基于物联网的HFCT局部放电诊断传感网络

项恩新，王科，徐肖伟，胡浩卿，李建发，刘红文

（云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

为了对潜在故障进行有效的早期预警，现已开发出许多在线监测方法来感知绝缘状态信息，例如温度上升，局部放电和泄漏电流，这些信息在我们的主要电网的保护、维护和资产管理方面中起着不可或缺的作用。据统计，中国的中压配电网架空线路308万公里，电缆61万公里，配电变压器440万，配电开关装置401万，并且这一数字还在迅速增加[1]。因此，探索一种更高效、更可靠、更经济的分布式监控解决方案，是我们对智能配电网的迫切追求。物联网（IoT）是一项快速发展的技术，它通过部署具有一定传感、计算、执行和通信功能的各种设备来获取物理世界的信息，并通过网络实现信息的传输、协调和处理，从而实现人与人、物与物之间的信息交换。具有低功耗，低成本和免维护功能的可扩展无线传感器网络是可靠传感层的基础，也是在应用分布式物联网监控之前需要克服的挑战[2-3]。本文根据配电电缆的特点，结合物联网分布式无线传感器网络、数据交互和电源管理，设计了基于物联网的HFCT通用框架。这项工作为将来基于物联网的配电网络设备状态监测提供了参考实现。

1 基于物联网的HFCT传感器

1.1 使用HFCT进行局放信号耦合

脉冲电流法被认为是能够对绝缘系统中发生的局部放电进行定量分析的唯一方法。这种方法是基于描述集总电路中局部放电活动的电容模型得出的。由于无法找到局部放电源，因此无法直接测量发生在高压设备中的原始局部放电电流脉冲。因此，只能检测到出现在测试对象端子两端的瞬态电压降。高频电流互感器是一种用于在线诊断的非接触式传感器，通过用高频电流互感器（HFCT）代替测量阻抗，可以将传统的电流脉冲方法扩展到高频方法。HFCT传感器也称为射频电流传感器（RFCT），由一个感应Rogowski线圈和积分电阻组成。通常，在高压设备上进行在线局部放电测量时，将HFCT传感器夹在接地网络的接地线中[4-5]。对于此应用，可以将传感器建模为一个系统，其中输入是流过传感器的局放电流脉冲，输出是在测量仪器的输入阻抗（通常为50欧姆）上测量的感应电压。

用于电力电缆局放监测的集成传感器如图1所示，它包含一个宽带Rogowski线圈，其上限频率为100 MHZ（频带内灵敏度为1V/A），一个信号预处理电路，一个MPU模块（在本例中，使用120 MHZ ARM）和无线收发器。对于电缆而言，相对于开关设备的TEV传感器节点，安装在电缆上的传感器节点分布在更广的范围内，因此Lora多跳模式优于Lora点对点模式。此类HFCT物联网传感器可以安装在从电缆连接器或终端引出的接地线处，由于传感器节点本身就是位置信息载体，因此形成了一个可跟踪故障的网络。

图1 集成传感器

Rogowski线圈耦合的放电脉冲电流的频率分量范围在几十到数百兆赫兹之间，因此信号预处理的设计类似于第一种情况，包括滤波，放大和解调[6-7]。为了确定HFCT传感器节点的响应，使用标准脉冲电流发生器作为校准器，可以产生重复的电流脉冲，其上升时间为5 ns，视在电荷为5~500 pC，并且以测试电容串联的精密电阻的输出作为基准。 传感器节点的输出幅度和视在电荷之间的关系可以通过式（1）很好地拟合，其中qa（pC）是视在电荷，Aout（V）是传感器输出幅值。

采用HFCT检测得到的绝缘缺陷的PRPD图和局部放电频率图如图2所示。

图2 使用HFCT获得的绝缘缺陷的PRPD图和局放频率图

为了确定HFCT传感器的响应特性，使用AWG2021任意波形发生器作为信号源（可产生10 Hz-125 MHZ的稳定正弦波电压和10 Hz-25 MHZ的标准方波）。通过比较无感电阻上的输出电压和HFCT传感器的输出电压，可以得到幅频响应特性，如图3所示。

图3 HFCT传感器的幅频响应特性

1.2 数据处理

考虑到在各种设备上进行分布式监视的实际条件，例如干扰环境复杂、传感器站点众多和分布范围广泛，可靠的LPWA通信在实际应用中必不可少，因此应该针对特定要求进行量身定制，例如数据速率，时延，移动性，覆盖范围等[8-9]。例如，安装在中压电缆系统上的局放传感器位置取决于电缆接头或终端的位置以及它们之间的距离，所以局放传感器一般分布在数十公里的广阔区域中。在这种情况下，首选户外低功率广域网络（LPWAN）技术，例如eMTC，Nb-IoT，LoRa，Sigfox。对于通常安装在一个或多个房间中的中压开关设备上安装的大量全时局放监测点，无线局域网(LAN)，如蓝牙、ZigBee等非常适合作为基本网络节点。在LPWAN应用案例中，LoRa和NB-IoT是两种领先的新兴技术，也是更经济的解决方案，可以在配电网监控的大多数情况下采用。

LoRaWAN具有出色的功率效率（峰值电流为32 mA，待机电流为1μA），并支持在农村地区长达40 km、城市地区长达5 km的长距离通信。它的非许可网络（500 kHz-125 KHz）可以在基站上应用一种多通道多调制解调器收发器的自适应调制技术来接收来自这些信道的多个消息。并且可以根据所需的数据比特率来管理数据速率。以局放监测为例，如果传感器的采样率R为1MS / s（对于持续时间为10 μs的降频PD脉冲，请参见第III节），则最大监视密度N可用式（2）估计为112 / s。

