BDS在气体绝缘封闭式组合电器设备形变监测中的应用

丁 杨，罗文华，宫瑞邦，李晓光，李金良，朱国华，黄海晖，冯卫国，马 潇

BDS在气体绝缘封闭式组合电器设备形变监测中的应用

丁 杨1，罗文华1，宫瑞邦1，李晓光1，李金良1，朱国华2，黄海晖2，冯卫国2，马 潇3

（1. 国网新疆电力公司电力科学研究院，乌鲁木齐 830000；2. 北京合众思壮科技股份有限公司，北京 100089；3. 中国电力科学研究院有限公司，北京 100192）

针对形变监测中通过常规方法难以获取完整及时的气体绝缘封闭式组合电器设备状态信息，因而不能准确管控设备，影响变电站安全运行的问题，提出利用我国自主研发的北斗卫星导航系统（BDS）实现气体绝缘封闭式组合电器设备的智能化检测，并设计实现1套超高压变电站气体绝缘封闭式组合电器设备BDS形变监测系统。实验结果表明，该系统可以有效监控和预警设备形变。

超高压变电站；气体绝缘封闭式组合电器设备；基准站的布设；监测点的布设；北斗卫星导航系统形变监测系统

0 引言

随着国家电网在国民经济和社会发展中的重要性越来越突出，维持国家电网的安全已成为国家经济发展的根本保障。我国地域广阔，气候复杂多变，特别是西北地区，气候恶劣、昼夜温差大，对高压变电站的气体绝缘封闭式组合电器设备的维护带来非常大的难度，需要可靠智能化手段来解决当前的电网安全问题。

气体绝缘封闭式组合电器设备（gas insulated swichgcar）是高压配电装置的1种形式，是将断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、电缆终端和进出线套管等组合成1个整体，并封装在金属壳内，充SF6气体作为灭弧和绝缘介质的全封闭组合电器。由于其占地面积小、绝缘性能高、运行方便、检修周期长、维护工作量小等特点，在电力系统中装用量比例逐年升高。与此同时，近几年该设备故障引发的系统故障跳闸占比上升，特别是西北地区设备故障率居高不下，伸缩节及设备内绝缘问题比较突出。由于该设备故障时停电范围较大，其工作状态关系到整个电网的安全可靠运行。

由于气体绝缘封闭式组合电器设备采用全封闭结构，内部状态不可见，从外部肉眼可观测的信息较少，通过常规的方法获取的设备状态信息有限且滞后，难以满足状态评价和状态管控的要求。为了满足变电站的运行维护要求，检测气体绝缘封闭式组合电器设备的早期故障，从而保证变电站的安全运行，构建1套气体绝缘封闭式组合电器设备形变监测系统十分必要。

1 BDS形变监测系统设计和建设

亚中变电站位于南山牧场，属于易发生沉降的山丘地质，其220 kV及66 kV设备区域已于2016年3月发生地基沉降下陷。亚中变电站气体绝缘封闭式组合电器设备为西开设计，水平“一”字布置，母线筒最长达219 m，温差导致的热胀冷缩将导致大幅度的形变，该设备母线筒已于2015年发生由于大幅度形变导致的管壁焊缝处漏气。设备地基上未安装任何可观测地基沉降的装置，母线上未安装任何可观测水平位移形变的装置（水平位移观测卡尺），沉降及位移信息无法监测。

根据亚中超高压变电站的实际情况，本项目采取分体式设计，对变电站母线的4个门形架两侧设置采集信号的监测点天线用于采集位置信号。接收机安装于场外统一的机柜内。天线和接收机之间采用低损耗射频线缆，通过预设电缆沟进行布设，并加装防护管。接收机数据通过光纤传输到集中机房的解算服务器进行高准确度等级解算。

通过在气体绝缘封闭式组合电器设备上安装北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）定位监测装置，可实现点对点的实时设备位置变化及基础局部沉降监测，配合使用BDS及全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）定位差分算法，数据处理后可使监测准确度等级达到毫米级，同时将设备状态信息变化进行实时通讯预警，达到设备状态监测预警目的。

1.1 基准站的布设

基准站的稳定性直接影响到各监测点的准确性和可靠性。因此，对基准站的位置选择有严格要求。考虑到基准站点位受电磁干扰、通电、通讯、环境等因素影响，根据现场情况，最终拟定在主控通讯楼顶作为基准站天线的安装点，基准站接收机安装在一楼机房内，天线与接收机之间通过同轴射频线缆进行连接[1-2]。

基准站的主要设备包括接收机和扼流圈天线，另外还需要有满足设计要求的天线基座、设备机柜、防雷措施，以及供电设备和用于传输数据的网络设备。如图1所示。图1中CORS（continuously operating reference stations）为连续运行参考站基准。天线接收卫星定位信息，通过射频线缆传输到基准站点机柜的接收机内。

