油田输配电线路接地线状态识别和定位技术

刘 军 刘庆宝 聂万庆

1.中国石化集团公司胜利油田分公司 山东东营 257000 2.胜利石油管理局有限公司电力分公司 山东东营 257000

1 研究背景

长期以来,对于输配电线路接地线一直依靠管理制度约束,按照安全规程的要求进行电话报告、通知确认接地线的安装情况。在人工无法满足监测需求的背景下,为提高作业过程中的工作效率,需要结合先进技术,连接无线通信,实现自动化监测。北斗定位技术和5G无线通信技术的推广应用,为流动性大、地理位置分布广、数量多、状态变化随机的工业设备运行状态在线监测提供了技术支持。通过研究,设计传感器,并对现有接地线进行改造,可以实现输配电线路接地线的状态识别和定位。

2 输配电线路接地线在线监测必要性

根据电力安全工作规程的相关要求,在电力线路技术措施中,装设接地线、使用个人保安线是保障检修作业安全性的必要措施[1]。在电力系统中,接地线是在已停电设备和线路上意外出现电压时保障工作人员安全的重要工具。线路流动接地线和个人保安线的安装、摘除全部依靠人工进行,无法将接地线的安装位置与自动化系统对接。为消除线路作业过程中接地线安装不规范、不及时的情况,杜绝带接地线进行线路送电误操作,结合新技术的应用,实现线路接地线挂接的实时监控。为了防止接地线漏接或漏拆,主要采用接地锁等技防措施。通过在接地装置上加装接地锁,将接地装置纳入线路安全监控防误系统,可以有效避免接地装置漏接或漏拆[2]。但是,加装大量接地锁,成本较高,操作较为复杂,并且加装接地锁并不适用于所有接地装置,线路中加装太多的接地锁,会提高直流接地的可能性,提高接地装置漏电等事故风险。由此可见,实现线路接地线实时监控,需要同时配合人工检查各检修设备运行状态,查漏补缺。

输配电线路纵横延伸距离长,处在不同的环境中,受地理环境和气候的影响很大。油田输配电线路多分布于野外,无法获取稳定电源,现场使用的自动化装置对电源设计、通信等要求较高,流动接地线的在线监测无法实现。实际操作过程中,要求严格执行电力安全工作规程等相关规定,但违章情况还是存在,成为输配电线路检修的重要风险点。随着变电站无人值守、集控管理的推进,电网数据全面采集逐步完成,接地线的安装状态采集成为亟待解决的问题。实现接地线挂接状态信息采集和定位信息实时安全回传至电力地理信息系统,从而能够在全送电区域检测并直观显示当前接地线的状态,防止带接地线送电风险和作业前接地线安装不规范违章行为的发生,辅助调度员判断潜在安全隐患,以满足对整个电网实时监控的要求。还可以对接地线使用过程中的现场数据进行管理,对接地线的使用地点进行定位跟踪,利用地理信息系统对塔杆地理信息进行查询,通过线路工作票检修数据记录、了解线路检修状态,方便线路作业指挥人员进行线路相关信息查询,保证接地线管理工作实施更加高效[3]。

3 传统接地线夹具挂接传感器触发技术

接地线作为安全技术措施,应用贯穿于电网的发展历史。应用传感器,立足于不改变目前使用接地线的外形,不改变安装操作方式和过程。对于变电站流动接地线,可以通过挂接地线时读取接地线接地极的编号来实现位置识别。线路接地线的接地极没有固定地点,大多通过临时插入地面金属钎来实现接地,因此无法使用类似方法实现挂接位置的识别。油田输配电线路远离城区,挂接分散,由此接地线挂接点的位置采用经纬坐标定位识别较为方便,如何触发采集挂接位置点成为需要解决的问题。

油田输配电线路导线的直径从60 mm到240 mm,型号种类很多,实现不同直径接地线挂接时的灵敏检测是问题解决的关键。接地线夹具挂接并触发传感器,用于北斗卫星定位及其它模块休眠唤醒,安装位置及灵敏度至关重要。如图1所示,在接地线夹具顶端将磁敏传感器固定在凹槽内,通过横向铣槽的方式避免传感器受夹具金属屏蔽磁路的影响,磁敏传感器的灵敏度满足要求[4]。