其中T为脉冲持续时间，为10 μs，SF为扩频因子，其大小为10，BW为125 kHz调制带宽。因此，这种LoRaWAN可以满足监视局部放电或其他对象监测密度的一般要求，适合作为连接到传感层的基本节点。

NB-IoT是一种新的3GPP无线接入技术，其许可LTE带宽（180 KHz）是由GSM和LET技术衍生而来。在使用OFDM的下行链路中有12个15kHz的子载波，在使用SC-FDMA的上行链路中有3.75/15 kHz的子载波，这为高速多通道数据传输提供了巨大的潜力。与Lora底层节点一起使用，可以构建具有良好扩展性和交互性的网络层。传感器节点与网关之间的通信流程图如图4所示。

图4 传感器节点与网关之间的通信流程图

2 电源管理策略

由于传感器节点数量多、分布广，所以在设备维护周期中应避免更换电池[10]。因此，高效的电源管理和细化的运行策略是局放传感器节点设计的关键。在传感器的工作过程中，各工作模块的典型能耗分布如图4所示。可以看出，信号传输和接收部分在传感器功耗中占主要部分。此外，传感器MPU的基本功耗和处于休眠状态的传感器有源设备的功耗也占相当大的比例，所以最好采用断点监测而不是传感器的实时监测，这样可以获得更长的电池寿命。在硬件设计中，在保证数据有效性的前提下，通过下变频器降低采样率和数据采集分辨率，以减少采集模式下处理器的基本功耗，为处理器节省更多的功耗。数据发送和接收。另外，为了减少数据传输的能量消耗，需要将传感器节点的数据比特率和检测密度调整为较低水平。

为了进一步降低传感器本身的功耗，本文引入了一种动态工作模式的策略，使得传感器在断点监测时可以在以下工作模式之间进行切换：

1）采集模式（F）：传感器对局部放电信号进行处理、采样、存储、传输。由于检测放大单元、MPU和MAC单元的参与，该模式的实时功耗电流为50-100 mA，测量的典型值为125 mA。

2）待机模式（M）：在此期间，传感器将关闭模拟信号处理和采集单元的所有电源，并且仅保留通信单元，以便它可以接受下行链路的数据和上位机命令，而MPU将进入可以唤醒的睡眠模式。由于休眠MPU和MAC的参与，该模式的实时功耗电流为10-20 mA，实测典型值为14 mA。

3）休眠模式（S）：在此期间，传感器关闭模拟信号处理和采集单元的电源和通信单元，只有MPU保持深度休眠模式以保持时钟运行。在此模式下，传感器不会从上位计算机接收命令和访问指令。由于只有MPU外围电路的基本电源和深度睡眠电源，因此实时功耗电流为100~200 μA，实测典型值为185 μA。

以上三种模式以断点监测周期进行切换，并根据局部放电活动的程度，动态调整操作持续时间。通过公式（3）计算断点监视期间内传感器的功耗（P）和理论续航时间（T）。表1列出了断点监视密度，传感器功耗和理论电池寿命随放电活动的时间间隔。

表1 断点监测密度，功耗和理论电池寿命随放电活动的时间间隔

其中PF，PM和PS分别是采集，待机和休眠模式的消耗量，tF，tM和tS是在监视周期中这三种模式的运行持续时间。

3 基于物联网的HFCT传感网络框架

考虑到集成监控系统应具有良好的可扩展性和可访问性，本文设计了基于物联网的传感器网络，传感器网络分为感知层，网络层，数据层和应用层四层，如图5所示[11-12]。

图5 基于物联网的HFCT传感网络框架

感知层是状态监测的物理基础，其主要功能是获取采样测量值（SMV）和状态变量（SV），并执行分配给传感器节点的命令。 分布式传感器节点由感应线圈，低功耗集成电路和集成通信单元（NB-IoT和Lora）组成。

上/下行链路网络层分别连接到感知层和数据层，其物联网网络基于低功耗，构成广域网收发器。收发单元以“节点—服务器”或“节点—网关—服务器”的模式传输从感知层获得的SMV和SV信息以及执行命令。信息的延迟时间取决于监测站点的分布范围。

数据层由中央服务器（自建或云服务器）组成，用于实现数据的存储、管理和应用，并根据数据访问请求提供标准的通信协议映射接口。

应用层包括数据托管和应用软件，中间件，系统操作环境。其可以响应所有具有权限的数据访问事件。

本文以中国济南某地区的两条10 kV馈线电缆为试点，应用上述技术。通过将节点之间的LoRa多跳模式与LoRa点对网关模式相结合来实现数据通信。在这种情况下，NB-IoT网关与云服务器或远程自建服务器进行通信。在10 kV电缆的端子或接头的接地线中部署了5组基于IoT的HFCT传感器节点（5×3相，总共15个节点）。断点监视数据通过NB-IoT网关以分包方式发送到服务器。每次上传数据时，云数据库都会同步更新。

在监视周期内，节点和服务器之间的上/下数据通过LoRa直接通信。为了减少传输功率消耗，上行数据仅包含通过MPU处理生成的标准化SMV和SV信息，并以20 Kbs的比特率发送到网关。

4 结束语

基于感知层、通信层、数据层和应用层的电缆局部放电监测无线网络框架，考虑了信号耦合、电源管理和运行策略，设计了基于物联网的HFCT传感器。上下链路的数据交互采用了基于Lora的节点—服务器和基于Loar、NBIoT站点的节点—网关—服务器的节点连接方式，以满足物联网监测的可扩展性和可访问性的要求。最后本文提出的HFCT传感器和传感网络已应用于10 kV配网电缆，有望为中压电网中更多可能的物联网应用提供参考。