高精度线路监测系统的研制与应用

国网西藏拉萨供电公司 周勇军

西藏地处高海拔高寒地区，地理条件复杂、交通条件差。当地配网线路密集、间距小、系统结构复杂，开展配电线路日常巡视工作，存在人工巡视难度大、实时性不强等问题；进行配电线路日常维护时，配电线路实时工况信息匮乏，日常巡视缺乏针对性；发生配网线路故障后缺乏定位手段，往往使用原始的人工拉路方法确定故障线路，使用人工巡线方法确定故障点，导致健全线路也不得不短时停电，并耗费大量人力物力，并且延长了故障修复时间。为有效提高供电服务质量，降低线路故障跳闸造成的损失，减轻现场运维人员的工作强度，有必要依据现有技术开发一套能实时监测线路状态的系统，切实解决日常巡视、维护以及线路故障处理效率不高的问题。

针对当地配电网特点，开发出一套适用于西藏地区高寒、高海拔环境的配电网架空线路监测系统。该系统能实现包括小电流接地故障在内的故障区段定位，且能实时监测线路负荷电流、线路电场、电流谐波含量和环境温度等线路工况信息。

系统构成

配电网架空线路监测系统主要由高精度线路传感器（包含采集单元和汇集单元两部分）和大数据智能分析平台（简称平台）组成，如图1所示。

图1 配电网架空线路监测系统主要构成

（1）高精度线路传感器，由采集单元和汇集单元组成。采集单元采用感应自取电技术供电，安装在中压架空线路上，实时采集线路的电流、电压（电场）信号；汇集单元采用太阳能供电，安装在杆塔上。

（2）大数据智能分析平台，能收集所有高精度线路传感器上传的数据，采用机器学习算法进行高级分析，完成数据统计、故障定位、故障类型识别、故障预测等高级功能。

（3）数据传输部分，采集单元和汇集单元采用短距无线传输技术进行数据传输；由于配电线路分散，汇集单元和平台之间采用4G进行通信和数据传输。

硬件设计

配电网架空线路监测系统的高精度线路传感器由采集单元和汇集单元两部分组成，主要功能是实时采集线路的电流、电压（电场）信号，并将信号上传至平台。根据功能不同，主要可以分为电流测量、电场测量、取能及通信四部分。

电流测量

传感器的电流测量装置，采用电子式电流互感器，可有效克服电磁式电流互感器的不足，其中基于高性能PCB（Printed-Circuit Board）空心线圈（或称为Rogowski coils，罗氏线圈）电流传感器的有源式电子式互感器，具有低成本、高精度、高线性度、高带宽、无磁饱和等突出优点。

通过对罗氏线圈电流互感器数字化三维建模、空间电磁场仿真和配套电路进行模拟试验，采用了独特的基于PCB的双线并绕设计，如图2所示。

图2 双线并绕罗氏线圈电流互感器设计图

开口式罗氏线圈电流互感器（测量线圈部分）避免了开口式电磁互感器结构复杂、容易生锈等问题，并与精心设计的信号调理电路配合，有效克服了开口式罗氏线圈互感器对环境温度、待测导体倾斜和偏心程度、临近线路干扰敏感等缺陷。

电场测量

传感器的电场测量装置，一般采用电压型电场传感器。该传感器结构简单、成本低，但这种测量方法需要通过并联电容增加灵敏度，增加的电容会对测量结果的线性度产生影响。为了能更加准确地测量线路电场，本文采用了一种新的测量方法，电场测量原理见图3。

图3 电场测量原理

测量电容和对地电容串联，测量电容和线路对地电容形成一个分压电路，测量电容的电压为：

其中公式（1）中，C0为测量电容，Cg为线路对地电容，UX为线路对地电压，Ue为测量电容两侧电压。

对平行板电容器，有：

由公式（2）可知，电容器的测量电场和测量电压成正比；式中k为选定电容器的系数。

通过电场传感器数字化三维建模、空间电磁场仿真（见图4）和配套电路，设计的电场传感器具有测量灵敏度高、抗干扰能力强、抗雨淋等突出优点，电压测量线性度可达1%，带宽0～4千赫，可靠性高，电磁兼容性好。