图1 磁敏传感器固定在接地线夹具顶端

磁敏传感器与核心电路板的连接通过加工微孔来实现,连接线通过接地线夹具侧面凹槽与核心电路板连通,如图2所示。

图2 磁敏传感器与核心电路板连接

在磁敏传感器与磁柱间,磁通被薄铝层屏蔽而变弱,磁敏传感器在磁柱接近过程中不会误动。当导线推动触头移动时,嵌入的磁柱随触头移动,经过微孔,此时磁通量因无铝层屏蔽而瞬间加大,确保挂接不同直径接地线时磁敏传感器可靠动作。嵌入接地夹具的磁柱如图3所示。

图3 嵌入接地夹具的磁柱

4 卫星定位与通信技术

北斗卫星定位具有高精度定位导航能力,无人机搭载北斗卫星高精度定位模块,导航服务水平精度高于5 m,高程小于10 m。在电力北斗卫星精准位置服务网的支撑下,动态水平精度高于3 cm,高程精度高于5 cm。选取110 kV线路和220 kV线路,利用高精度北斗卫星定位技术、通信和人工智能技术,提高运检专业远程运维能力[5]。接地线挂接在线监测时,应用定位芯片,属于北斗卫星定位技术的特殊应用场合。选择定位芯片,需要侧重于体积小、功耗低,这样才能满足挂接地线到拆除接地线期间的持续工作要求,并且降低电池更换等日常维护工作量。在北斗卫星通信终端之间相互发送数据,这种双向通信功能是北斗卫星导航系统区别于其它卫星导航系统之处。端到端的通信方式不受地理位置限制,通常情况下无通信盲区,成本较低,可以作为通信手段匮乏的偏远地区通信的有效补充。北斗卫星通信的报文长度和通信频次由国家发放的通信卡等级决定,对民用开放的通信卡通常是通信间隔为1 min的分钟卡,单帧可发送报文长度为78.5 Byte。通信频次更高、单帧容量更大的高等级通信卡需要特殊申请,以解决特定应用[6]。油田输配电线路上影响定位的因素有很多,如接收卫星导航系统星座的数量、是否支持实时差分定位、频段、收敛时间、校正方式等。地理位置作为接地线采集的重要信息,其实现精度与功耗是关键指标。选择ATGM336H中科微北斗定位模组,功耗低,内置天线检测电路,具有天线短路保护功能,可以实现双模连续跟踪和定位。冷启动的捕获灵敏度为-148 dBm,跟踪灵敏度为-162 dBm,可以在相对短的时间内获得定位坐标,定位精度不低于2.5 m,对于目前线路接地线挂接识别而言较为理想。模块尺寸为9.7 mm×10.1 mm×2.4 mm,完全满足集成在接地线夹具操作杆内的要求。

考虑到当前2G、3G 退网,5G覆盖率有限的情况,决定采用4G技术。选择EC200U-CN4G移远模块芯片,最大下行传输速率为10 Mbit/s,最大上行传输速率为5 Mbit/s。在封装时兼容移远通信多网络制式,实现3G与4G网络之间的无缝切换。这一模块芯片内置丰富的网络协议,集成多个工业标准接口,支持多种驱动和软件功能,能够在视窗、Linux、安卓等操作系统中由通用串行总线驱动。经实地测试,在低信号强度环境中,这一模块芯片的灵敏度满足边远地区线路对通信灵敏度的要求。

传输协议对接地线挂接检测而言十分关键,是双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。消息队列遥测传输协议是一种即时通信协议,比较适合物联网场景的通信。消息队列遥测传输通过传输控制协议连接至云端,云端实现接地线与服务器之间消息的转发。消息队列遥测传输协议设计时考虑到不同设备计算性能的差异,最小数据包仅2 Byte,对于低功耗、低速网络也有良好的适应性。消息队列遥测传输协议具有完善的服务质量机制,根据业务场景可以选择最多一次、至少一次、一次三种消息送达模式,并且由于所有数据通信都经过云端,因此安全性得到较好的保障。将消息队列遥测传输协议作为通信支撑,可以大大减小通信数据量,有效降低装置功耗,提升安全防护与隔离水平,延长电池使用寿命。

