（计算机软件与理论专业论文）基于gprs、gsm的绝缘子实时监测系统.pdf

大连理工大学硕圭学位论文 摘要 随着我匿工农整生产的发展和人们生活隶乎的提高，作为藿民经济的基础之一，电 力行业取得了迅猛的发展，电力系统的送配电安全性和可靠性也越来越受到电力系统运 行、管理和科研人员的关注。不良绝缘予是影响电力线路安全运行的重要因素之一。本 文正是在这一前提下，在检索大量国内外参考文献及研究成果的基础上，设计实现了一 套绝缘子在线监测系统。 本文首先分析了绝缘子故障发生的机理，结合国内羚研究现状，确定了检测的各项 参数。然后给出了整个系统详细的软硬件设计方法。整个现场监测部分采用模块化设计 方式：在电源模块，采雳太阳能电池，避免了传统的离压取电方式弓| 入干扰，安装复杂和 不安全等问题；系统采用低功耗设计，可以在阴雨天气下连续工作3 0 天；在数据采集 模块，采用先进的集流环从绝缘子串的最后一片绝缘子上采集电流，使用模拟滤波和数 字滤波后分两路分别采集泄漏电流和脉冲频次，采样速率可达1 0 0 k h z ，分辨率达到 1 0 p a ；在通讯模块，采用g s i v i g p r s 两种可选的通讯方式，数据、命令传输及时，成 本低，同时还可以通过现场部分直接向蕊控人受的手机进行预警和报警：在气象模块，采 集了温湿度、气压、风速作为监控中心判断绝缘子状态的参考量：在中央处理模块，使用 了h 公司的超低功耗1 6 位处理器m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，达到功耗最低，延长系统工作时闯。 在监控中心，接收数据后，存入中心数据库，通过友好的显示界面可以浏览数据， 并通过专家系统进行实时数据分析，进行显示和报警预告，可以远程w e b 访问数据库， 进行历史数据浏览分析，也可本地登录数据库服务器，进行数据浏览，方便用户使粥。 关键词：绝缘子；在线监测；g s m g p r s 通讯 大连璞工大学硕士学位论文 b a s e do ng p r s ，g s mt h ei n s u l a t o rr e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t a sc h i n a si n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o na n di m p r o v et h el i v i n gs t a n d a r d so f p e o p l e ，a so n eo f t h ef o u n d a t i o n so f t h en a t i o n a le c o n o m y ，t h ep o w e ri n d u s t r yh a sa c h i e v e d r a p i dd e v e l o p m e n t 。s i n g s p i e le l e c t r i cp o w e rs y s t e ms a f e t ya n dr e l i a b i l i 够o f t h ep o w e rs y s t e m i sa l s oi n c r e a s i n g l yb e i n gr i m , m a n a g e m e n ta n ds c i e n t i f i cr e s e a r c hp e r s o n n e l sc o n c e r n ， i n s u l a t o ra d v e r s ei m p a c to np o w e rl i n e si ss a f eo p e r a t i o no fo n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r s ，t h i s a r t i c l ei si nt h i sc o n t e x t ，al o ta th o m ea n da b r o a di ns e a r c ho f r e f e r e n c e sa n do nt h eb a s i so f r e s e a r c hr e s u l t s ，d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fa ni n s u l a t o ro n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e m 。 t h i sp a p e rf i r s ti n s u l a t o rf a i l u r eo ft h em e c h a n i s m ，r e s e a r c ho nt h es t a & sq u oa th o m e a n da b r o a d ，d e t e r m i n et h ep a r a m e t e r so ft h et e s t ，t h 眠t h ee n t i r es y s t e mi nd e t a i lt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n 。