一種基于物聯感知的線路參數測試系統

徐勇 管俊 楊子雷

摘要：針對傳統輸電線路參數測量方法測量精度低、風險性高等問題，本研究基于物聯感知的線路參數測試系統。首先，研究分析了儀表法、數字法等傳統輸電線路參數測量方法的優勢與不足;然后，提出構建基于異頻測量與物聯感知的線路參數測試系統，并重點就異頻測量的物聯感知框架、標識化安全驗證和一鍵化驗證實現等進行分析;最后，通過搭建系統與實際測量進行對比。結果表明，本研究提出的基于物聯感知的線路參數測試系統可高效、準確測量正序阻抗、零序阻抗、正序電容、零序電容各參數，與實際測量結果相差較小，具有操作簡單、風險性低等特點。

關鍵詞：物聯感知;輸電線路;參數測量;異頻測量法

中圖分類號：TP274;TM75 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）02-0154-05

隨著電力普及，電力系統變得更加龐大和復雜。輸電線路作為電力系統的重要組成部分，精確的線路參數可保證電力系統安全、穩定運行。然而由于輸電線路包括正序阻抗、零序阻抗、直流電阻、正序電容、零序電容等參數眾多，且其測量過程和計算過程相對復雜，因此很難準確進行測量。輸電線路參數的不準確會影響電力系統短路電流計算結果，進而引起繼電保護誤動作，甚至引起整個電力系統破裂，最終導致電力系統不能可靠、安全運行。因此，準確測量輸電線路參數，保證線路參數測量結果的準確性十分必要。目前，輸電線路參數測量方法主要包括兩類方法，①分別是通過計算公式得到，如劉安迪、李妍、謝偉等（2020）基于多源數據多時間斷面，通過異頻測量法對配電網線路參數進行測量;②通過現場實際測量得到，如吳梓亮、李一泉、陳橋平等（2020）采用數字法，基于正序阻抗完成了輸電線路接地距離保護參數的測量與整定方嘲。雖然上述方法可測量得到輸電線路參數，但總體來說，其測量精度較低、操作難度較大、風險性高。基于此，本研究結合物聯感知與異頻測量方法，提出基于物聯感知的線路參數測試系統，用于測量輸電線路參數。

1傳統輸電線路參數的測量方法

1.1儀表法

儀表法是最早輸電線路參數測量的方法之一，通過在被測輸電線路上施加電源，采用電流表、頻率表等儀表，人工讀取儀表刻度值，然后經過計算即可獲得輸電線路各參數值。實際輸電線路參數測量中，由于該方法接線復雜，人工讀數存在一定誤差和時延，且后期計算量較大，因此存在較大的誤差。此外，由于工頻電壓對輸電線路互感阻抗和零序線路參數的測量結果影響較大，故儀表法不適用于現代輸電線路參數測量。

1.2數字法

數字法是在儀表法基礎之上發展而來的一種輸電線路測量方法，避免了人工讀數和計算的輸電線路參數，進而提高了測量的準確率。測量過程中，數字法通過單片機集成電路，獲取各儀表刻度值并進行計算，進而獲取輸電線路各參數。因此，相較于儀表法，數字法具有更高的測量精度。但由于數字法的電源同樣為高壓工頻電源，因此其互感阻抗和零序線路參數的測量精度仍達不到理想效果。

1.3在線測量法

在線測量法是近年來學者重點研究的一種輸電線路參數測量方法，通過測量輸電線路兩端電壓和電流相量，利用傳輸線方程直接求解輸電線路特性阻抗和傳播常數，最后通過上位機計算獲得輸電線路參數。在線測量法雖盡量避免了因儀表、人工運算等帶來的測量誤差，最大可能提高了測量精度，但受技術限制，該方法暫不適用于全方位的實際輸電線路參數測量。因此，目前的輸電線路參數測量方法還應以實地測量為主。

2異頻測量基本原理

異頻測量是一種實地測量輸電線路參數方法。測量過程中，測量人員通過測試儀對輸電線路首端施加電源，并將輸電線路末端懸空或接地，然后利用測試儀采集測試過程中電氣量，通過計算即可得出相應的輸電線路工頻參數。

采用異頻測量方法測量正序電容、零序電容時，線路末端三相開路，如圖3、4所示。正序電容計算方法如式（11），零序電容計算方法如式（12）、（13）。

異頻測量法測試輸電線路參數過程中，由于輸電線路末端需根據不同實驗項目進行懸空或接地操作，增加了測試人員觸電風險，加之整個測量線路跨度較長，操作難度大，故不適用于大范圍的輸電線路參數測量。為降低輸電線路參數測量風險性和操作難度，本研究提出一種基于物聯感知的異頻輸電線路參數測量。

3物聯感知的異頻測量

3.1物聯感知異頻測量系統框架

基于物聯感知的輸電線路測試儀包括兩個部分，線路首端測試儀部分和線路末端接地裝置部分，如圖5所示。由于本研究測試儀是基于阿里云進行開發，故系統通過阿里云上進行動作指令和采樣數據及開關狀態的上傳。

