高精度線路監測系統的研制與應用

國網西藏拉薩供電公司 周勇軍

西藏地處高海拔高寒地區，地理條件復雜、交通條件差。當地配網線路密集、間距小、系統結構復雜，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；發生配網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量，降低線路故障跳閘造成的損失，減輕現場運維人員的工作強度，有必要依據現有技術開發一套能實時監測線路狀態的系統，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。

針對當地配電網特點，開發出一套適用于西藏地區高寒、高海拔環境的配電網架空線路監測系統。該系統能實現包括小電流接地故障在內的故障區段定位，且能實時監測線路負荷電流、線路電場、電流諧波含量和環境溫度等線路工況信息。

系統構成

配電網架空線路監測系統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）和大數據智能分析平臺（簡稱平臺）組成，如圖1所示。

圖1 配電網架空線路監測系統主要構成

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

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

硬件設計

配電網架空線路監測系統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、無磁飽和等突出優點。

通過對羅氏線圈電流互感器數字化三維建模、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構復雜、容易生銹等問題，并與精心設計的信號調理電路配合，有效克服了開口式羅氏線圈互感器對環境溫度、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。該傳感器結構簡單、成本低，但這種測量方法需要通過并聯電容增加靈敏度，增加的電容會對測量結果的線性度產生影響。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，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。

通過電場傳感器數字化三維建模、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電流從線路上取能；（2）由地面低壓系統取能并轉換為激光，通過光纖輸送至高壓平臺，然后再將光能轉化為電能；（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，可依據仿真效果確定最優諧振電容，并能夠直觀知悉各器件參數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

電力系統的通信方式有電力線載波、無線廣播、光纖、通信電纜和數字微波等，由于10千伏配電網路徑長、結構分散，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制解調設備，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

針對西藏地區配電網中壓架空線路的故障定位和狀態監測需求，平臺軟件系統主要包括以下幾個功能模塊。

故障檢測：根據傳感器上傳的實時故障信息，判斷故障發生饋線和故障區段；對于短路故障，采用傳感器現場上傳的SOE 進行故障區段判定；對于接地故障，通過暫態零序電流進行故障區段判定。

狀態監測：可接收配網線路監測裝置上報的數據，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據。

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

實測結果分析

配電網架空線路監測系統于2019 年7 月在西藏拉薩供電局進行了試點。安裝投運后，該系統運行正常，能實時監測線路狀態，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，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

線路工況監測

系統能實時監測線路的負荷電流、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 線路工況實時監測圖

圖13 線路負荷歷史趨勢圖

結束語

高精度線路監測系統可以實時監測配電網架空線路工況，利用大數據實現對電網狀態分析，為電網故障預測和電網檢修提供數據支撐；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，解決了結構性缺員矛盾，節約運維成本，減少員工工作量。該系統已經在拉薩供電局得到試點運行，運行性能穩定，能較客觀地反映配電網架空線路的真實工況，為線路狀態檢修提供依據。