t h ee n t i r es i t em o n i t o r i n go ft h eu s eo fm o d u l a rd e s i g n ：t h e p o w e rm o d u l e s ，u s i n gs o l a rc e l l s ，t oa v o i dt h et r a d i t i o n a lw a y , t h ei n t r o d u c t i o no fh i 醢 p r e s s u r ef r o mi n t e r f e r e n c e ，a n dt h ei n s t a l l a t i o no fc o m p l e x i s s u e ss u c ha su n s a f e ；s y s t e mu s e s l o w - p o w e rd e s i g n ，i nr a i n yw e a t h e rc a nw o r kf o r3 0c o n s e c u t i v ed a y s ；i nd a t aa c q u i s i t i o n m o d u l e s ，t h eu s eo fa d v a n c e ds e t - r i n gf r o mt h el a s ts t r i n go na l li n s u l a t o rc o l l e c t i n gc u r r e n t ， t h eu s eo fa n a l o gf i l t e r i n ga n dd i g i t a lf i l t e r i n gf e h l i n gl uw e r ec o l l e c t e da f t e rt h el e a k a g e c u r r e n ta n dp u l s ef r e q u e n c y , s a m p l i n gr a t ea t 10 0k h z , ar e s o l u t i o na t10p a ；i nt h e c o m m u n i c a t i o n sm o d u l e ，u s i n gg s m g p r st w oo p t i o n a lm e a n so fc o m m u n i c a t i o n ，d a t a t r a n s m i s s i o no r d e rt i m e l y , l o wc o s t , a tt h es a m et i m ec a l la l s om o m 协rt h es c e n et od i r e c tp a r t o ft h em o b i l ee a r l yw a r n i n ga n da l a r m ；i nw e a t h e rm o d u l e , a c q u i s i t i o no ft h et e m p e r a t u r e a n dh u m i d i t y , p r e s s u r e ，w i n ds p e e df i t sam o n i t o r i n gc e n t r ej u d g m e n ti n s u l a t o rs t a t eo f r e f e r e n c e ；a tt h ec e n t r a lp r o c e s s i n gm o d u l e , t h eu s eo fi t su l t r a - l o wp o w e r1 6 - b i tp r o c e s s o r m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，t oa c h i e v et h el o w e s tp o w e rc o n s u m p t i o n , e x t e n dw o r k i n gh o u r ss y s t e m 。 m o n i t o r i n gc e n t r ei nr e c e i v i n gd a t a , i n t oc e n t r a ld a t a b a s e ，t h r o u g hf r i e n d l yi n t e r f a c ec a n v i e wt h ed i s p l a yd a t a , a n dt h r o u g he x p e r ts y s t e mf o rr e a l - t i m ed a t aa n a l y s i s ，d i s p l a ya n d a l a r mn o t i c e ，r e m o t ew e ba c c e s sd a t a b a s e s ，ov i s i tt h eh i s t o r i c a ld a t aa n a l y s i s ，c a na l s os i g n i nt h el o c a ld a t a b a s es e r v e rt ov i e wd a t a 。 