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?xiàng)l件復(fù)雜、交通條件差。當(dāng)?shù)嘏渚W(wǎng)線路密集、間距小、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開展配電線路日常巡視工作，存在人工巡視難度大、實(shí)時(shí)性不強(qiáng)等問題；進(jìn)行配電線路日常維護(hù)時(shí)，配電線路實(shí)時(shí)工況信息匱乏，日常巡視缺乏針對(duì)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(diǎn)，導(dǎo)致健全線路也不得不短時(shí)停電，并耗費(fèi)大量人力物力，并且延長(zhǎng)了故障修復(fù)時(shí)間。為有效提高供電服務(wù)質(zhì)量，降低線路故障跳閘造成的損失，減輕現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員的工作強(qiáng)度，有必要依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)開發(fā)一套能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線路狀態(tài)的系統(tǒng)，切實(shí)解決日常巡視、維護(hù)以及線路故障處理效率不高的問題。

針對(duì)當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)特點(diǎn)，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(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線路負(fù)荷電流、線路電場(chǎng)、電流諧波含量和環(huán)境溫度等線路工況信息。

系統(tǒng)構(gòu)成

配電網(wǎng)架空線路監(jiān)測(cè)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(tái)（簡(jiǎn)稱平臺(tái)）組成，如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)架空線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要構(gòu)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(yīng)自取電技術(shù)供電，安裝在中壓架空線路上，實(shí)時(shí)采集線路的電流、電壓（電場(chǎng)）信號(hào)；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(tái)，能收集所有高精度線路傳感器上傳的數(shù)據(jù)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行高級(jí)分析，完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、故障定位、故障類型識(shí)別、故障預(yù)測(cè)等高級(jí)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(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；由于配電線路分散，匯集單元和平臺(tái)之間采用4G進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸。

硬件設(shè)計(jì)

配電網(wǎng)架空線路監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)采集線路的電流、電壓（電場(chǎng)）信號(hào)，并將信號(hào)上傳至平臺(tái)。根據(jù)功能不同，主要可以分為電流測(cè)量、電場(chǎng)測(cè)量、取能及通信四部分。

電流測(cè)量

傳感器的電流測(cè)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(diǎn)。

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

圖2 雙線并繞羅氏線圈電流互感器設(shè)計(jì)圖

開口式羅氏線圈電流互感器（測(cè)量線圈部分）避免了開口式電磁互感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、容易生銹等問題，并與精心設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路配合，有效克服了開口式羅氏線圈互感器對(duì)環(huán)境溫度、待測(cè)導(dǎo)體傾斜和偏心程度、臨近線路干擾敏感等缺陷。

電場(chǎng)測(cè)量

傳感器的電場(chǎng)測(cè)量裝置，一般采用電壓型電場(chǎng)傳感器。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但這種測(cè)量方法需要通過并聯(lián)電容增加靈敏度，增加的電容會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的線性度產(chǎn)生影響。為了能更加準(zhǔn)確地測(cè)量線路電場(chǎng)，本文采用了一種新的測(cè)量方法，電場(chǎng)測(cè)量原理見圖3。

圖3 電場(chǎng)測(cè)量原理

測(cè)量電容和對(duì)地電容串聯(lián)，測(cè)量電容和線路對(duì)地電容形成一個(gè)分壓電路，測(cè)量電容的電壓為：

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

對(duì)平行板電容器，有：

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

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

圖4 電場(chǎng)傳感器的三維空間電磁場(chǎng)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(tái)，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(dá)到免維護(hù)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(jí)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(gòu)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(duì)儲(chǔ)能電容充電時(shí)間的影響，在滿足正常工作的前提下盡可能減少超級(jí)電容充電時(shí)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(zhǎng)、結(jié)構(gòu)分散，設(shè)立專用的電纜或光纖通信通道，成本高且不易維護(hù)，因此以無線和電力線載波較為適宜。

電力線載波需要單獨(dú)的調(diào)制解調(diào)設(shè)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(tái)擬采用4G進(jìn)行通信。

平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)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(cè)需求，平臺(tái)軟件系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)功能模塊。

故障檢測(cè)：根據(jù)傳感器上傳的實(shí)時(shí)故障信息，判斷故障發(fā)生饋線和故障區(qū)段；對(duì)于短路故障，采用傳感器現(xiàn)場(chǎng)上傳的SOE 進(jìn)行故障區(qū)段判定；對(duì)于接地故障，通過暫態(tài)零序電流進(jìn)行故障區(qū)段判定。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)：可接收配網(wǎng)線路監(jiān)測(cè)裝置上報(bào)的數(shù)據(jù)，包括線路負(fù)荷電流、線路對(duì)地電場(chǎng)、線路溫度等線路運(yùn)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(hào)強(qiáng)度等設(shè)備維護(hù)信息等；可方便地查詢有關(guān)實(shí)時(shí)信息和歷史數(shù)據(jù)。

線路健康狀態(tài)評(píng)估和故障預(yù)測(cè)：通過對(duì)海量歷史故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)和整理嚴(yán)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(xué)習(xí)模型逐步推導(dǎo)出故障預(yù)測(cè)模型。當(dāng)新的錄波事件發(fā)生時(shí)，送入到預(yù)測(cè)模型中，就可以得到線路健康狀況的評(píng)估輸出，指明線路發(fā)生嚴(yán)重故障的概率和可能的時(shí)間。

實(shí)測(cè)結(jié)果分析

配電網(wǎng)架空線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2019 年7 月在西藏拉薩供電局進(jìn)行了試點(diǎn)。安裝投運(yùn)后，該系統(tǒng)運(yùn)行正常，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線路狀態(tài)，共檢測(cè)到線路故障406次，其中瞬時(shí)短路35次，永久短路48 次，瞬時(shí)接地256 次，本文對(duì)實(shí)測(cè)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(shí)，相當(dāng)于在接地點(diǎn)施加一個(gè)零序電壓源，接地點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)前零序電流

圖8 故障線路故障點(diǎn)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(shí)，非故障線路無短路電流；故障線路短路點(diǎn)之前存在短路電流，而短路點(diǎn)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(diǎn)之前有短路電流，圖11為故障點(diǎn)之后無短路電流，與理論相符。

圖10 故障線路故障點(diǎn)之前的電流錄波

圖11 故障線路故障點(diǎn)之后的電流錄波

線路工況監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線路的負(fù)荷電流、對(duì)地電場(chǎng)、溫度等工況信息，還能形成歷史工況的趨勢(shì)圖。

圖12 線路工況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖

圖13 線路負(fù)荷歷史趨勢(shì)圖

結(jié)束語

高精度線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電網(wǎng)架空線路工況，利用大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)狀態(tài)分析，為電網(wǎng)故障預(yù)測(cè)和電網(wǎng)檢修提供數(shù)據(jù)支撐；能準(zhǔn)確定位故障，大幅度降低人工巡線工作強(qiáng)度，降低巡線勞動(dòng)強(qiáng)度達(dá)80%以上，解決了結(jié)構(gòu)性缺員矛盾，節(jié)約運(yùn)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(diǎn)運(yùn)行，運(yùn)行性能穩(wěn)定，能較客觀地反映配電網(wǎng)架空線路的真實(shí)工況，為線路狀態(tài)檢修提供依據(jù)。