图4 电场传感器的三维空间电磁场仿真

取能

目前有源型电子电流互感器的供能方式主要有3种：（1）通过电磁耦合利用一次侧电流从线路上取能；（2）由地面低压系统取能并转换为激光，通过光纤输送至高压平台，然后再将光能转化为电能；（3）采用可充电蓄电池供能。

为了使采集单元达到免维护的效果，本文涉及的采集单元主供电拟采用电磁耦合取能，并采用超级电容作为其备用电源，其等效电路如图5所示。

图5 取能系统等效电路

通过电路仿真软件构建图4 所示仿真电路，可依据仿真效果确定最优谐振电容，并能够直观知悉各器件参数对储能电容充电时间的影响，在满足正常工作的前提下尽可能减少超级电容充电时间。

西藏地区太阳能资源丰富，因此汇集单元拟采用太阳能板作为主电源、可充电电池作为其备用电源。

通信

电力系统的通信方式有电力线载波、无线广播、光纤、通信电缆和数字微波等，由于10千伏配电网路径长、结构分散，设立专用的电缆或光纤通信通道，成本高且不易维护，因此以无线和电力线载波较为适宜。

电力线载波需要单独的调制解调设备，成本较高，本文拟采用无线通信。传感器的采集单元和汇集单元之间的通信拟采用短距无线通信，汇集单元和平台拟采用4G进行通信。

平台软件设计

针对西藏地区配电网中压架空线路的故障定位和状态监测需求，平台软件系统主要包括以下几个功能模块。

故障检测：根据传感器上传的实时故障信息，判断故障发生馈线和故障区段；对于短路故障，采用传感器现场上传的SOE 进行故障区段判定；对于接地故障，通过暂态零序电流进行故障区段判定。

状态监测：可接收配网线路监测装置上报的数据，包括线路负荷电流、线路对地电场、线路温度等线路运行信息和小电流自取电电压、太阳能充电电压、电池电压、通信信号强度等设备维护信息等；可方便地查询有关实时信息和历史数据。

线路健康状态评估和故障预测：通过对海量历史故障数据的统计分析，统计和整理严重故障（短路故障、永久接地故障）发生之前线路健康状态规律，通过监督学习模型逐步推导出故障预测模型。当新的录波事件发生时，送入到预测模型中，就可以得到线路健康状况的评估输出，指明线路发生严重故障的概率和可能的时间。

实测结果分析

配电网架空线路监测系统于2019 年7 月在西藏拉萨供电局进行了试点。安装投运后，该系统运行正常，能实时监测线路状态，共检测到线路故障406次，其中瞬时短路35次，永久短路48 次，瞬时接地256 次，本文对实测的部分典型案例波形分析如下。

接地故障判定案例

发生接地故障时，相当于在接地点施加一个零序电压源，接地点前后的零序电流相反；在该选定频带内，故障线路零序电流幅值大于任何一条健全线路，所有健全线路零序电流极性相同而与故障线路相反。故障线路零序电流幅值比非故障线路大，而且零序电流极性相反；故障线路故障点前后零序电流极性相反。装置录到的波形与理论相符。

图6 非故障线路零序电流

图7 故障线路故障点前零序电流

图8 故障线路故障点后零序电流

短路故障判定案例

图9 非故障线路电流录波

线路出现短路故障时，非故障线路无短路电流；故障线路短路点之前存在短路电流，而短路点之后不存在短路电流。图9显示正常线路无短路电流，图10为故障线路故障点之前有短路电流，图11为故障点之后无短路电流，与理论相符。

图10 故障线路故障点之前的电流录波

图11 故障线路故障点之后的电流录波

线路工况监测

系统能实时监测线路的负荷电流、对地电场、温度等工况信息，还能形成历史工况的趋势图。

图12 线路工况实时监测图

图13 线路负荷历史趋势图

结束语

高精度线路监测系统可以实时监测配电网架空线路工况，利用大数据实现对电网状态分析，为电网故障预测和电网检修提供数据支撑；能准确定位故障，大幅度降低人工巡线工作强度，降低巡线劳动强度达80%以上，解决了结构性缺员矛盾，节约运维成本，减少员工工作量。该系统已经在拉萨供电局得到试点运行，运行性能稳定，能较客观地反映配电网架空线路的真实工况，为线路状态检修提供依据。