针对目前现有直流接地极系统远程故障诊断方法过于复杂、成本高等问题，本文提出了一种基于GPRS无线传感器网络的接地极在线监测系统。系统以宁东—山东660千伏直流输电示范工程为对象进行研究，采集接地极入地线路各分支的电流。数据检测终端采用闭环霍尔电流传感器高速、高精度采样技术提供准确稳定的数据为整个监测系统提供可靠的数据来源。通信系统采用CBuilder的Socket控件和多线程技术来实现，保证了通信的实时性和可靠性。通过该系统的实施，有力保障了输电线路的安全经济高效运行，降低了供电企业的电网维护成本，实现了巨大的直接经济效益。
1 前言
直流接地极是高压直流输电（HVD）的重要组成部分，接地极不但提供了直流电流的回流路径，降低了系统损耗，而且起到了钳制HVD系统中性点电位的作用。
通常系统以双极方式运行，接地极会限制换流阀中性点电势保证安全。但在停电检修或特殊情况下，系统也会暂时以单极大地回线的方式运行。接地极系统的各项参数必须满足设计要求，高压直流输电系统才能正常运行。在单极大地回线运行方式下，电流从送端换流站线路流出，在受端换流站接地极处流入大地，以大地为传输介质从送端换流站接地极返回，形成完整的回路。数千安培的大电流将会对接地极周围环境产生一定的影响，对接地极的危害表现出电磁效应，热力效应，和电化效应，严重时可能导致电极运行功能的丧失。
迄今为止，我国尚没有高压直流接地极的设计以及运行规范，所以，及时总结国内外接地极设计经验，确定接地极的入地电流特性，对后续的高压直流接地极设计具有参考价值。因此，为保证接地极系统的正常运行，采用有效的测试方法，迅速简便地获取接地极系统的入地电流大小参数具有十分重要的意义。目前电力系统远程故障诊断方法主要有基于CAN总线无线网络，基于Internet网络。但是由于以上方法成本较高，且CAN总线布线复杂，并且考虑到接地极往往都地处偏远，通信架设等种种不便，本文提出了一种基于GPRS无线传感器网络的接地极在线监测系统。
2 接地极概况
宁东—山东660千伏直流输电示范工程，是世界上首个660千伏电压等级的直流输电工程。该工程为水、火电打捆送电项目，将充分利用西北地区闲置的水电容量和丰富的煤炭资源，提高西北电网的水电利用率，变输煤为输电，降低煤炭运输损耗，同时为受端电网提供调峰电源，提高山东电网火电机组运行的经济性和安全性，实现西北华北电网间的水火互补运行，从整体上降低了一次能源的消耗。该直流输电工程输送容量为4000MW，直流额定电压为660kV，直流线路全长为1335km。
该接地极极址位于诸城市境内，峡山水库南，潍河与渠河之间，诸城极址电极布置采用同心双圆环水平敷设，外环半径R1=300m，内环半径R2=210m。接地极线路自中心进线构架（如图1所示）引下后，经线路故障定位装置及管型母线引下，用直埋电缆引流至内、外极环。内外环采用焦炭填充，采用埋地电缆方式进行导流。
图1
3 技术方案及实现
鉴于直流输电换流站接地极的电流运行方式有直流线路双极运行、单极金属回路运行和单极大地回路3种。前2种的入地电流一般为几个到几十安培，大地回路运行的入地电流可达几千安培。为了防止入地电流分布不均匀，单个分流接地点入地电流过大超过电缆额定负荷，影响接地极正常运行，特采用霍尔电流传感器采集电流数据，通过无线GPRS上传的方案解决接地极无人值守的远程监测问题。
3.1闭环霍尔电流传感器
传感器利用霍尔元件测量出通电导线周围的磁场，就可确定导线电流的大小，该传感器的优点是根据现场试验电流大小，配置500A量程的电流传感器，输出为4～20mA直流电流信号；为减小接地极现场环境因数（电场、磁场）对测量的影响，传感器外壳实现电流传感器电场及磁场屏蔽。
图2 直流霍尔传感器原理图图
在实际应用中选择霍尔电流传感器，其开环结构便于传感器现场安装。同时与传统的分流器或互感器的电流测量方法相比亦有许多优点：不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测信号的电流，特别适合于大电流传感。另外闭环霍尔电流传感器主要有以下特点：
（1）可以同时测量任意波形电流，如直流、交流、脉冲电
（2）副边测量电流与原边被测电流之间完全电气隔离；
（3）磁芯中磁感应强度极低，不会使磁芯饱和，也不会产生大的磁滞损耗和涡流损耗；
（4）传感器采用穿心式结构，将传感器直接套装在被测设备的接地线或末屏回路中，不改变被测一次设备原有接线方
（5）传感器采用零磁通技术以降低铁心的激磁磁势，通过有源放大增大了一次端的输出信号，提高了被测信号的信噪比，线性度好；