k e yw o r d s ：i n s u l a t o r ；o n l i n em o n i t o r i n g ；g s m g p r sc o m m u n i c a t i o n s 大连理工大学学位论文独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 杰i 鱼2 星：刍三塑鱼绝i 勉主襄盟篷望：l ：互红 一 作者签名： 大连理工大学硕七研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： ：茎五鱼l = 呈三：刍垒竺垒丝兰娃基习丝渔l 轰：互堑 作者签名： 导师签名： 日期： 兰盟壁年j i 一月兰竺日 日期：年月日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题研究的背景 在电力系统中，绝缘子是将电位不同的导电体在机械上相互连接的重要部件，其性 能的优劣对整个输电系统的安全运行起着非常关键的作用。尤其是在户外运行的绝缘 子，除了应具有一定的电气绝缘性能和一定强度的机械性能之外，还应具备耐受自然环 境和污染等的侵袭以保证安全供电的条件。绝缘子由绝缘体和金属附件构成。绝缘子按 用途一般可分为线路绝缘子、变电站支持绝缘子和套管三大类。依绝缘子的材料分，目 前有瓷、玻璃和有机复合绝缘子。绝缘子在运行中发生故障的类型很多。当前，对电力 系统影响较大，且比较频繁的事故是在运行电压下输变电设备绝缘子的污秽闪络事故： 变电站户外高压套管和绝缘子的污闪事故以及线路悬式绝缘子的“零值”所引起的高压 导线落地事故。 常说的绝缘污秽放电是指输变电设备在工作电压下的污秽外绝缘闪络。这种闪络， 不是由于作用电压的升高，而是由于绝缘子表面绝缘能力降低引起的结果。污闪有独特 的放电机理，它与绝缘子表面积污、表面污层湿润以及绝缘子本身耐污特性诸因素有关。 随着工业的发展，电网容量的增大和额定电压等级的升高，电力系统输变电设备外绝缘 的污闪事故日益突出。据不完全统计，近十年来污闪事故次数总的来讲比前十年又有增 加。而且，还表现为污闪面积的扩大及其引起的严重性。电力部门制定了一系列防污闪 措施，并投入大量人力、物力解决输变电设备的防污闪问题，也收到了相当大的效果。 但这些防污闪措施都是建立在耗费大量人力物力的基础上，比如定期清扫绝缘子表面， 加大线路巡回检查力度等。这些措施并不能及时发现和排除绝缘子故障，绝缘子污闪事 故仍时有发生。为此，研制一套能对绝缘子运行状态进行实时监测的装置，提高绝缘子 污闪的预警能力，使绝缘子的定期计划检修转变为状态检修，成为了电力部门需迫切解 决的问题。 1 2 课题的研究意义 在绝缘故障检测方面，一些传统的检测方法，如测量绝缘子表面的等值盐密度、测 量绝缘子表面电导率等，需要离线进行预防性测试。这类试验必须在断电状态下进行， 试验周期长、试验费用高、经济损失大、劳动效率低。弥补这一缺陷的有效途径就是实 行绝缘子运行状态的实时监测。在不停电的情况下，对设备进行测试，测试结果可以反 应设备运行的真实情况，而且可以随时进行，这样可以大大提高发现问题的概率，提高 污秽闪络的预警能力。绝缘子运行状态的在线检测技术是实现电力设备由计划检修向状 基于g p r s 、g s m 的绝缘子实时监测系统 态检修的必然要求。状态检修提倡“该修则修，不该修则不修，检修具有针对性 ，节 约了检修成本，减少了停电时间，提高了设备利用率。目前，国外的状态检修己由原来 的低水平，局部的状态检修阶段，进入了由计算机管理的具有监测、判断、告警专家系 统的高级阶段。绝缘子在线监测技术正是顺应这一趋势，必将在电力设备由计划检修向 状态检修的转变中发挥重要作用。 1 3国内外研究方法及现状 输电线路绝缘子的在线检测，因其安装位置的特殊性及分布区域的广泛性，向来是 绝缘在线监测的一个难点。若干年来，国内外一直在寻找有效的解决办法，至今己有以 超声波检测法、激光多普勒振动法及红外热象仪法为代表的非电量测量法和以电压分布 检测法、绝缘电阻法及脉冲电流法为代表的电量测量法，被尝试用于解决绝缘子在线监 测问题。 1 3 1 非电量测量法 激光多普勒振动法【i 】是利用己开裂的绝缘子的振动中心频率与正常时不同的特点， 通过外力如敲击铁塔或将超声波发生器所产生的超声波用抛物型反射镜对准被测绝缘 子，或用激光源对准被测绝缘子，以激起绝缘子的微小振动，然后将激光多普勒仪发出 的激光对准被测绝缘子，根据对反射回来的信号的频谱的分析，从而获得该绝缘子的振 动中心频率值，据此判定该绝缘子的好坏。 超声波检测法1 2 是基于当超声波从一种介质进入到另一种介质的传播过程中，在两 介质的交界面发生反射、折射和模式变换( 纵、横波转换) 的原理实现的。通过接收超声 波发生器发出的脉冲，超声波在进入绝缘子介质和穿出绝缘子介质时的反射波来限定绝 缘子的位置区间。