图1 基准站设备组成

1.2 监测点的布设

本项目主要对气体绝缘封闭式组合电器设备母线门形架的伸缩形变进行监测；因此，监测点布设在门形架两侧母线上，为气体绝缘封闭式组合电器设备长母线筒伸缩节处及母线出线拐角处，该位置是气体绝缘封闭式组合电器设备在温度变化后发生形变最大的位置，监测效果比较明显。

监测点的设备主要包括GNSS天线、射频线缆、接收机等，如图2所示。监测点的位置信息通过GNSS天线进行采集，需要将天线用管道安装支架固定在母线上显示母线管道的形变位移，如图3所示。信号经过射频线缆传输到接收机进行初步的解算。由于场地和供电的限制，接收机机柜固定在场地边缘指定地点。每组门形框的3条管道架设6个监测点，共计4组监测点。

图2 监测点设备组成

图3 监测点天线安装示意

1.3 网络设备布设与实施

基准站接收机和监测点接收机数据通过网络的方式进行传输到主控服务器，如图4所示。基准站接收卫星定位信息和监测点采集的形变信息传输到交换机，交换机通过防火墙上传到主控服务器并将信息显示在显示屏上；主控服务器中的中央处理器将接收到的信息按照时序进行比较，从而确定气体绝缘封闭式组合电器设备是否形变。

图4 系统结构

2 BDS误差数据及算法处理

BDS定位中的误差，可以分为系统误差、偶然误差和粗差3大类。其中系统误差包括卫星钟误差、卫星星历误差、对流层延时、电离层延时、多路径误差等。同其他测量作业一样，BDS的数据处理受到测量误差的干扰，为提高最终监测数据的准确度等级，须找出数据处理中的误差源，并在算法中加以修正[3-15]。

RTK（real-time kinematic）技术又称为实时动态载波相位差分技术，通过对基准站和监测点的观测值进行差分处理得到修正值，实现实时或事后处理解算得到精确的位置坐标，其工作原理如图5所示。本项目采用RTK差分定位原理实现对气体绝缘封闭式组合电器设备的监测，准确度等级经处理后可达到毫米级（可以达到小于5 mm）。

图5 差分定位原理

本项目利用RTK解算功能对监测站和基准站的观测数据进行实时解算，并将解算结果发送给数据展示子系统。变形分析模块利用各监测站解算出来的形变量解析得到用户设定的形变阈值，若某一监测站的形变量超过该阈值，则变形分析模块向预警信息发布系统发送形变的预警信号。其位置解算流程如图6所示。

图6 位置解算流程

3 实验与结果分析

亚中超高压变电站气体绝缘封闭式组合电器设备BDS形变监测系统设计和建设完工后，出现了很强的多路径误差干扰问题，其最初结果不够理想，接收的原始数据质量不高。

现场利用Leica SpiderQC v6.0软件进行原始数据质量分析，寻找影响数据质量的根源[16]。

图7为BDS的细节测试。在多路径效应1（multipath，MP1）显示值为0.98 m；在MP5b显示值为0.79 m；这2方面值都高于临界值0.5 m。测试结果显示多路径测试失败。

图7 多路径测试

图8显示在不同卫星高度角的条件下，多路径在不同频段下的影响。在现场，从高度角15°开始都受到多路径的影响，一直持续到90°高度角。测试得出数据不能达到监测要求的结论。

图8 多路径在各高度角的影响

经过现场的设备测试和调整过程，本项目最终克服现场复杂环境的影响，得到稳定的原始数据，能够保证气体绝缘封闭式组合电器设备形变检测设备的高准确度等级解算[17]。

图9为进行设备调整和软件升级后BDS的细节测试。报告显示多路径测试通过。在MP1显示值为0.46 m；在MP5b显示值为0.35 m；这2方面值都低于临界值0.5 m。

图9 多路径测试

图10显示在不同卫星高度角的情况下，多路径在不同频段下的影响。高度角15°开始受到多路径微弱的影响，高度角30°开始不受多路径的影响且一直持续到90°高度角。测试得出数据可达监测要求的结论[18]。

图10 多路径在各高度角的影响

经实地调研和数据测试，初步分析结果如表1所示。

表1 现场测试数据分析结果表

续表1

由表1可知，本项目数据测试结果良好，实际现场对卫星的实际接收个数无太大影响，但是对实际数据的准确度等级有部分影响，可以通过BDS高精度定位技术对气体绝缘封闭式组合电器设备进行监测。

4 结束语

超高压变电站气体绝缘封闭式组合电器设备BDS形变监测系统，利用卫星高准确度等级差分定位原理，结合变电站气体绝缘封闭式组合电器设备的特点，能够实现对高压变电站气体绝缘封闭式组合电器设备的形变状态的实时监控，并对该设备形变趋势起到的监控和预警管理的作用。本系统功能完整、运行稳定、数据采集迅速准确，通过预先设置的阀值，系统自动实时地反馈出设备形变的状态和趋势，并给出相应的告警信息，运维人员可以非常直观地通过平台操作界面，直接观察和提取相应监测点的数据信息，方便及时了解设备状态，提高维护的响应速度，降低故障的发生率[19]。通过对国家电网内实际案例的数据分析及验证，证明此系统在相应的场景下进行推广的可行性。

[1] 周忠谟, 易杰军, 周琪. GPS卫星测量原理与应用[M]. 北京: 测绘出版社，1999: 19-35.

