高精度線路監(jiān)測系統(tǒng)的研制與應用

國網(wǎng)西藏拉薩供電公司 周勇軍

西藏地處高海拔高寒地區(qū)，地理條件復雜、交通條件差。當?shù)嘏渚W(wǎng)線路密集、間距小、系統(tǒng)結(jié)構復雜，開展配電線路日常巡視工作，存在人工巡視難度大、實時性不強等問題；進行配電線路日常維護時，配電線路實時工況信息匱乏，日常巡視缺乏針對性；發(fā)生配網(wǎng)線路故障后缺乏定位手段，往往使用原始的人工拉路方法確定故障線路，使用人工巡線方法確定故障點，導致健全線路也不得不短時停電，并耗費大量人力物力，并且延長了故障修復時間。為有效提高供電服務質(zhì)量，降低線路故障跳閘造成的損失，減輕現(xiàn)場運維人員的工作強度，有必要依據(jù)現(xiàn)有技術開發(fā)一套能實時監(jiān)測線路狀態(tài)的系統(tǒng)，切實解決日常巡視、維護以及線路故障處理效率不高的問題。

針對當?shù)嘏潆娋W(wǎng)特點，開發(fā)出一套適用于西藏地區(qū)高寒、高海拔環(huán)境的配電網(wǎng)架空線路監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實現(xiàn)包括小電流接地故障在內(nèi)的故障區(qū)段定位，且能實時監(jiān)測線路負荷電流、線路電場、電流諧波含量和環(huán)境溫度等線路工況信息。

系統(tǒng)構成

配電網(wǎng)架空線路監(jiān)測系統(tǒng)主要由高精度線路傳感器（包含采集單元和匯集單元兩部分）和大數(shù)據(jù)智能分析平臺（簡稱平臺）組成，如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)架空線路監(jiān)測系統(tǒng)主要構成

（1）高精度線路傳感器，由采集單元和匯集單元組成。采集單元采用感應自取電技術供電，安裝在中壓架空線路上，實時采集線路的電流、電壓（電場）信號；匯集單元采用太陽能供電，安裝在桿塔上。

（2）大數(shù)據(jù)智能分析平臺，能收集所有高精度線路傳感器上傳的數(shù)據(jù)，采用機器學習算法進行高級分析，完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計、故障定位、故障類型識別、故障預測等高級功能。

（3）數(shù)據(jù)傳輸部分，采集單元和匯集單元采用短距無線傳輸技術進行數(shù)據(jù)傳輸；由于配電線路分散，匯集單元和平臺之間采用4G進行通信和數(shù)據(jù)傳輸。

硬件設計

配電網(wǎng)架空線路監(jiān)測系統(tǒng)的高精度線路傳感器由采集單元和匯集單元兩部分組成，主要功能是實時采集線路的電流、電壓（電場）信號，并將信號上傳至平臺。根據(jù)功能不同，主要可以分為電流測量、電場測量、取能及通信四部分。

電流測量

傳感器的電流測量裝置，采用電子式電流互感器，可有效克服電磁式電流互感器的不足，其中基于高性能PCB（Printed-Circuit Board）空心線圈（或稱為Rogowski coils，羅氏線圈）電流傳感器的有源式電子式互感器，具有低成本、高精度、高線性度、高帶寬、無磁飽和等突出優(yōu)點。

通過對羅氏線圈電流互感器數(shù)字化三維建模、空間電磁場仿真和配套電路進行模擬試驗，采用了獨特的基于PCB的雙線并繞設計，如圖2所示。

圖2 雙線并繞羅氏線圈電流互感器設計圖

開口式羅氏線圈電流互感器（測量線圈部分）避免了開口式電磁互感器結(jié)構復雜、容易生銹等問題，并與精心設計的信號調(diào)理電路配合，有效克服了開口式羅氏線圈互感器對環(huán)境溫度、待測導體傾斜和偏心程度、臨近線路干擾敏感等缺陷。

電場測量

傳感器的電場測量裝置，一般采用電壓型電場傳感器。該傳感器結(jié)構簡單、成本低，但這種測量方法需要通過并聯(lián)電容增加靈敏度，增加的電容會對測量結(jié)果的線性度產(chǎn)生影響。為了能更加準確地測量線路電場，本文采用了一種新的測量方法，電場測量原理見圖3。

圖3 電場測量原理

測量電容和對地電容串聯(lián)，測量電容和線路對地電容形成一個分壓電路，測量電容的電壓為：

其中公式（1）中，C0為測量電容，Cg為線路對地電容，UX為線路對地電壓，Ue為測量電容兩側(cè)電壓。

對平行板電容器，有：

由公式（2）可知，電容器的測量電場和測量電壓成正比；式中k為選定電容器的系數(shù)。

通過電場傳感器數(shù)字化三維建模、空間電磁場仿真（見圖4）和配套電路，設計的電場傳感器具有測量靈敏度高、抗干擾能力強、抗雨淋等突出優(yōu)點，電壓測量線性度可達1%，帶寬0～4千赫，可靠性高，電磁兼容性好。