当绝缘子出现“开裂 时，则在接收到的反射波的时间轴上将出现该 缺陷的反射波，由时间轴上的该缺陷波的大小及位置，即可判断出缺陷在绝缘子中的具 体情况。超声波检测法和激光多普勒振动仪法可检定出开裂绝缘子，对于具有“零值自 爆”特性的玻璃绝缘子的在线检测确有高效。日本在这一领域研究较多，也取得了一定 的进展。但超声波检测法存在衰减及超声波换能器的性能问题在远距离遥测上目前未有 大的突破，尚处于摸索阶段，该类设备目前主要用于企业生产的在线检测及实验室检定。 激光多普勒振动仪的缺点是体积庞大、笨重、使用及维修复杂，以及它对未开裂的劣值 绝缘子检测效果很差，这些缺点限制了它的适用范围。利用绝缘子表面的热效应原理进 行在线检测的红外热象仪法p j ，对于涂有半导体釉的耐污绝缘子的遥测相当有效。因为 此类绝缘子在线带电运行时，正常绝缘子的表面电流较大、温升较高，而劣值绝缘子的 表面温度比正常绝缘子低好几度，用红外热象仪易于识别；但对于玻璃绝缘子或普通釉的 大连理工大学硕士学位论文 瓷绝缘子，其正常的表面温度比劣值的表面温度仅相差1 左右，在复杂的现场环境下， 测量极其困难，而红外热象仪高昂的造价亦令众多用户对其性能价格比难以接受。基于 此，目前国内外大多采用电量法进行绝缘子在线检测。 1 3 2 电检测法 ( 1 ) 电压分布检测法【4 】：电压分布检测法是一种传统的绝缘在线检测方法。近年来 随着传感器技术的发展，该法也被赋予了新的内容。基于泡克尔斯o a o c k e l s ) 效应的光纤 电压传感器能在基本上不改变绝缘子串电场强度分布的情况下，准确测定各绝缘子的电 压分布情况，克服了短路叉法、火花间隙法测量准确度低，读数分散性大的缺点，同时 也消除了静电电压表法测量时会改变绝缘子串电压分布的不足。在信号处理方面，目前 普遍采用将测量结果经光电转换后通过绝缘杆内的光纤传输到低压端，再转换成电信号 读数或直接将测量结果转换成语音信号报出的方法。至于劣值绝缘子的判定，目前众多 的理论研究及实验均己证明：正常绝缘子串的电压分布呈不完全马鞍型，即在每串绝缘 子中靠近导线侧的绝缘子承受电压最高，约为靠近接地端绝缘子承受电压的1 7 倍 3 0 倍，而以中间部分承受电压最低；但两相邻绝缘子之间承受电压之比则大致在1 1 - 1 3 之 间。因此，用相邻比较法即能较好地判断出劣值绝缘子。国内目前一般以相邻绝缘予电 压比低于5 0 作为劣值绝缘子的判断标准，或采用纵向比较法，即用该绝缘子串上次所 测电压分布相比较的方法判别劣值绝缘子。电压分布检测法的特点在于直观、能准确地 判断绝缘子性能的变化。利用信号光电转换的测量方法消除了以前非电量测量方法的准 确度不高、读数困难等缺点。但是，电压分布法操作起来仍然十分不便。虽然已研制出 自爬式绝缘子检测仪，相对减轻了现场操作人员的劳动强度，但每次测量必须登杆才能 完成，操作人员的劳动强度依然较大、工作安全性较差的缺点仍然令这种方法难以得到 广泛应用。如何解决好这一问题将是该法今后应用研究的主要课题。 ( 2 ) 绝缘电阻法( 泄漏电流法) 瞪】：绝缘子在线检测中，绝缘电阻的测量是通过泄漏电 流的测量得以实现的。众所周知，高压输电线路绝缘子一般都采用结构简单、机械强度 高、老化率低的盘形悬式绝缘子片，接成串后，可在任意电压等级的输电线上使用。在 天气干燥的情况下，泄漏电流为毫安级，当绝缘子串中有零值或低值绝缘子时，其对地 泄漏电流的幅值将发生较大的变化。该变化值依绝缘子劣化的程度及个数而异，通过检 测灵敏度及准确度较高的电流传感器可以采集到泄漏电流的变化。目前已研制出多种适 用于泄漏电流测量的实用的电流传感器，它们在泄漏电流的测量准确度方面毫无问题， 但绝缘电阻法存在的问题并非完全在于电流的准确测量，它还取决于以下几个因素：输电 线路的电压变化直接影响到泄漏电流的大小，且电压的变化引起的电流改变值在理论上 足以与一至二个绝缘子劣化时的电流改变值相当。绝缘子的泄漏电流与其表面的污秽程 基于g p r s 、g s m 的绝缘子实时监测系统 度密切相关。杆塔结构、绝缘子老化程度、绝缘子形状及天气状况如温度、湿度甚至风 速风向都会对绝缘子泄漏电流的大小产生影响，因而泄漏电流值在正常情况下亦是一个 随时间变化的量，存在一个如何正确判定绝缘子串是否存在劣值绝缘子，即如何确立判 断标准( 判据) 的问题。最近几年，国内外不少研究机构利用最新的波形分析技术，比如 信号分析技术研究发现，绝缘子泄漏电流频谱构成的变化贯穿了整个绝缘子污秽闪络过 程，比较准确的反应了绝缘子从局部放电到沿面闪络的全过程，另外，由于泄漏电流信 号的随机性，利用概率统计方法分析泄漏电流包络线信号对于判据的确定也有很大帮 助。本文后面将详细介绍这两种最新的方法。 ( 3 ) 脉冲电流法1 6 】：所谓脉冲电流法就是通过测量绝缘子电晕脉冲电流的方法来判 断绝缘子的绝缘状况。其原理是：存在劣值绝缘子的绝缘子串中，由于劣化绝缘子的绝缘 电阻很低，它在绝缘子串中承担的电压也较小，于是其它正常绝缘子在绝缘子串中的承 受电压必然明显大于正常情况下的承受电压，而因回路阻抗变小，绝缘子电晕现象加剧， 电晕脉冲电流必将变大。根据线路上存在劣值绝缘子时电晕脉冲个数的增多、幅值增大 的现象，利用宽频带电晕脉冲电流传感器套入杆塔接地引线取出电晕脉冲电流信号，通 过一定的信号处理手段，从而达到在低压端检测出不良绝缘子的目的。