[2] 陈永奇. 单历元GPS变形监测数据处理方法的研究[J]. 武汉测绘科技大学学报, 1998, 23(4): 324-328.

[3] 余学祥. GPS变形监测信息的单历元解算方法研究[J]. 测绘学报, 2002, 31(2): 123-127.

[4] 李征航. 利用GPS进行高精度形变监测的新模型[J]. 测绘学报, 2002, 31(3): 206-210.

[5] 徐绍铨, 张华海, 杨志强, 等.GPS测量原理及应用[M]. 武汉: 武汉大学出版社, 2014: 100-114.

[6] 李征航, 黄劲松. GPS测量与数据处理[M]. 武汉: 武汉大学出版社, 2005.

[7] 刘大杰, 施一民, 过静珺. 全球定位系统(GPS)的原理与数据处理[M]. 上海: 同济大学出版社, 1996.

[8] 刘基余. GPS卫星导航定位原理与方法[M]. 北京: 科学出版社, 2003.

[9] 余学祥. GPS变形监测信息获取方法的研究与软件研制[D].武汉: 武汉大学, 2002.

[10] CORBETT S J, CROSS P A. GPS single epoch ambiguity resolution[J]. Survey Review, 1995, 33(257): 149-160.

[11] DELOACH S. Continuous deformation monitoring with GPS[J].Journal of Surveying Engineering, 1989, 115(1): 93-110.

[12] LOVSE J W. Dynamic deformation of tall struction using GPS[J].Journal of Surveying Engineering, 1995, 121(2):1165-1172.

[13] 李征航, 徐绍铨. GPS在形变监测中的应用[J].测绘信息与工程, 2002, 27(3): 32-35.

[14] 陈永奇, 吴子安, 吴中如. 变形监测分析与预报[M].北京:测绘出版社.1997.

[15] 余学祥, 徐绍铨, 吕伟才.拟单差模型的误差分析与算法改进[J].铁路航测, 2002, 28(3): 1-4.

[16] 侯慧, 周建中, 张勇传, 等.应对灾变的电力应急指挥平台及其在广东省的应用[J].电力系统保护与控制, 2010, 38(17): 158-163.

[17] 罗剑波, 郁琛, 谢云云, 等.关于自然灾害下电力系统安全稳定防御方法的评述[J].电力系统保护与控制, 2018, 46(6), 158-170.

[18] 李震宇, 武国亮, 王志利, 等. 电力微气象风偏灾害监测预警技术及系统实现[J].电力系统保护与控制, 2017, 45(1): 125-131.

[19] LI C, LI B, GUO F R, et al.Studies on the active SISFCL and its impact on the distance protection of the EHV transmission line[EB/OL].[2019-05-28].https://link.springer.com/article/10.1186/s41601-016-0028-7.

Application of BDS in deformation monitoring for gas insulated swichgcar

DING Yang1, LUO Wenhua1, GONG Ruibang1, LI Xiaoguang1, LI Jinliang1, ZHU Guohua2, HUANG Haihui2, FENG Weiguo2, MA Xiao3

（1. Xinjiang Electric Power Company Research Institute, Urumchi 830000, China; 2. Beijing UniStrong Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100089, China; 3. China Electric Power Research Institute Co., Ltd., Beijing 100192, China）

Aiming at the problem that it is difficult to obtain the complete and timely device status information of gas insulated swichgcar for traditional methods in deformation monitoring, leading to unable to accurately control the equipment, which must influence the substation’s safe operation, the paper proposed to use BDS independently developed by China to realize the intelligent detection of the gas insulated swichgcar, and designed a BDS deformation monitoring system for the gas insulated swichgcar of the EHV substation. Experimental result showed that the proposed system could efficiently monitor and pre-warn the deformation of equipment.

extra high voltage (EHV) substation; gas insulated swichgcar; base station arrangement; monitoring station arrangement; deformation system of BeiDou navigation satellite system

P228

A

2095-4999(2020)02-0096-05

丁杨，罗文华，宫瑞邦，等. BDS在气体绝缘封闭式组合电器设备形变监测中的应用[J]. 导航定位学报, 2020, 8(2): 96-100.（DING Yang, LUO Wenhua, GONG Ruibang, et al. Application of BDS in deformation monitoring for gas insulated swichgcar[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2020, 8(2): 96-100.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20200216.

2019-07-31

丁杨（1989—），男（回族），宁夏银川人，本科，助理工程师，研究方向为高压设备状态检测。

杨凯（1983—），男（回族），河北邯郸人，本科，项目经理，研究方向为BDS定位终端在电力巡检中的应用。