线SPD性能状态的测试［5］和故障诊断［6］以及设备整体雷电过电压（流）防护能力［7］的评估工作同样极为重要.但随着变电站SPD的增多，人工现场测试、评估和维护工作量急剧增大，这在人力、物力和时间方面往往让管理人员力不从心.

目前，国内外对于雷电流的测量已有较多的研究［8－9］，但专门针对变电站电涌保护器（SPD）在线监测的成套系统尚不多见.市面上已有的一些便携式SPD测量仪，对SPD的测试需通过人工定期监测，大大增加了监测SPD的工作量［10］.

笔者遵循IEC 61850［11］变电站自动化系统标准，开发了一套能对已安装的SPD在线性能状态进行实时监测和老化预警的智能系统.该系统可以取代耗费大量人力、物力的现场测试，同时能够采集雷击电流波形等参数，结合安装位置可以较为有效地判断雷电流的入侵方式，为变电站整改防雷措施提供依据.该系统已经在陈寮山微波站现场运行，效果良好.

1 总体设计方案

SPD智能监测管理系统架构主要由中心显示管理平台、通信模块和现场测量终端组成.现场测量终端负责收集SPD各类信号，主要包括状态采集和接地点的泄流波形等；通信模块根据具体实际情况选择合适的方式传输终端数据；中心显示管理平台则负责汇总显示，并与用户交互，也可在此进行数据后期处理与分析.系统总体构架如图1所示.

现场测量终端安装在各变电站，SPD泄流接地线的泄流波形经雷电流传感器转化成电压信号，通过隔离电路由高速AD转化为数字信号进入FPGA/DSP处理模块，SPD遥信端状态信号经I/O光电隔离电路直接进入FPGA/DSP处理模块.终端数据经由通讯模块选择以太网或GPRS实时发送到中心显示管理平台，由中心显示管理平台对现场数据进行综合管理和分析.中心显示管理平台对失效SPD或遭受雷击的SPD进行报警显示，并对所有数据进行图表化管理，支持生成各类统计报表和台帐.

图1 SPD智能监测管理系统框架Figure 1 Framework of intelligent SPD monitoring system

2 关键模块设计

2.1 监测终端

现场测量终端主要由电流传感器、前向通道、FPGA（Field－Programmable Gate Array）采样控制模块、DSP中央控制模块和数据传输接口等组成，如图2所示.

图2 信号采集与处理流程示意Figure 2 Schematic diagram of signal acquisition and processing

雷击电流的测量采用Rogowski线圈作为SPD智能监测管理系统的终端测量装置的传感器.在SPD波形采集过程中，前置信号调理电路进行信号的阻抗变换和放大驱动.通过一级运放来实现阻抗转换以减小输出阻抗，同时转换电平以保证与后面的A/D转换器相匹配.SPD泄流接地线的泄流波形经传感器转化成电压信号，通过隔离电路由高速AD转化为数字信号进入FPGA采样控制模块，SPD遥信端状态信号经I/O光电隔离电路直接进入FPGA采样控制模块.SPD泄流接地线的泄流波形信号和SPD遥信端状态信号经FPGA初步组合处理进入DSP中央控制模块，由DSP中央控制模块负责数据的最终整合、存储，并利用以太网或GPRS网络传输模块将现场数据实时传输到中心显示管理平台.

2.2 通信模块

终端数据通过以太网或GPRS实时发送到中心显示管理平台.参考IEC（International Electrotechnical Commission）61850通信标准，对设备间的互联进行规范化，形成一个规范的输出.这可以减少工程量、现场验收、运行、监视、诊断和维护等费用，节约大量时间，增加了自动化系统使用期间的灵活性.采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范MMS（Microsoft Media Serverprotocol）、TCP/IP、以太网或光纤网以及GPRS无线通信网.整个监测平台的测控单元均采用统一的协议，通过网络进行信息交换.采用IEC 61850的通信协议体系，使得整个监测系统能够与其他使用相同接口规范的平台进行无缝连接.

2.3 中心显示管理平台

2.3.1 层次结构

中心显示管理平台实时接收现场测量终端的数据，并对现场数据进行综合管理和分析.中心显示管理平台对失效SPD或遭受雷击的SPD进行报警显示，并对所有数据进行图表化管理，支持生成各类统计报表和台帐.中心显示管理平台的软件层次主要分为界面层、逻辑层、数据层和通讯层，如图3所示.

图3 中心显示管理平台软件层次Figure 3 Architecture layers of center display management platform

1）界面层.面向对象的软件设计，实现系统各项功能在界面上的实现和人机交流功能，实现友好的人机交互界面，体现系统维护管理和结果显示的灵活性和人性化；

2）逻辑层.负责综合管理系统数据和实现系统的各种功能，是中心显示管理平台软件设计的核心；

3）数据层.提供上位机数据库访问、存储等基本接口；

4）通讯层.提供上位机与终端通讯接口.

2.3.2 软件功能

中心显示平台主要功能包括：

1）采用Client/Server（客户/服务器）结构，后台采用SQL（Structured Query Language）数据库，支持Web访问和查询，支持终端管理功能（用户可以创建新的终端，定义终端的属性及终端每个采集口的名称以方便管理）；

2）报警窗口在系统设置的响应时间内未响应，系统将发短信通知相应用户；报警窗口关闭，系统则不发送短信；

3）在线SPD管理，即管理SPD的基本属性和参数，如：编号、品牌、型号、安装时间、雷击次数、雷击时间、泄流电流幅值及波形；

4）现场终端管理，包括终端基本信息和参数管理，以及终端开关量及模拟电流与SPD的对应设置；

5）报警管理.报警触发分2种情况：即①在线SPD损坏，在线SPD受雷击后，动态监测性能变化；②系统定时检测，针对SPD使用寿命期限等情况，在其即将失效前进行预警，提醒更换，从而能更加有效地保护设备.报警设置，即设置在线SPD不同型号的不同报警条件，1个型号对应1条报警规则.报警记录查询，即根据报警信息、报警时间、处理情况等进行查询；

6）维护管理.包括：权限管理，支持多用户分级权限管理，对Web访问用户给予最低权限；基础资料管理，给系统内各在线SPD建立基础信息库；报表维护，统计雷击记录（日期、地点、在线SPD泄流电流），统计在线SPD更换记录（日期、地点、在线SPD型号）.