基于物聯感知異頻測量系統中，云支持用戶可通過覆蓋的4G網絡，在任意地理位置利用終端獲取相關服務，解決了輸電線路首末兩端信息交互困難的問題。此外，通過4G網絡，還可實現測試儀和接地裝置與阿里云的直接交互。系統中，線路參數測量的應用程序均部署于阿里云，授權用戶通過電腦客戶端或手機APP訪問應用程序，即可實現測量輸電線路參數。應用程序運行方式首先是根據當前輸電線路參數測試項，下發相關指令到接地裝置，接地裝置在接收到指令后，執行指令;然后應用程序通過感知末端接地狀態，利用測試儀根據測試項施加激勵，進行測量;最后，通過測試儀測量得到的所需電氣量進行運算，獲得輸電線路參數。

考慮到輸電線路中均為千伏數量級的感應電壓，故為降低末端線路采用人工方式進行接地或懸空操作的風險性，本研究利用切換開關替代人工進行接地裝置的懸空或接地操作嘲。

3.2標識化驗證

標識化檢驗是為保障整個輸電線路參數測量過程安全性，通過對測試儀以及阿里云上應用程序進行驗證的一種方法。基于物聯感知的輸電線路參數測量標識化驗證首先是建立測試儀接地裝置通信，如圖6所示;然后通過應用程序下發命令詢問測試儀接地裝置標識，如圖7所示;最后在進行輸電線路參數測量時，對比測試儀接地裝置接收到的信息與阿里云平臺的通信幀中含有對應標識，如圖8所示。若應用程序標識和測試儀就地裝置標識與本地存儲一致，則響應該信息，反之則不響應該信息。

3.3一鍵化測試

基于物聯感知的輸電線路參數測量中，由于進行正序阻抗和零序阻抗等參數測量時，測量項目及其測量步驟相對固定，因此為簡化測量項目，研究將每個測量項目組成一個順序模塊，實現自動化的一鍵操作，具體流程如圖9所示。同時為方便管理，研究將測試項目順序模塊存儲于阿里云平臺，在完成一次配置驗證后，可在不同工程現場重復使用。測量過程中，每個步驟都需要經過反復驗證與反饋，且必須保證通信中由返回報文，狀態和模擬量等與預期相同才可進行下一步操作，否則中止測試。若測試中止，測試儀、就地裝置、阿里云端應用程序三端報警，且測試儀停止輸出。

4測試結果及驗證

4.1系統功能性驗證

為檢驗基于物聯感知的輸電線路參數測試系統功能，研究通過檢驗人體靠近測量系統是否會引起系統報警進行了驗證。如圖10、11所示，當人體靠近該測量系統，系統會提示報警，感應電壓測量及末端接地狀態同樣會進行提示。由此說明，本研究提出的基于物聯感知的輸電線路參數測試系統風險性低、安全系數高。

4.2系統實際應用驗證

為檢驗基于物聯感知的異頻測量法在實際中的應用，本研究通過Ds-2008型線路工頻參數異頻測試系統，對實際6條220kv輸電線路參數進行測量。6條測試輸電線路概況及實驗條件如表2所示。

1）輸電線路正序阻抗測量項目。測量方法：將輸電線路末端三相短路，對線路首端施加變頻電源，采用40Hz和60Hz的輸出頻率點，然后加壓兩次，分別采集40Hz和60Hz的實驗數據，即可得到輸電線路的正序阻抗、正序電抗、正序電阻等參數值，如表3所示。

2）輸電線路零序阻抗測量項目。測量方法：將輸電線路末端三相短路接地，對三相短路的線路首端施加單相電壓，采用40Hz和60Hz輸出頻率點的變頻電源，然后加壓兩次，分別采集40Hz和60Hz的實驗數據，即可得到輸電線路的零序阻抗、零序電抗、零序電阻等參數值，如表4所示。

4.3系統測量結果對比

為驗證上述測量方案，本研究采用基于物聯感知的測試儀，利用13.312負載箱，3個0.414uF電容搭建模擬電纜，進行了正序阻抗、直流電阻和正序電容測量。測量結果與實際結果對比如表6所示。由表可知，基于物聯感知的輸電線路參數測試系統可準確測量直流電阻，其測量結果與實際值誤差僅為0.004%;正序阻抗和正序電容測量值與實際值誤差小于O.8%，在預計誤差范圍內。由此說明，基于物聯感知的輸電線路參數測試系統可有效、準確測量輸電線路各參數。

5結語

通過上述測試結果可知，本研究提出的基于物聯感知的輸電線路參數測試系統可高效、準確測量線路參數，滿足線路參數測量精度要求，在整個測量過程中，該系統測量所需時間較短，極大提高了工作效率。此外，該系統可自動檢測到人體靠近，減少了檢測人員進行線路參數測量時的觸電風險，提高了作業的安全性。