基于智能能量采集的故障指示器設(shè)計(jì),告別低效率高成本的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式

久居大都市的你，還記得上一次停電是什么時(shí)候嗎？想想，很久沒碰到飯煮到一半、游戲正殺著BOSS、球賽到了點(diǎn)球大戰(zhàn)時(shí)停電了。但是春節(jié)回老家（農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)）時(shí)，1天以上的長(zhǎng)時(shí)間突發(fā)停電卻依然不是啥稀奇事。生產(chǎn)用電必須自備應(yīng)急發(fā)電設(shè)備，否則損失自負(fù)；生活用電都是“小事”，自嘲一通了事。地方供電局也很無(wú)奈：大過年的，誰(shuí)也不想啊！但據(jù)說他們也已經(jīng)很努力了，一聽說停電就派出人員去巡線、查找故障了，無(wú)奈人少、線路長(zhǎng)、不知哪里出故障，耗時(shí)是必然的！

其實(shí)，隨著中國(guó)智能電網(wǎng)工程的推進(jìn)，越來(lái)越多如故障指示器等節(jié)點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)被應(yīng)用到輸配電網(wǎng)絡(luò)中，大大提高了線路運(yùn)維人員的工作效率，長(zhǎng)時(shí)間突發(fā)停電越來(lái)越少見了。然而，受限于現(xiàn)有故障指示器高昂的累計(jì)采購(gòu)成本和大量的經(jīng)常性維護(hù)工作，中國(guó)的電力公司往往無(wú)法在龐大的電力基礎(chǔ)設(shè)施中部署更多故障指示器，因此仍有不少地方只能采用人工巡線的落后方式。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了應(yīng)對(duì)此挑戰(zhàn)，高性能模擬芯片廠商ADI公司針對(duì)故障指示器開發(fā)了一種新型線路傳感器架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)智能能量采集/管理和超低功耗，是一種易于實(shí)施、少維護(hù)或免維護(hù)型低成本解決方案（圖1）。

圖1 采集電能的故障指示器設(shè)計(jì)

故障指示器要點(diǎn)：精準(zhǔn)感知、迅速定位

線路故障指示器是應(yīng)用在輸配電線路、電力電纜及開關(guān)柜進(jìn)出線上，用于指示故障電流流通的裝置。傳統(tǒng)作業(yè)模式下，線路發(fā)生短路、接地、過載等故障時(shí)，線路運(yùn)維人員需對(duì)整條線路進(jìn)行巡視，查找故障點(diǎn)，耗費(fèi)大量時(shí)間。新型輸配電網(wǎng)絡(luò)中，故障指示器可根據(jù)線路電流突變和電容電流變化，快速、精確地查找出故障所在區(qū)段，并通過通訊終端將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控分析中心。運(yùn)維人員可根據(jù)故障信號(hào)迅速定位故障區(qū)段、隔離故障點(diǎn)、及時(shí)恢復(fù)無(wú)故障區(qū)域的供電，縮短大量的故障巡視時(shí)間，節(jié)約人力物力，減少停電時(shí)間和停電范圍，提高供電可靠性。

圖2 用于輸配電網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)控的故障指示器

一般，故障指示器由傳感器和顯示器兩部分組成，傳感器負(fù)責(zé)探測(cè)、感知通過電纜的電流，顯示器部分集成控制器，會(huì)對(duì)傳感器傳來(lái)的電流信息進(jìn)行判斷，并做出故障指示動(dòng)作。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，由于從故障點(diǎn)到饋電點(diǎn)的線路都出現(xiàn)了故障電流，引致從故障點(diǎn)到饋電點(diǎn)之間線路上所有的故障指示燈閃亮。從饋電點(diǎn)開始，沿著故障指示燈閃亮的線路一直查找，最后一個(gè)閃亮點(diǎn)就是故障點(diǎn)。

圖3 在配電網(wǎng)自動(dòng)化應(yīng)用中的故障指示器及電路實(shí)物圖（能量采集芯片為ADP5091/ ADP5092）

在地下線纜型故障指示器應(yīng)用中，故障指示器位于每條主電纜的電纜端接處。故障上游的指示器會(huì)跳閘，而故障下游的指示器會(huì)保持非跳閘位置。這樣，運(yùn)維人員無(wú)需經(jīng)過耗時(shí)的故障隔離過程，便可輕松找出電纜或設(shè)備的故障部分。該地下線纜型故障指示器應(yīng)用包括變壓器、開關(guān)設(shè)備、機(jī)柜、接線盒、拼接等。