该法存在的主要 问题在于传感器的选择、信号的提取及辨识、现场干扰的排除等。由于电晕脉冲电流在 绝缘子正常时亦可能产生，且随着输电线路电压的波动其值也在变化，故如何消除这些 因素的影响、建立绝缘子劣化判断标准也是该法能否成功的关键。近来不少研究者在这 方面都做了很多有益的探索。在实验室通过对单相绝缘子脉冲电流的测量得出如下结论： 不良绝缘子的阻值、不良绝缘子在串中的位置、绝缘子串的长度及正常绝缘子的电晕起 始电压都对脉冲电流法检测不良绝缘子的分辨率产生影响。 由于绝缘子在线检测的这些固有的问题，到目前为止，我国尚没有开发出能广泛应 用，且能准确判断绝缘子运行状态的实用产品。当然也有一些处于试验阶段的产品，比 如武汉高电压研究所研究出的污秽绝缘子泄漏电流自动监测报警器，是以绝缘子泄漏电 流进行检测的。它的传感器和监测报警器安装在杆塔上，报警信号采用无线电传输方式 传输到地面接收，地面部分为便携式接收机。这个装置还不是全天候实时监测，它还需 要巡线人员拿着接收机沿途收集数据。另外还有一种是变电站瓷绝缘污秽泄漏电流自动 监测仪。 综上所述，由于绝缘子在线监测的特殊性，其实时监测极其困难。非电量检测法虽 然具有不与被测元件直接接触、没有高压绝缘问题困扰的优点，但由于其测量受诸如造 价、设备本身条件、外在因素影响及设备操作复杂等因素的限制，在实际应用中困难重 重。电量检测法中，分布电压法虽然具有直观、能准确地判断绝缘子性能变化的特点， 大连理工大学硕士学位论文 但其测量需要登杆、工作危险程度高等弱点也使其应用潜力受到限制。脉冲电流法基于 电晕放电的原理，将传感器套入杆塔接地引线取出电晕脉冲电流信号进行检测，经济方 便，但信号的提取、辨识、现场干扰的排除等比较困难。泄漏电流法测量在低压端进行， 能准确地测量出泄漏电流的变化情况，但该值受影响的因素多，而且泄漏电流本身也是 一个随时间变化的量。所以，对于准确判定绝缘子串是否存在劣值绝缘子，建立一个合 适的判断标准( 判据) 就非常重要。本文使用目前通用的信号频谱分析技术以及概率统计 方法来分析泄漏电流与绝缘子状态的关系，并据此建立劣质绝缘子的判断标准。 1 4 本文主要研究工作 本课题的主要任务是实现绝缘子运行状态的实时监测。在分析了污秽绝缘子局部电 弧发生、发展直至闪络的全过程后，建立了一套以泄漏电流为基础的绝缘子在线实时监 测系统。本文的研究工作主要有以下几方面： ( 1 ) 绝缘子污秽闪络是绝缘子表面局部电弧发生、发展的复杂过程，绝缘子表面泄 漏电流是一个随机变量。本文对污秽闪络发生的机理进行了研究，阐述了泄漏电流的频 率特性及其包络信号的随机性，并根据分析结果建立了判据。 ( 2 ) 根据绝缘子表面局部电弧的动态特性建立了电弧放电动态模型，编制了一套程 序仿真绝缘子在线运行时，泄漏电流随电压和表面电导率的改变而变化情况。 ( 3 ) 根据高压塔线的特殊性，解决数据传输的问题，由于多数监测点的绝缘子在野 外的高压塔线上，所以数据传输方式的选择很重要，采用传统的有线传输方式以不能 解决问题，更何况以往的有线传输受时间空间和传输可靠性的限制，所以本系统选用一 种全新的传输方式，通过g s m g p r s 网络传输，通过建立t c p i p 连接实现不间断的网 络传输，保证数据的可靠性和实时性。 ( 4 ) 最后，本文结合绝缘子状态监测和硬件系统的特性设计了主机和从机的监测软 件，为实现了绝缘子运行状态的实时监测打下了一定的基础。 基于g p r s 、g s m 的绝缘子实酎越测系统 2 绝缘子故障发生机理、无线传输方式选择和整体设计 2 。1绝缘子故障发生机理 2 1 1 绝缘子介绍 图2 1 绝缘予示意图 f i g 。2 1 i n s u l a t o rs k e t c h 如图2 。l 所示，绝缘予是连接离筮输电线杆( 杆塔) 与输电导线的一穗绝缘体，它不 仅要求具有较强的机械特性，而且还应具有良好的绝缘性能。高压输电线路绝缘子一般 都采用结构简单、机械强度嵩、老化率低、串接成串盾可在任意电压等级的输电线上使 用的盘形悬式绝缘子组合丽成，其等效电路可用r c 宰并联电路表示。( 如图2 2 ) c 图2 。2 等效电路图 f i g 。2 2e q u i v a l e n tc i r c u i t 大连理工大学硕士学位论文 不良绝缘子指内部绝缘受到损坏的绝缘子，其外部特征表现为绝缘电阻和耐压值的 降低。中华人民共和国电力行业标准中规定：1 1 0 v k 及2 2 0 v k 线路悬式绝缘子的绝 缘电阻不应低于3 0 0 m 欧。5 0 k 0 v 线路悬式绝缘子的绝缘电阻不应低于5 0 欧。f 阻值应 用2 5 0 0 v k 格表测量) 。低于上述两值的称为不良绝缘子。一般一片不良绝缘子耐压低于 2 0 3 0 k v 。但有些不良绝缘子并不表现为低阻抗，在绝缘子串中可承受正常工作电压的 作用在雷电或操作过电压的作用下，这类绝缘子的绝缘会丧失。在工作电压作用下，不 良绝缘子内部会产生放电。 2 1 2 故障发生的原因 各种故障中，绝缘闪络和绝缘击穿最多【7 】。绝缘击穿就是绝缘材料在电场中，由于 极化、电流以及高电场强区局部放电所产生的热损耗的作用，当电场强度超过某数值时， 就会形成导电通道而使绝缘破坏的现象。