5 地理信息系统的接入

油田电网要做到全景展示,输配电线路地理信息系统是最好的选择。电网管理建立在基础数据、电网模型上,地理信息系统中的空间信息、数据信息、自动化实时数据等可以生成电网的指标信息,电网的指标信息是接地线监控的重要数据基础[7]。

5.1 坐标修正

需要注意的是,接地线挂接点坐标与线路杆塔坐标之间的误差是必然存在的,这就导致接地线挂接点无法直接应用线路杆塔坐标,需要进行坐标修正。

输配电线路检修时,需要结合巡检时的缺陷及运行信息。接地线挂接根据检修需要进行,在整个区域内均有可能分布,并且挂接形式多样。接地线挂接位置实时获取的坐标存在2～10 m不等的误差,并且线路杆塔基础数据在录入时本身也存在误差,所以将挂接点坐标校正为线路杆塔坐标,才能保证系统中接地线挂接位置在输配点线路上。按照就近原则进行修正,在附近有且只有一条输配电线路时,挂接点坐标修正为该线路最近点的杆塔坐标,同时结合手动方式进行确认。

5.2 交叉同杆多条线路接地线识别

可能存在相邻线路或者交叉跨越线路的接地线无法确定到底是挂接在哪条线路上的情况,对此需要进行交叉同杆多条线路接地线识别。带电线路是不可能挂接地线的,根据这一原则,通过数据采集与监控系统接口获得线路开关状态数据,过滤带电运行线路。在此基础上,对于接地线挂接点与多条相邻线路距离过于接近,无法进行有效坐标修正的情况,采用数据采集与监控系统获取操作变位,辅助判断线路真实挂接点。通过上述步骤仍然无法有效判定接地线的挂接线路时,由人工通过移动电话终端来手动选择正确的挂接线路。

5.3 适配

接入现有地理信息系统,必然要进行适配,匹配原有的输配电线路地图。通过前述坐标修正和交叉同杆多条线路接地线识别,能够完成适配,实现准确实时显示接地线位置及挂接状态。接地线在线监测接入地理信息系统后,地理信息系统界面如图4所示。

图4 地理信息系统界面

6 项目测试

针对接地线误挂漏拆,提出主动防御的理念,对接地线出库、在途运输、现场挂接、结束拆除、装车返回、回库管理全流程进行监控,同时通过采取北斗卫星定位和无线通信技术相结合的方法,将接地线状态实时通过车载接地线回收装置传送至管理后台,实时监测接地线位置及状态[8]。为获取可能存在的问题,对这一研究进行了测试,包括传感器性能测试、传感器逻辑功能性测试等。

6.1 传感器性能测试

应用环境测试内容见表1,电磁兼容性测试内容见表2,坐标识别定位测试内容见表3。

表1 应用环境测试内容

表2 电磁兼容性测试内容

表3 坐标识别定位测试内容

6.2 传感器逻辑功能性测试

低功耗工作状态模拟测试内容见表4,分模块功能测试内容见表5,模块集成后稳定性测试内容见表6,数据传输测试内容见表7。

表4 低功耗工作状态模拟测试内容

表5 分模块功能测试内容

表6 模块集成后稳定性测试内容

表7 数据传输测试内容

7 结束语

通过对油田输配电线路接地线状态识别和定位技术进行研究,在不增加有线、无线通信网络建设投资的基础上,建立以互联共享技术为主的生产智能远程测控系统,以完成油田输配电线路接地线的远方在线实时监测。应用具有北斗卫星定位、无线数据传输等功能的电气设备位置传感器是一个新的探索,将北斗卫星定位引入设备管理,完成线路接地线安装状态、安装位置的实时监测。结合现场设备操作过程,基于线路接地线状态和变电站线路出口开关状态的全面采集,实现了新型防带电工作及防带接地线送电技术手段。通过具体应用,能够实现油田电网设备实时全面监控和管理,减小人为因素对电气设备操作管理的影响,提高油田电网智能化运行管理水平,有效降低油田电网事故率,提高油田电网供电可靠性。