圖4 電場傳感器的三維空間電磁場仿真

取能

目前有源型電子電流互感器的供能方式主要有3種：（1）通過電磁耦合利用一次側(cè)電流從線路上取能；（2）由地面低壓系統(tǒng)取能并轉(zhuǎn)換為激光，通過光纖輸送至高壓平臺，然后再將光能轉(zhuǎn)化為電能；（3）采用可充電蓄電池供能。

為了使采集單元達到免維護的效果，本文涉及的采集單元主供電擬采用電磁耦合取能，并采用超級電容作為其備用電源，其等效電路如圖5所示。

圖5 取能系統(tǒng)等效電路

通過電路仿真軟件構建圖4 所示仿真電路，可依據(jù)仿真效果確定最優(yōu)諧振電容，并能夠直觀知悉各器件參數(shù)對儲能電容充電時間的影響，在滿足正常工作的前提下盡可能減少超級電容充電時間。

西藏地區(qū)太陽能資源豐富，因此匯集單元擬采用太陽能板作為主電源、可充電電池作為其備用電源。

通信

電力系統(tǒng)的通信方式有電力線載波、無線廣播、光纖、通信電纜和數(shù)字微波等，由于10千伏配電網(wǎng)路徑長、結(jié)構分散，設立專用的電纜或光纖通信通道，成本高且不易維護，因此以無線和電力線載波較為適宜。

電力線載波需要單獨的調(diào)制解調(diào)設備，成本較高，本文擬采用無線通信。傳感器的采集單元和匯集單元之間的通信擬采用短距無線通信，匯集單元和平臺擬采用4G進行通信。

平臺軟件設計

針對西藏地區(qū)配電網(wǎng)中壓架空線路的故障定位和狀態(tài)監(jiān)測需求，平臺軟件系統(tǒng)主要包括以下幾個功能模塊。

故障檢測：根據(jù)傳感器上傳的實時故障信息，判斷故障發(fā)生饋線和故障區(qū)段；對于短路故障，采用傳感器現(xiàn)場上傳的SOE 進行故障區(qū)段判定；對于接地故障，通過暫態(tài)零序電流進行故障區(qū)段判定。

狀態(tài)監(jiān)測：可接收配網(wǎng)線路監(jiān)測裝置上報的數(shù)據(jù)，包括線路負荷電流、線路對地電場、線路溫度等線路運行信息和小電流自取電電壓、太陽能充電電壓、電池電壓、通信信號強度等設備維護信息等；可方便地查詢有關實時信息和歷史數(shù)據(jù)。

線路健康狀態(tài)評估和故障預測：通過對海量歷史故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，統(tǒng)計和整理嚴重故障（短路故障、永久接地故障）發(fā)生之前線路健康狀態(tài)規(guī)律，通過監(jiān)督學習模型逐步推導出故障預測模型。當新的錄波事件發(fā)生時，送入到預測模型中，就可以得到線路健康狀況的評估輸出，指明線路發(fā)生嚴重故障的概率和可能的時間。

實測結(jié)果分析

配電網(wǎng)架空線路監(jiān)測系統(tǒng)于2019 年7 月在西藏拉薩供電局進行了試點。安裝投運后，該系統(tǒng)運行正常，能實時監(jiān)測線路狀態(tài)，共檢測到線路故障406次，其中瞬時短路35次，永久短路48 次，瞬時接地256 次，本文對實測的部分典型案例波形分析如下。

接地故障判定案例

發(fā)生接地故障時，相當于在接地點施加一個零序電壓源，接地點前后的零序電流相反；在該選定頻帶內(nèi)，故障線路零序電流幅值大于任何一條健全線路，所有健全線路零序電流極性相同而與故障線路相反。故障線路零序電流幅值比非故障線路大，而且零序電流極性相反；故障線路故障點前后零序電流極性相反。裝置錄到的波形與理論相符。

圖6 非故障線路零序電流

圖7 故障線路故障點前零序電流

圖8 故障線路故障點后零序電流

短路故障判定案例

圖9 非故障線路電流錄波

線路出現(xiàn)短路故障時，非故障線路無短路電流；故障線路短路點之前存在短路電流，而短路點之后不存在短路電流。圖9顯示正常線路無短路電流，圖10為故障線路故障點之前有短路電流，圖11為故障點之后無短路電流，與理論相符。

圖10 故障線路故障點之前的電流錄波

圖11 故障線路故障點之后的電流錄波

線路工況監(jiān)測

系統(tǒng)能實時監(jiān)測線路的負荷電流、對地電場、溫度等工況信息，還能形成歷史工況的趨勢圖。

圖12 線路工況實時監(jiān)測圖

圖13 線路負荷歷史趨勢圖

結(jié)束語

高精度線路監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測配電網(wǎng)架空線路工況，利用大數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電網(wǎng)狀態(tài)分析，為電網(wǎng)故障預測和電網(wǎng)檢修提供數(shù)據(jù)支撐；能準確定位故障，大幅度降低人工巡線工作強度，降低巡線勞動強度達80%以上，解決了結(jié)構性缺員矛盾，節(jié)約運維成本，減少員工工作量。該系統(tǒng)已經(jīng)在拉薩供電局得到試點運行，運行性能穩(wěn)定，能較客觀地反映配電網(wǎng)架空線路的真實工況，為線路狀態(tài)檢修提供依據(jù)。