在架空型故障指示器應(yīng)用中，故障指示器上顯眼的顯示屏可將線路運(yùn)維人員指引到問題所在部分。該架空型故障指示器應(yīng)用包括無(wú)保險(xiǎn)絲抽頭、帶中線重合器的長(zhǎng)饋線、分區(qū)開關(guān)設(shè)備、換接裝置、饋線等。

領(lǐng)先技術(shù)加持：更低功耗、更少維護(hù)

基于ADI公司新型線路傳感器架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的智能能量采集和低功耗故障指示器，具有高集成度和出色的系統(tǒng)性能，通過高精度轉(zhuǎn)換器和放大器實(shí)現(xiàn)精密信號(hào)測(cè)量，在能量采集和電源管理方面采用了業(yè)界領(lǐng)先的技術(shù)，且業(yè)界領(lǐng)先的超低功耗性能使得整個(gè)系統(tǒng)信號(hào)鏈范圍功耗達(dá)到歷史新低。

其實(shí)，采集電能的故障指示器基本功能看起來(lái)簡(jiǎn)單，但設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，尤其是電源架構(gòu)。其中不僅存在三個(gè)獨(dú)立電源（電力線路傳感器、充電電池和超級(jí)電容），而且必須有一個(gè)控制算法，用來(lái)平衡變化的供電條件和變化的負(fù)載條件——所有這些設(shè)計(jì)的目的是保證故障指示器始終聯(lián)網(wǎng)工作。關(guān)鍵創(chuàng)新是一種新型多電源路徑設(shè)計(jì)技術(shù)，它支持系統(tǒng)更快啟動(dòng)、功耗更低和運(yùn)行更平穩(wěn)。通過采用更好的電源管理，電池更換的頻率會(huì)降低，線路工作人員執(zhí)行系統(tǒng)檢查的次數(shù)會(huì)減少，因而故障指示器所需的維護(hù)會(huì)減少。

新型故障指示器設(shè)計(jì)還能利用更復(fù)雜的數(shù)據(jù)收集技術(shù)和更魯棒的無(wú)線通信來(lái)提升性能。通過高速精密轉(zhuǎn)換器以遠(yuǎn)高于電力線路頻率的數(shù)據(jù)速率收集電力線路信息，它們能捕獲更高精度的數(shù)據(jù)。集成短波無(wú)線電和GSM協(xié)議等無(wú)線通信，也能擴(kuò)大這些設(shè)備的覆蓋范圍。故障指示器可以傳輸數(shù)據(jù)和報(bào)告其狀態(tài)，這樣線路工作人員搜索故障所花的時(shí)間會(huì)減少，因而有更多時(shí)間來(lái)排除故障。

圖4 將地下故障指示器狀態(tài)報(bào)告給地上人員

大數(shù)據(jù)分析助力提效降本

隨著大帶寬、低時(shí)延、高可靠的5G技術(shù)逐漸成熟，電力公司也在推動(dòng)其在線路巡檢、配電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、大數(shù)據(jù)采集、準(zhǔn)負(fù)荷控制、配電自動(dòng)化等應(yīng)用上的落地。在這種背景下，采用先進(jìn)線路傳感器技術(shù)的故障指示器為電力公司轉(zhuǎn)變運(yùn)營(yíng)方式提供了機(jī)會(huì)。在精度更高、聯(lián)網(wǎng)能力更好、維護(hù)成本更低的節(jié)點(diǎn)處收集數(shù)據(jù)，電力公司便可更快速且更有把握地識(shí)別并響應(yīng)停電事故。不僅如此，還有更多的可能性值得考慮。例如，一整片區(qū)域內(nèi)的所有故障指示器都能提供歷史數(shù)據(jù)和警報(bào)，這使得電力公司可以應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法和大數(shù)據(jù)分析來(lái)提高線路工作人員的作業(yè)效率，降低運(yùn)營(yíng)支出，實(shí)現(xiàn)更好的業(yè)務(wù)績(jī)效。