输电线路在线监测系统可靠性提升方法研究

王 睿，郭志广，郎庆凯，郑鹏超

（北京国网富达科技发展有限责任公司，北京100070）

0 引 言

输电线路在线监测系统是智能电网建设输电环节的重要组成部分，是实现输电线路状态运行检修管理，提升生产运行管理精细化水平的重要技术手段［1］。输电线路在线监测系统应用环境较为复杂，绝大部分装置安装在远离城镇的地方，地形复杂，自然环境恶劣，常出现高温高寒等极端天气情况；具有较强的电磁干扰、工频磁场干扰等。这样恶劣的应用环境对在线监测装置的可靠性提出了较高的要求［2］。

1 系统构成及设计要求

1．1 系统构成

输电线路在监测系统针对输电线路运行状态进行实时监控，可以实现线路覆冰、舞动、风偏、弧垂等运行状态以及线路和杆塔所处微气象环境的实时监测，在线路运行异常时发出预警，指导线路的运维与抢修。

输电线路在线监测系统由监控终端、监控基站和监控平台3部分构成，如图1所示。监控终端安装于杆塔或者导线上面，实现线路运行参数的采集；监控基站负责各路监控终端数据的收集、存储、处理，并将监测数据通过无线公网传输到监控平台；监控平台部署于机房，实现数据的处理与展示。

图1 输电线路在线监测系统结构图

1．2 可靠性设计要求

国家电网公司相关技术规范规定，输电线路在线监测装置的设计寿命应大于8年，平均无故障工作时间（MTBF）应不低于25 000 h，年均数据缺失率应不大于1%；应具有较强的环境适应性，具备防雨、防潮、防腐蚀、抗振、防雷、抗电磁干扰等性能；适应在－40℃～＋70℃的温度范围、高电磁干扰的环境下长期稳定工作。

1．3 常见故障分析

在输电线路在线监测系统中，监控平台安装于机房，稳定性较高，并且维护方便，因此影响系统可靠性的因素主要集中于监控基站和监控终端，其常见故障集中于以下几个方面［3］：

（1）硬件电路故障：严酷的环境温度、强烈的电磁干扰、雷击等外界干扰，长时间运行电子元器件的失效等造成装置硬件电路的损坏。

（2）软件故障：在强电磁干扰环境下软件程序运行出现异常造成的死机、数据失效等现象。

（3）供电系统故障：由于运行环境的限制，在线监测系统只能采用太阳能方式供电，长时间阴雨天气会造成供电暂时中断；电池在恶劣环境下长时间运行会出现容量减小、负载能力降低、失效等现象，造成供电中断。

（4）通讯系统故障：野外环境公网信号较弱，会出现通讯异常情况。

（5）机械及封装故障：监控装置在杆塔和导线上面的安装固定、线缆的连接、机壳防水等因素导致在野外环境长期运行易出现异常，造成设备故障。

2 可靠性建模

根据可靠性设计理论及在线监测系统的常见故障，将在线监测系统分为主控电路板、监测终端、供电系统、通讯系统、外接传感器等几个功能模块。由于MTBF是一个基本可靠性参数，任一个组成单元的故障都会导致系统故障，因此输电线路在线监测系统的可靠性模型为一个串联结构模型，功能框图（图2）和可靠性框图（图3）如下。

图2 在线监测系统功能框图

根据输电线路状态监测CMD的可靠性框图，可以推得输电线路状态监测CMD的可靠性数学模型［4］：

式中，RS为输电线路状态监测CMD的可靠性；R1为基站ARM9主控板可靠性；R2为监测终端可靠性；R3为供电系统可靠性；R4为通讯系统可靠性；R5为外接传感器可靠性。

