基于城市軌道供配電監測系統數據異常診斷分析

周大俊, 梁曉亮, 王 翼

[1.上海電器科學研究所(集團)有限公司, 上海 200063;2.上海寶鋼安大電能質量有限公司, 上海 201900]

0 引 言

目前,交通工具越來越便利,城市軌道運行負荷逐日增長,各企業對能源信息化越來越重視。傳統的數據統計方法依靠人工統計,整個流程效率低,不能滿足大范圍的數據采集分析需求[1-2]。為提高城市軌道低壓配電系統運行綜合質量,通過多維度數據(如電壓幅值、電流幅值、電壓總畸變率、總諧波電流含量、各次諧波電壓畸變率等數據)分析比較,可以及早發現設備電能質量等問題,便于早治理,對于綠色節能和電能成本控制起到了關鍵作用,因此采集數據的準確性和精準度非常重要。

1 監測系統搭建

為了便于提高城市軌道配電系統運行效用,本文為某城市建立了城市軌道配電系統中的電能質量監控系統。

1.1 本地化監控系統部署

監測單元由各種智能表計、工控機、以太網交換機組成,工控機和以太網交換機單獨組屏,采用開口式電流互感器。工控機與智能表計的接口采用現場總線方式,并預留其他智能單元通信接口,智能電表每2～6臺通過485總線方式按照柜子的屏位布置方式串成一串,接入到工控機。監測單元需配合數據中心進行電能采集系統聯調。

網絡交換機經由網絡線與系統環網連接,與通信機房的服務器連接。根據能耗數據中心的要求,各站進線表需要采集諧波數據,因此安裝含諧波采集功能的多功能表計,并將數據存儲上傳。監控系統結構如圖1所示。

1.2 實施方案

該項目4個區域中,地鐵站、維修基地涉及到400 V低壓柜表計安裝,變電站為20 kV高壓開關柜表計安裝,維修基地變電站則在20 kV和400 V側都需要安裝表計。維修基地變電站監測的12條回路如表1所示。采集主要參數包括有功電能、無功電能、有功功率、無功功率、三相電流基波有效值、三相電壓基波有效值、功率因數、系統頻率。

圖1 監控系統結構

2 數據解析

線上監控平臺采集數據間隔為1 s,傳輸間隔為5 min。線下驗證階段采集數據間隔為單周波256個點,分析數據間隔為單周波分析。

2.1 數據異常現象

監測時間6個月,在維修基地變電站20 kV回路處發現數據異常(見表1中序號9、序號10)。監測點1:110 kV進線關口側;監測點2:20 kV進線開關柜與監控;監測3:20 kV計量柜。故障點回路>圖如圖2所示,其中20 kVⅡ回路監控與Ⅰ段一致。

表1 維修基地變電站監測的12條回路

圖2 故障點回路圖

系統采集到的監測點數據如表2所示。正常情況下,測試點2和測試點3數據應該接近或基本一致,但是近6個月使用情況統計,監測點3與其他監測點電量數值差異較大。

表2 系統采集到的監測點數據

對比監測點1、監測點2和監測點3的現場測試值。監測點1的累計電量為170 788.8 kWh,監測點2的累計電量為167 875.2 kWh,監測點3的累計電量為180 451.1 kWh。相對于監測點2,監測點1的累計電量高1.7%左右,監測點3的累計電量高7%左右。其他時間用電量也是相同情況。

基波視在功率、基波有功功率各監測點數值如表3所示。基波無功功率、總視在功率各監測點數值如表4所示。

由表3、表4可知,監測點1、監測點2、監測點3的視在功率基本一致,而導致有功功率偏差的主要原因為功率因數角的差異較大。

表3 基波視在功率、基波有功功率各監測點數值

表4 基波無功功率、總視在功率各監測點數值

2.2 數學模型建立

(1)

其中X、Y分別為x、y的測量值等級。

參照表3,X為功率因數,Y為電量;X1=0.98,X2=0.98,X3=0.70,X4=0.93,Y1=44 594.4,Y2=42 391.2,Y3=47 193.6,Y4=4 6 272。斯皮爾曼等級相關系數為

(2)

其中di=xi-yi,i=1,2,…,N(N為次數),取N=4;R取值范圍在(-1,1)之間;R絕對值愈大,變量間等級相關程度愈大[3]。當R=-1時,說明功率因數與電量偏差相關程度很大。