2.3.3 多级分组管理

随着SPD产品安装数量的增加，监测系统轮询其运行状态的时间间隔也明显增加，导致监测系统实时性和效率的降低.在此情况下，提出了根据SPD所处的地理位置进行多级分组管理的解决方案，应用多级分组机制进一步规范对SPD的统一管理.

按照多级分组管理策略，监测系统监测SPD运行状态，需要从顶级分组开始.轮询从一级分组的第1个结点开始，第1个结点轮询结束反馈其相关信息，之后轮询一级分组的第2个结点，依次反复执行，对其内部所有级别分组的每个结点进行故障监测.

基于此种描述，可归纳出应用于计算机建模设计领域的N 叉树数据结构模型.监测系统的故障监测过程，归结到算法设计上就是对N叉树进行遍历的过程，即实现根结点→每个分支结点→叶子结点的遍历过程.实际中，监测的是各级分组内的所有SPD的运行状态，而不是分组本身，分组只是一个虚拟的概念，目的是为了便于管理.同样，监测系统真正轮询的是分组内部所有SPD的运行状态，而每级分组只是将其内部所有SPD的故障状态呈现给用户的软件界面，一旦SPD状态出现异常，分组就会相应动作发出故障提示.

2.3.4 人机交互

人机交互的界面层采用面向对象的软件设计，实现系统各项功能在界面上的实现和人机交流功能，体现系统维护管理和结果显示的灵活性和人性化.

系统界面全面展示了整个SPD监测系统，菜单栏中提供了系统管理、设备管理、报警管理、通讯管理及统计分析服务等功能.主界面显示的SPD监视详情可按处理类型进行筛选，提供当前信息和历史信息；下方雷击记录子窗口中可双击查看某一雷击的波形图.

利用智能监测系统主界面，用户能够全面了解当前SPD的运行情况，对雷击做统计分析，可以对SPD设备遭受雷击后的处理进行录入管理.

3 应用实例

陈寮山位于浙江省丽水市北面，是丽水城区最高峰.陈寮山微波通信站是一个典型的雷害严重的微波通信站，位于山峰顶部，设有铁塔，由于山高树少，极易成为雷击的目标.尽管微波通信站采取了一定的防雷措施并安装了防雷器件，但雷击事故依然时有发生.雷电流如何入侵、入侵强度、雷击时防雷器件是否正常工作，这些问题以目前的技术手段尚无法评估.

同时，在微波通信站安装的SPD多数时间处于无人值班的状态，这些SPD长期运行时，一方面抗御雷电过电压（流）脉冲波侵扰，另一方面也在自然老化，一旦SPD处于劣化、失效边缘，不仅可能造成设备无法正常运行，在雷击时还有可能失去防御效果［12］，因此，现场在线SPD性能状态的测试以及设备整体雷电过电压（流）防护能力的评估工作与防雷措施同样重要.

针对雷害较为严重的陈寮山微波通信站，SPD智能管理系统在该微波通信站中的应用旨在判断雷击入侵的途径和采集雷电流参数，分析雷害成因，提供风险评估与雷击过电压防护措施等级研究，指导防雷装置的科学设计、安装并完善，减少防雷设备的重复投入，使有效的防雷资金发挥最大的作用；同时对微波通信站电涌保护器在线运行状态进行实时监测，通过对SPD动作泄放电流的采集和分析来判断防雷措施是否处于有效工作状态.

针对以上目标，结合工程实际情况，分别在供电线路、环母接地点、GPS天馈线等处安装现场测量终端，如表1所示.

表1 SPD智能监控管理系统终端配置Table 1 Terminal unit setting of SPD monitoring system

SPD智能监测管理系统从2009年3～8月对陈寮山微波站各监测点雷击次数统计结果：来自电源C相和TITAN电源机柜接地点的雷击次数均有5次，电源进线复合避雷器接地线和电源N线的次数各3次，环母上的次数为4次.

图4所示是其中一次雷击的具体波形（终端为HZYN0612002）.发生在2009年8月29日机房环母东北位置记录的雷击数据.雷电流为正极性，波形震荡，峰值为0.84kA，采样频率为10MHz.从波形和极性判定为感应雷.

图4 机房环母东北位置记录波形Figure 4 Recorded wave form of ringbus in the northeast machine room

综合以上运行数据可知，SPD智能监测管理系统能够采集雷击电流波形等参数，结合安装位置可以判断雷电流的入侵方式，为微波站整改防雷措施提供依据.随着时间的发展，在积累更多的样本之后，该系统会是一个非常有效且实用的雷电灾害分析和防雷减灾工具.

4 结语

笔者针对目前变电站现场测试SPD复杂、高成本方面的缺点，设计了一种电涌保护智能监测系统.其主要优点有①监测变电站雷击入侵渠道，分析雷害成因；②监测SPD工作状态，对不正常SPD告警；③研究变电站防雷击过电压装置建设的有效性、科学性及合理性.

该系统已在陈寮山微波站实际运行.运行数据表明，该系统能够有效地采集雷击电流波形等参数，结合安装位置可以较为有效地判断雷电流的入侵方式，为变电站整改防雷措施提供依据，进而提高变电站的整体防雷水平.

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