3 可靠性提升方法

3．1 电路设计

按照产品可靠性设计理论进行梳理和优化。

（1）根据应用标准，从环境因素、人的因素、机器因素三个大的方面调研在线监测系统的应用条件，形成设计输入条件，用以指导可靠性设计。

（2）按照可靠性设计流程，从器件选型、降额设计、冗余设计、电磁兼容设计等各个环节，对系统电路进行梳理、计算、核查，发现并解决在临界或极端条件下可能会出问题的设计隐患［5］。其中系统电路除个别器件外，均按照一级降额进行选型和设计；设计了完全独立于主控系统的状态监控模块，当主控系统出现异常及死机状态时，可触发断电复位；部分易出问题的传感器和电路采用了备份设计，在单个部件出问题的情况下，保证系统可以正常工作；按照四级防护等级进行电路防护设计，添加防雷模块，最大程度提高产品的防护性能［6］。

（3）工程计算

电子器件的参数都有一定的波动范围，并不是稳定的单一数值，在长期运行中，或者在批量生产中不同的设备之间，同一台设备的不同工作时间段，都会出现少量的不一致现象，严重者会出现参数超标，引起系统故障。因此，只根据设计经验进行器件选型，存在临界条件下出现异常情况的风险，宜通过工程计算的方式进行容差计算分析，做最坏电路情况分析，将器件的实际工作状态和潜在风险隐患或者余量，用定量的数据计算出来，可以实现预知和可控。

用上拉电阻的工程计算进行实例分析，如图4所示。

图4 上拉电阻电路图

上拉电阻的作用就是将不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平，此电阻同时起限流作用。如图中所示，R1为信号线nCS0的上拉电阻，nCS0与CPU的PA0管脚和存储芯片SDRAM的CE管脚相连接。通过芯片数据手册可以查到CPU I／O的输出电流最大为8 mA，SDRAM I／O输入电流为2μA，输出电流为1μA。

当nCS0为高电平时，电流从CPU输出到存储器，存储器高电平Uih的最小值为2．3 V，有如下公式：

当nCS0为低电平时，电流从上拉电阻输入到CPU和存储器，存储器低电平Vil最大值为0．1 V，有如下公式：

通过公式（2）、（3）计算出0．3 kΩ≤R1≤495 kΩ，R1可选取4．7 kΩ，满足要求。

3．2 机械设计

按照机械结构稳定性设计原则对产品机械与结构的设计进行梳理，着重针对机械应力对电路板的影响进行了考虑与优化，防止机械应力影响和损坏电路板；选用高品质的主控机箱、航空插头等，对主控电路进行二次封装，增强系统的防护性能；对主控箱、电池箱、太阳能电池板、天线的安装结构进行优化，增强安装可靠性，方便工程现场安装［7］。

3．3 电源系统设计

输电线路在线监测系统应用环境复杂，系统供电多采用光伏供电的方式，易出现频繁深度放电、长期充电不足、小电流放电、高寒高温等对电池不利的因素，针对以上因素，从三个方面对供电系统进行优化提升。

3．3．1 电池选型

针对不同的应用环境，配置不同类型的电池，充分发挥不同类型电池的特点。

（1）我国北方地区冬季气温较低，最低可达－40℃，宜采用纯铅电池。纯铅电池低温性能好，间歇性充电性能好，体积相对小，自放电率低，循环次数高，相对镍镉电池成本低、环保、控制简单、更易维护，适合我国北方地区的使用。

（2）对于我国南方部分地区，阴雨天气较多，无光照时间长，宜选用大容量的胶体电池。

（3）其他地区，选用普通的胶体电池便可满足应用要求。

3．3．2 电源监控

采用智能充放电控制器，对电源的工作状态进行实时监控，掌握电源的充放电状态，电池电量等信息。根据电源的监控信息，对电源进行相应控制，关闭耗电量大的装置或完全关闭。

3．3．3 温度保护

针对高寒的应用环境，设计保温机箱，并具备自加热功能，在太阳能电量有剩余的情况下对机箱内的保温储能材料进行加热，以提高机箱内的温度，提高电池的充放电性能。

3．4 标准化设计

加强产品的标准化与模块化设计，统一产品部件的规格标准，增加系统兼容性，形成稳定的产品系列。

设计高集成度的主控系统板，可接收舞动、微风振动等9类设备数据；对监测终端与监测基站间的通讯平台进行标准化设计，建立统一的2．4 GHz无线通讯平台和485有线通讯平台；对产品机械结构进行标准化设计，保证同系列产品间的所有机械部件可以实现无缝对接；对供电系统进行模块化、分体式设计，统一接口，不同的应用环境可配置不同的供电系统。