绝缘闪络就是绝缘材料在电场作用下，尚未发 生绝缘结构的击穿时，在其表面或与电极接触的空气( 离子化气体) 中发生的放电现象， 主要绝缘子污秽所引起。本文主要就绝缘子污秽情况进行监测，下面就污闪的原因进行 介绍。 污闪的物理模型最早由f 奥本诺斯( o b e n u n s ) 提出，即绝缘体在高压运行状态下，其 电阻等效于局部放电电弧电阻和剩余污秽层电阻的串联( 如图2 3 ) 。 电弧电弧 污层电阻 _ ，- - ，7 一 x l惦勉 图2 3 物理模型 f i g 2 3p h y s i c a lm o d e l x = x 1 + x 2 为总弧长；l 为泄漏距离；l x 为剩余污层长。绝缘体发生闪络的原因 是因为局部电弧沿面延伸，最后失去稳定。在两个电极之间当有电压u 存在时，沿绝缘 介质表面有电流通过，即泄漏电流，而泄漏电流的大小取决于污秽层电导和绝缘体表面 的外形使绝缘子表面各部位的电流密度不同。在悬式绝缘子的钢脚附近，棒式支柱绝缘 子裙和芯棒交接处电流密度比较大的部位会形成促使绝缘子表面电压分布更加不均匀 的干燥带，干燥带承受较高的电压。这时，染污介质的表面放电模型，相当于表面局部 基于g p r s 、g s m 的绝缘子实时监测系统 电弧串联着一段污层电阻，此时的局部电弧有可能熄灭，如果局部电弧不断发生和发展， 电弧长度x 达到或超过一定长度时( 临界弧长) ，局部电弧就会失去稳定性，自动迅速发 展，直至贯穿两极，最终形成闪络。 2 2 特征量的选取 随着在线监测系统的发展，现在国际上主要倾向于电量测量法，本系统采用同时采 集泄漏电流和脉冲电流并辅以气象参数的方法。 2 2 1 泄漏电流 泄漏电流是在运行电压下通过绝缘子表面的电流【8 】。当绝缘子表面积累了污秽或绝 缘子串中存在不良绝缘子时，绝缘子上的泄漏电流将会增大。泄漏电流的大小可以反映 出绝缘子的状态。泄漏电流越大，发生闪络甚至击穿的可能性就越大。国际大电网会议 学术委员会污秽工作组认为研究泄漏电流的较为认可的参数为：运行电压下泄漏电流的 最大脉冲幅值；超过一定幅值的泄漏电流脉冲数( 尺度穿越率) ；临闪前最大泄漏电流值 等。在本系统中，选取了泄漏电流峰值的平均值和峰值作为参数。 2 2 2 脉冲频次 在本系统中，脉冲频次就是在单位时间( 1 分钟) 内幅值超过一定电流( 可根据不同的 条件设定) 的脉冲次数。在一定外界条件下，不良绝缘子内部会产生放电。一般情况下， 局部放电不会立刻产生绝缘子的击穿，但是长时间的局部放电，会使绝缘子损坏加重。 研究其放电特性，阻值低的不良绝缘子放电脉冲比阻值高的不良绝缘子大，随着所施电 压提高，脉冲电流幅值也增大，其放电量也相应增大，脉冲个数增多。 2 2 3 其它特征量的选取 绝缘子的泄漏电流的大小和脉冲频次的多少除了与污秽的程度相关，还与空气的温 度、湿度、风速、气压以及所加电压的大小有关。 气候干燥时运行绝缘子沿面没有形成导电层，绝缘电阻较高，分布电容起主导作用 的绝缘子各部位电压分布呈马鞍型。空气相对湿度增大时，污秽层的电导是阻性电流构 成泄漏电流的主体。所以，在相同的污秽条件下泄漏电流值随空气湿度增大而增大，脉 冲频次也相应增大。 温度的影响主要是由于电介质都存在着介质损耗，环境温度的升高和在电场的作用 下电介质的发热升温会导致电介质的绝缘电阻下降，使电流进一步加大，脉冲频次也相 应增多。如果同一时间里，发热大于散热，绝缘子温度不断升高，甚至会导致电介质的 分解碳化，最终导致击穿。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 风对清洁绝缘子表面污秽以及由风所引起的电线晃动，对于绝缘子的污秽程度和泄 漏电流也有一定的影响。 绝缘子污闪电压随气压的减小非线性降低，且污闪电压随气压减小的下降率小于污 闪电压随气压减小的下降率；当盐密增大时，绝缘子污闪电压随气压减小而降低的下降率 变小在实际的实验中，发现泄漏电流的大小与绝缘子上所加的电压有关，绝缘子上所加 电压越大，泄漏电流越大，这也符合在前文中所提及的绝缘子的物理模型。 基于g p r s 、g s m 的绝缘子实时监测系统 3 g p r s 无线通讯方式简介 基于和i n t e m e t 的分布式数据监测系统涉及到多方面的技术，其中包括无线通信技 术、信号采集技术以及计算机网络技术。因此，在给出整个系统前有必要介绍一下相关 的技术。 3 1 移动通信技术概述 第一代移动通信系统是模拟移动通信系统，第二代是g s m 系统，即将到来的三代 移动通信系统是3 g 系统。由于第三代移动通信系统从标准出台到全面商业化还有一段 较长的时间，目前国际上各大通信公司都忙于开发2 5 g 的无线数据业务，作为3 g 标准 过渡的中间方案，g p r s 就属于这中间方案之一。c d m a 技术是在第二次界大战期间为 防止敌方对己方通讯的干扰而研制开发的，1 9 9 5 年由美国高通公司更为商用蜂窝电信技 术并投入商用运营。g s m 、c d m a 和g p r s 这三个移动通信技依次崛起，为人们提供 便捷实惠的移动通信服务。 