（6）降低外界干扰的影响和减少模拟信号传输的衰减，测量结果具有较高的稳定性。响应时间快。为了达到测量的精度，传感器的实际应用中考虑到温度及不等位电势的补偿问题。温度漂移的原因主要是导电材料的电阻率、电子迁移率都是温度的函数，因此随温度改变两者都会发生变化。霍尔传感器给出了随时间、温度变化的补偿反入地路。可以得到霍尔传感器在整个工作温度范围内对不等位电势进行有效的补偿，并且可相互独立地进行调节以补偿不等位电势的恒定部分和变化部分的分量，可达到相当高的补偿精度。
3.2前端采集系统
本文所需要采集的原始数据主要是接地极入地线路各分支的电流（用于接地极入地电流负载均衡分析）和电流（用于磁场强度分析）。接地线路的每根电缆都装有霍尔电流传感器（CT），其采集的数据传入线路数据采集系统。在前向通道中，由多路转换开关完成各路信号的循环采样。在整个系统中，数据的采集由一片高速串行16位A/D完成，然后将数字信号交给DSP信号处理器完成数字信号处理，并得到主站分析用的数据。系统结构框图如图3所示。
图3 采集硬件结构框架图
为此本方案采用方法为：数据检测终端采用闭环霍尔电流传感器高速、高精度采样技术提供准确稳定的数据为整个监测系统提供可靠的数据来源。电流在经过霍尔传感器和变送器的转换后得到4mA～20mA的小信号；经过信号调理板的放大后，转换为0～5V的电压信号；通过采集卡的A/D转换模块得到数字信号，然后通过GPRS采集模块包含对设备的初始化、开始采集、错误处理、数据存储、结束采集等命令，并对最终的分析数值由人机界面进行显示。通过一系列流程可以对直流线路高压侧电流参数进行准确的、实时的采集，并可以分析。流程分析图如图4所示。
图4 采样流程图
3.3系统软件实现为了让采集到的数据信息更好的呈现，本方案通信系统采Builder的Socket控件和多线程技术来实现。由于服务器采用一对多的通信方式，为防止当有多个终端同时和服务器进行通信时发生信息阻塞，以保证通信的实时性和可靠性，程序中使用线程技术来处理服务与每一个终端的连接。启动GPRS并初始化完成后，使用辅助线程来监听Socket端口，当有数据到达时，辅助线程通过事件通知主线程处理收到的网络协议数据包。主线程创建副线程来处理该次连接，在副线程中读取数据并判断是否正确，正确则保存数据，错误就将该数据包丢弃，数据处理完成后终止副线程，继续监听端口。图5 软件流程图
图6主界面，
软件通过读取数据库中存储的相关数据指定界面，点击开始监控后，系统接受GPRS数据并在事件监控界面显示和各站点标签同步更新。全天候自动监测高压直流输电换流站接地极各接地点入地电流的实时参数，再通过GPRS网络传回后台，并由诊断系统分析、处理数据，完成报警、故障定位等功能。性能稳定，能比较客观地反映该接地极运行状况的变化规律，若出现接地电阻超标、入地环发热以及接地设备破坏等情况，系统软件能够第一时间分析出故障点及时通知检修。本系统的实施在日常运行期间能够随时掌握接地极的运行数据，从而获得了660KV接地极入地电流的第一手资料。图6 软件主控界面
4 总结
本综合在线检测系统采用以计算机网络为核心构成三级式架构和数据采集、中心分析管理系统。系统网络中的主要元素为调度监控中心、现场数据采集传输器、前端智能传感器。系统具有以下几个特点：
1）系统的实用性：入地电流监测系统应用嵌入式计算机处理所有数据，不仅可以得到瞬时曲线，还可以对数据进行处理得到所需各种图表，而不必工作人员亲临监测现场，大大降低了工作人员的劳动强度，而且便于管理部门及时了解情况，进一步的分析并及时采取响应措施。
2）系统的实时性：该监控系统采用先进的通信和软硬件技术，建立了清晰和合理的系统架构，可以实现多线程的远程并发通信，在几秒时间内，可以让几百公里外的数据实时传送到监控中心进行集中监视和远程调度，实现故障信息的及时报警，运用通信手段实现停机故障的及时处理。提供了强大的实时数据库作为系统的支撑，比起传统的电台轮询等方式，具有无可比拟的优势。3）系统的开放性：接地极观测井远程监控系统是一套成熟的开放式的系统。所谓的开放，就是指协议等方面采用标准的协议，可以进行系统或模块的扩展，便于长期的升级和维护，延长系统的寿命，通过更新部件，能让系统一直存在下去，而不至于整个系统瘫痪，造成大量的投资损失。
通过对宁东660kv接地极在线监测系统的实施，将填补了超高压电力在这个领域的空白，有力提升超高压电力公司输变电设备管理的水平，为电网的后续建设提供了缺陷分析的原始数据，能够有效降低因为预防设备缺陷而停电检测所带来的间接经济损失。由此可见，通过接地极在线监测系统的实施，将有效降低由于设备故障而造成非正常停电。通过该系统的实施，有力保障了输电线路的安全经济高效运行，降低了供电企业的电网维护成本，实现了巨大的直接经济效益。同时，供电可靠性的提供也给社会的稳定生产提供了强而有力的保障，还将产生不可估量的间接经济效益。
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