計算出其他變量R,其絕對值均在-1和1,說明也與電量偏差相關程度很大。相關性分析如圖3所示。

圖3 相關性分析

由此可見,有功功率計算主要取決于電壓幅值、電流幅值、電壓相位角以及電流相位角。

大數據分析流程圖如圖4所示。

電能質量設備檢測發現監測點1、監測點2與監測點3數據差異較大,先建立數學模型,得出有功功率影響的參數有電壓、電流的幅值和相位角。對這些數據進行對比,分析主要原因,隨后進行線下驗證,找出影響問題的原因所在,最后對此提出建議整改方案。

圖4 大數據分析流程圖

2.3 數據分析

比較20 kVⅠ段開關柜(監測點2)與20 kVⅠ段計量柜(監測點3)波形數據,查找異常數據。

20 kVⅠ段計量柜和開關柜電壓信號如圖5所示。由圖5可知,計量柜和開關柜電壓的幅值和相位角基本相同,說明有功功率數據異常與這兩項參數無關。

圖5 20 kVⅠ段計量柜和開關柜電壓波形

20 kVⅠ段計量柜和開關柜電流波形如圖6所示。

圖6 20 kVⅠ段計量柜和開關柜電流波形

由圖6可見,計量柜和開關柜的電流幅值基本相同,相位角偏差明顯,因此造成偏差的原因出現在電流相角上。

2.4 深入分析

進一步查看各監測點的功率因數變化趨勢。隨機調取一段5.5 h的變化趨勢圖進行分析。監測點1～監測點3基波功率因數變化趨勢如圖7～圖9所示。

圖7 監測點1基波功率因數變化趨勢

圖8 監測點2基波功率因數變化趨勢

由圖7～圖9可知,20 kVⅠ段進線計量柜(監測點3)與20 kVⅠ段開關柜(監測點2)功率因數角在任一時間段始終存在7°～10°的差異。在監測數據中,其他數據段基波功率因數變化趨勢相同。

圖9 監測點3基波功率因數變化趨勢

2.5 線下驗證

20 kV開關柜連接的單芯電纜在流入電流互感器前已將金屬屏蔽層接地,即流入20 kV進線電流互感器僅為銅芯電纜電流,而流入監測點3的電流為銅芯電纜電流與金屬屏蔽層電流的矢量和,導致監測點3有功測量數據的偏差。對比了多段時間的有屏蔽層電纜與無屏蔽層電纜的電流和功率因數數據,電流相位差趨勢如圖10所示。

圖10 電流相位差趨勢

當單芯電纜流過電流時,金屬屏蔽層切割磁力線產生相應的感應電流,感應電流的大小與電纜的長度和流過導體的電流成正比[4],感應電流經由變壓器20 kV出口側與柜內兩點直接接地形成環流。

由于兩組電流互感器安裝位置的差異,流過20 kV開關柜電流互感器的電流為銅芯電纜電流I1,而流過20 kV計量柜電流互感器的電流為電纜銅芯電纜與金屬屏蔽層感應電流的矢量和,導致有屏蔽層處與無屏蔽層處測得兩者電流相位始終有8.5°～10.5°的偏差。電流互感器安裝位置示意圖如圖11所示。

圖11 電流互感器安裝位置示意圖

根據6個月測得的功率因數數據發現,當測試功率因數角滯后實際功率因數角7°時,其有功計量偏差的大小與實際功率因數角有很大的關系。功率因數變化趨勢如圖12所示。由圖12可見,當功率因數角越大(功率因數越低)時,固定偏差對有功數值精準度的影響越大。

圖12 功率因數變化趨勢

2.6 改進措施

可將單芯電纜金屬護套的接地方式更換為單點接地,且不接地的一端裝設護套過電壓保護器。該接地方式優點是護套環流幾乎為0。接地點與不接地點之間的距離不能太長,須按護套感應電壓的允許值設置接地點。這從根本上消除流過金屬屏蔽層的感應電流。

3 結 語

通過此次改進后,消除了20 kVⅠ段進線計量柜與20 kVⅠ段開關柜功率因數角差異,110 kV進線、20 kV進線開關柜與20 kV計量柜有功數值接近,與電力公司電費單所統計的有功數據基本一致,提高了軌道監測系統測量數值的精準度,使系統運行更穩定。城市軌道要樹立節能環保規劃發展意識,需要在監測大數據系統基礎上進行分析,通過應用有效的監測設備,提高數據精準度,才能在后續使用中針對有效數據分析,發現問題并加以解決,確保城市軌道低壓配電系統安全、穩定。