3．5 实验验证

加强试验检验环节，到专业检验机构进行全面的试验与验证，通过设备的型式试验，包括结构和外观、准确度、基本功能、可见电晕和无线电干扰、短路电流冲击、雷电冲击、静电放电抗扰度、射频电磁场辐射抗扰度、脉冲磁场抗扰度、工频磁场抗扰度、高温、低温、交变湿热、防护等级、振动、运输、可靠性等，对关系设备可靠性的电磁抗扰度类实验进行重点验证，设备可通四级电磁兼容的实验验证［8］。

4 可靠性评估

4．1 理论分析

可靠性评估是通过应力计数法进行可靠性定量评估，完成理论评估的过程，需要从可靠性串并联模型、失效率数据获取、MTBF的计算几方面进行。根据输电线路在线监测系统的构成建立可靠性模型，采用元器件应力分析可靠性评估方法，通过分析元器件所受的应力，计算在该应力条件下的工作失效率［9］。

对于电子设备来说，一般假定它的故障分布函数服从指数分布，这时它的可靠度函数为

由于MTBF是基本可靠性参数，如图3所示，输电线路在线监测系统的可靠性模型是一个串联模型，因此其失效率等于各组成部分失效率之和。

因此只要计算得到输电线路在线监测系统的失效率，就可以求得其平均故障间隔时间（MTBF）。

4．2 预计计算

本文所采用的元器件工作失效率预计公式和数据均来源于GJB／Z299C—2006《电子设备可靠性预计手册》的附录A（采用进口电子元器件的电子设备可靠性预计），计算结果如表1所示［10］。

表1 系统及各功能模块失效率数据

在设定条件下对输电线路在线监测系统的MTBF进行了初步预计分析，约为63 205 h。

5 结束语

设备可靠性是关系输电线路在线监测业务发展的关键因素，本文针对目前所应用的在线监测系统，提出了可靠性设计模型，对常见的问题和故障进行了分析与总结，提出了有针对性的可靠性提升方法。将可靠性评估理论应用到输电线路在线监测系统中，以优化后的系统为实例进行了计算，得到MTBF预估值，验证了可靠性提升的效果，并为更进一步优化提供了理论依据。

［1］ 黄志江，王 睿，李红旗，郭志广．输电线路次档距振荡在线监测系统的研究与应用［J］．微计算机信息，2012，28（324）：148－150．

［2］ 张文新，李华春，周作春．电力电缆运行状态的监测研究［J］．电力设备，2007，8（4）：39－42．

［3］ 于德明，郭昕阳，陈方东，赵雪松，朱全友，王 磊．500kV输电线路在线监测系统应用［J］．中国电力，2009，（05）：53－56．

［4］ 武晔卿．嵌入式系统可靠性设计技术及案例解析［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2012．

［5］ 李能贵．电子元器件的可靠性［M］．西安：西安交通大学出版社，1990．

［6］ 邹建明．在线监测技术在电网中的应用［J］．高电压技术，2007，33（8）：203－206．

［7］ 赵淑莹，杨晨升．基于可靠性的机械零部件设计研究［J］．机械工程师，2010，（03）：45－47．

［8］ 陈华光．基于PLC的远程在线监测系统的设计［J］．计算机测量与控制，2009，17（10）：1990－1992．

［9］ Ni M，McCalley J D，Vittle V，etal．Online Risk－based Security Assessment［C］．IEEE Transactions on Power Systems．2003．

［10］电子设备可靠性预计手册 GJB／Z299B98［Z］．1999．