3 1 1 g s m 移动通信系统 g s m 是英文g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o i l 的缩写，意思是全球移动信 系统【9 1 。g s m 是数字移动通信系统的先行者，它采用数码式移动通讯技术，传输速为 9 1 6 k b p s ，使用的波段有9 0 0 m 比和1 8 0 0 m h z ，g s m 手机使用s i m 卡。由g s m 系统 在全球许多国家之间有漫游协议，所以g s m 用户能够漫游到许多国家。g s m 移动数据 业务主要分为电路型数据业务和分组型数据业务。g s m 第一阶段供的9 6 0 0 k b i t s 以下数 据业务及p h a s e 2 + 阶段提出的高速电路交换数据都属于电路型数据业务。p h a s e 2 + 阶段提 出的通用分组无线业务( g p r s ) 贝j j 属于分组型数据业务。后者对于前者具有很显著的优越 性。 g s m 系统的优势在于其覆盖范围广，在我国基本实现了全国漫游。不仅如此我国 还与世界上5 0 多个国家的7 0 多家运营商发展了漫游业务，可以在全球1 4 3 个家和地区 进行漫游。g s m 系统的不足是通话噪音大，接通率不高，容易掉线。 3 1 2 c d m a 移动通信系统 c d m a 是英文c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 的缩写，意思是码分多址通信技术【l 0 1 。 由于c d m a 系统采用了先进的扩频技术，使通信背景噪音大大降低，通话质量可以固 定电话相媲美。c d m a 系统的优势在于通信技术先进，有很好的发展前景；绿色环保， 系统的发射功率最高只有2 0 0 m w ，手机的辐射量只有g s m 系统的千分之一，影响小； 大连理工大学硕士学位论文 通话质量可以和固定电话相媲美；通话不易被窃听，保密性强；上网速度5 6 k m o d e m 上网速度的两倍。c d m a 系统的不足在于原g s m 系统用户转入系统时，需更换c d m a 手机，更换新的u m 卡，变换新的手机号。 3 1 3g p r s 移动通信系统 g p r s 是英文g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e 的缩写，意思是通用分组无线业务的简 称，电信协会g s m 系统中有关分组数据所规定的标准【l 。g p r s 具有充分利用现有的 资源利用率高、始终在线、传输速率高、资费合理等特点。目前世界上有大约1 0 亿普 通电话用户，3 亿无线通信用户和1 亿互联网用户，电信业的发展趋势是无线语音业务 的发展速度超过普通电话业务，两者间在合。未来的网络将是一个有线、无线和互联网 三者合一的数字化的全球网络。其超越一切地理障碍，使信息无处不在。 与g s mc s d 业务不同的是，g p r s 业务将以数据流量计费，而g s mc s d 以时间 计费，g p r s 这一计费方式更适应数据通信的特点。此外，g p r s 业务的速度较g s mc s d 业务也将有很大提高，g p r s 可提供高达11 5 k b s 的传输速率( 最高1 7 1 2 k b s ) ，下一代 g p r s 业务的速度可以达到3 8 4 k b i t s 。g p r s 一个较大的优势是能够充分利用现有的 g s m 网，可以使运营商在全国范围内推出此项业务。g p r s 用户只有在发送或接收数据 期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率的共享同一无线信道，从而提高了资源的 利用率。同时，用户只需按数据通信量付费而无需对整个链路占用期间付费。g p r s 通 信模块就是为使用g p r s 服务而开发的无线通信终端设备。可应用系统集成中：远程数 据监测系统、远程控制系统、自动售货系统、无线定位系统、门禁保安系统、物质管理 系统等。 3 2t o p ip 与超文本传输协议( h t t p ) 3 2 1t o p ip 协议 t c p 佃( 传输控制协议网间协议) 是一种网络通信协议，它规范了网络上的所通信设 备，尤其是一个主机与另一个主机之间的数据往来格式以及传送方式u 2 1 。t c p 是i n t e m e t 的基础协议，也是一种电脑数据打包和寻址的标准方法。在数据传送中，以形象地理解 为有两个信封，t c p 和口就像是信封，要传递的信息被划分成若干段，每一段塞入一 个t c p 信封，并在该信封面上记录有分段号的信息，再将t c p 信封塞进口大信封，发 送上网。在接受端，一个t c p 软件包收集信封，抽出数据，按发送前的帧序还原，并 校验，若发现差错，t c p 将会要求重发。因此，t c p i p 在i n t e r n e t 中几乎可以无差错地 传送数据。在网络术语中，协议是为了在两台计算机之间交换数据而预先规定的标准。 基予g p r s 、g s m 趋绝缘子实孵淡测系统 t c p 刀p 并不是一个褥是诲多协议，藤t c p 和臻只是其中两个基本协议焉已。t c p i p 提供了一个方案用来解决属于同一个内部网而分属不阎物理网络的两螽计机之间怎样 交换数据的问题。