基于智能能量采集的故障指示器设计,告别低效率高成本的传统监测方式

久居大都市的你，还记得上一次停电是什么时候吗？想想，很久没碰到饭煮到一半、游戏正杀着BOSS、球赛到了点球大战时停电了。但是春节回老家（农村乡镇）时，1天以上的长时间突发停电却依然不是啥稀奇事。生产用电必须自备应急发电设备，否则损失自负；生活用电都是“小事”，自嘲一通了事。地方供电局也很无奈：大过年的，谁也不想啊！但据说他们也已经很努力了，一听说停电就派出人员去巡线、查找故障了，无奈人少、线路长、不知哪里出故障，耗时是必然的！

其实，随着中国智能电网工程的推进，越来越多如故障指示器等节点监控系统被应用到输配电网络中，大大提高了线路运维人员的工作效率，长时间突发停电越来越少见了。然而，受限于现有故障指示器高昂的累计采购成本和大量的经常性维护工作，中国的电力公司往往无法在庞大的电力基础设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线的落后方式。据麦姆斯咨询报道，为了应对此挑战，高性能模拟芯片厂商ADI公司针对故障指示器开发了一种新型线路传感器架构，可实现智能能量采集/管理和超低功耗，是一种易于实施、少维护或免维护型低成本解决方案（图1）。

图1 采集电能的故障指示器设计

故障指示器要点：精准感知、迅速定位

线路故障指示器是应用在输配电线路、电力电缆及开关柜进出线上，用于指示故障电流流通的装置。传统作业模式下，线路发生短路、接地、过载等故障时，线路运维人员需对整条线路进行巡视，查找故障点，耗费大量时间。新型输配电网络中，故障指示器可根据线路电流突变和电容电流变化，快速、精确地查找出故障所在区段，并通过通讯终端将相关数据上传至监控分析中心。运维人员可根据故障信号迅速定位故障区段、隔离故障点、及时恢复无故障区域的供电，缩短大量的故障巡视时间，节约人力物力，减少停电时间和停电范围，提高供电可靠性。

图2 用于输配电网络节点监控的故障指示器

一般，故障指示器由传感器和显示器两部分组成，传感器负责探测、感知通过电缆的电流，显示器部分集成控制器，会对传感器传来的电流信息进行判断，并做出故障指示动作。当发生故障时，由于从故障点到馈电点的线路都出现了故障电流，引致从故障点到馈电点之间线路上所有的故障指示灯闪亮。从馈电点开始，沿着故障指示灯闪亮的线路一直查找，最后一个闪亮点就是故障点。

图3 在配电网自动化应用中的故障指示器及电路实物图（能量采集芯片为ADP5091/ ADP5092）

在地下线缆型故障指示器应用中，故障指示器位于每条主电缆的电缆端接处。故障上游的指示器会跳闸，而故障下游的指示器会保持非跳闸位置。这样，运维人员无需经过耗时的故障隔离过程，便可轻松找出电缆或设备的故障部分。该地下线缆型故障指示器应用包括变压器、开关设备、机柜、接线盒、拼接等。

在架空型故障指示器应用中，故障指示器上显眼的显示屏可将线路运维人员指引到问题所在部分。该架空型故障指示器应用包括无保险丝抽头、带中线重合器的长馈线、分区开关设备、换接装置、馈线等。

领先技术加持：更低功耗、更少维护

基于ADI公司新型线路传感器架构实现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统性能，通过高精度转换器和放大器实现精密信号测量，在能量采集和电源管理方面采用了业界领先的技术，且业界领先的超低功耗性能使得整个系统信号链范围功耗达到历史新低。

其实，采集电能的故障指示器基本功能看起来简单，但设计相当复杂，尤其是电源架构。其中不仅存在三个独立电源（电力线路传感器、充电电池和超级电容），而且必须有一个控制算法，用来平衡变化的供电条件和变化的负载条件——所有这些设计的目的是保证故障指示器始终联网工作。关键创新是一种新型多电源路径设计技术，它支持系统更快启动、功耗更低和运行更平稳。通过采用更好的电源管理，电池更换的频率会降低，线路工作人员执行系统检查的次数会减少，因而故障指示器所需的维护会减少。

新型故障指示器设计还能利用更复杂的数据收集技术和更鲁棒的无线通信来提升性能。通过高速精密转换器以远高于电力线路频率的数据速率收集电力线路信息，它们能捕获更高精度的数据。集成短波无线电和GSM协议等无线通信，也能扩大这些设备的覆盖范围。故障指示器可以传输数据和报告其状态，这样线路工作人员搜索故障所花的时间会减少，因而有更多时间来排除故障。

图4 将地下故障指示器状态报告给地上人员

大数据分析助力提效降本

随着大带宽、低时延、高可靠的5G技术逐渐成熟，电力公司也在推动其在线路巡检、配电网状态监测、大数据采集、准负荷控制、配电自动化等应用上的落地。在这种背景下，采用先进线路传感器技术的故障指示器为电力公司转变运营方式提供了机会。在精度更高、联网能力更好、维护成本更低的节点处收集数据，电力公司便可更快速且更有把握地识别并响应停电事故。不仅如此，还有更多的可能性值得考虑。例如，一整片区域内的所有故障指示器都能提供历史数据和警报，这使得电力公司可以应用机器学习算法和大数据分析来提高线路工作人员的作业效率，降低运营支出，实现更好的业务绩效。