这个方案包括许多部分，丽t c p i p 协议集的每个成员用来解决阍题 的某一部分。如t c p i p 协议集中最基本的协议之一礤协议用来在内部网交换数据并且 执行一项重要的功能：路由选择，选择数据报从a 主机到b 主机将要过的路径以及利 用合适的路由器完成不同网络之闯的跨越。t c p 是一个更高层次的它允许运行在在不同 主机上的应用程序相互交换数据流。t c p 将数据流分成小段叫做t c p 数据段( t c p s e g m e n t s ) ，并剩震转协议进行传输。在大多数情况下，每个t c p 数据段装在一个撙数 据报中进行发送。但如需要的话，t c p 将把数据段分成多个数据报，而这些数据报则与 同网络不同主机阆传输位流和节流的物理数据帧相容。由于犯并不能保证接收的数 据报的顺序相一致，t c p 会在信封端装配t c p 数据段并形成一个不问断的数据流。f t p 和t e l n e t 就是两个非常流行依靠t c p 的t c p i p 应用程序。另一个重要的t c p i p 协议 集的成员是蔫户数据报协议u d p ) ，它丽t c p 相似但t c p 原始许多。t c p 是一个可靠 的协议，因为它有错误检查和握手确认来保证数据完的到达目的地。u d p 是一个“不可 靠 的协议，因为它不妻毫保证数据报靛接收顺序发送颗序穗羼，甚至不能保证它们是否 全部到达。如果有可靠性要求，则应用程序避使用它。同许多t c p i p 工具同时提供的 s n m p ( 简单网络管理协议) 就是一个使用u d p 协议的应用例子。 其它t c p 协议在t c p i p 网络中工作在幕后，但同样也发挥着重要作用。地址转换 协议( a r p ) 将p 地址转换为物理网络地址如以太网地址。而与其对应的反转换协议( a k p ) 做相反的工作，酃将物理网络地址转换为璎地址。黧际控制报文& c m p ) 则是一个支持 性协议，它利用i p 完成i p 数据报在传输时的控制信息和错的传输。例如，如果一个路 康器不能囱前发送一个瑾数据报，它就会利用c i m 诉发送者这里出现了阀题。 3 2 2h t t p 协议 肼( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c o l ，超文本传输协议) ：是专门为w e b 设计的应用层 网络协议。即h t t p 是w e b 应用的基本协议，w e b 浏览器和服务器用h t t p 传输w e b 文档l l 引。h t t p 协议在i n t e r a c t 环境中是由t c p i p 协议支持，为w e b 服测览器之闻的 通信提供了握手及消息传递格式。它具有快速、通用、无状态性及面向对象等特点。非 常适合于分布式协作超媒体系统。 h 弱限请求响应握手方式的运作基本过程是这样盼：一个请求程序( 称为“客户静 首先与接收程序( 称为“服务器 ) 建立一条连接，并向服务器发送请求服务消息，服务 器接收到请求蜃发令响应消息给客户，然羞关闭连接。其中，客户与服务器是一个相 大连理工大学硕士学位论文 对概念，h t t p 中的程序具有服务器和客户的双重功能。h t t p 协议的消息有两类，即 客户发出的请求消息与服务器发出的响应消息。 3 3c s 结构和b s 结构 3 3 1c s 结构基本概念 客户端服务器( c s ) 是指两个系统或两个进程的关系，客户机请求服务器系完成工 作，服务器提供客户要求的服务【l 引。大多数情况下应根据请求者与被请求者来确定那一 方是客户机和那一方是服务器。在c s 结构中，客户进程请求服务器进程，由服务器进 程执行完任务后，将回给客户，这是最基本的c s 模式。它采用客户应用进程与服务器 应用进程共同应用系统的用户界面处理、业务逻辑、数据处理等功能。用户界面表示由 客户应实现，业务逻辑由客户和服务器联合完成，数据服务由服务器进程承担。基本 c s 模式己经得到了广泛的使用，但在大型应用系统与用户需求变化较统中，这种结构 有很明显的不足：无法适应系统新的变化；客户机负担重；数据器性能下降等。 3 3 2b s 结构及特点 b s 结构：( b r o w s e r s e r v e r ，浏览器j j 及务器模式) ：是w e b 兴起后的一种网络结 构模式，w e b 浏览器是客户端最主要的应用软件【l5 1 。这种模式统一了客户端，将系统 功能实现的核心部分集中到服务器上，简化了系统的开发、维护和使用。客户机上只要 安装一个浏览器( b r o w s e r ) ，如n e t s c a p en a v i g a t o r 或i n t e r n e te x p l o r e r ，服务器安装 o r a c l e 、s y b a s e 、i n f o r m i x 或s q ls e r v e r 等数据库。浏览器通过w e bs e r v e r 同数据库 进行数据交互。b s 最大的优点就是可以在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软 件。只要有一台能上网的电脑就能使用，客户端零维护