基于城市轨道供配电监测系统数据异常诊断分析

周大俊, 梁晓亮, 王 翼

[1.上海电器科学研究所(集团)有限公司, 上海 200063;2.上海宝钢安大电能质量有限公司, 上海 201900]

0 引 言

目前,交通工具越来越便利,城市轨道运行负荷逐日增长,各企业对能源信息化越来越重视。传统的数据统计方法依靠人工统计,整个流程效率低,不能满足大范围的数据采集分析需求[1-2]。为提高城市轨道低压配电系统运行综合质量,通过多维度数据(如电压幅值、电流幅值、电压总畸变率、总谐波电流含量、各次谐波电压畸变率等数据)分析比较,可以及早发现设备电能质量等问题,便于早治理,对于绿色节能和电能成本控制起到了关键作用,因此采集数据的准确性和精准度非常重要。

1 监测系统搭建

为了便于提高城市轨道配电系统运行效用,本文为某城市建立了城市轨道配电系统中的电能质量监控系统。

1.1 本地化监控系统部署

监测单元由各种智能表计、工控机、以太网交换机组成,工控机和以太网交换机单独组屏,采用开口式电流互感器。工控机与智能表计的接口采用现场总线方式,并预留其他智能单元通信接口,智能电表每2～6台通过485总线方式按照柜子的屏位布置方式串成一串,接入到工控机。监测单元需配合数据中心进行电能采集系统联调。

网络交换机经由网络线与系统环网连接,与通信机房的服务器连接。根据能耗数据中心的要求,各站进线表需要采集谐波数据,因此安装含谐波采集功能的多功能表计,并将数据存储上传。监控系统结构如图1所示。

1.2 实施方案

该项目4个区域中,地铁站、维修基地涉及到400 V低压柜表计安装,变电站为20 kV高压开关柜表计安装,维修基地变电站则在20 kV和400 V侧都需要安装表计。维修基地变电站监测的12条回路如表1所示。采集主要参数包括有功电能、无功电能、有功功率、无功功率、三相电流基波有效值、三相电压基波有效值、功率因数、系统频率。

图1 监控系统结构

2 数据解析

线上监控平台采集数据间隔为1 s,传输间隔为5 min。线下验证阶段采集数据间隔为单周波256个点,分析数据间隔为单周波分析。

2.1 数据异常现象

监测时间6个月,在维修基地变电站20 kV回路处发现数据异常(见表1中序号9、序号10)。监测点1:110 kV进线关口侧;监测点2:20 kV进线开关柜与监控;监测3:20 kV计量柜。故障点回路>图如图2所示,其中20 kVⅡ回路监控与Ⅰ段一致。

表1 维修基地变电站监测的12条回路

图2 故障点回路图

系统采集到的监测点数据如表2所示。正常情况下,测试点2和测试点3数据应该接近或基本一致,但是近6个月使用情况统计,监测点3与其他监测点电量数值差异较大。

表2 系统采集到的监测点数据

对比监测点1、监测点2和监测点3的现场测试值。监测点1的累计电量为170 788.8 kWh,监测点2的累计电量为167 875.2 kWh,监测点3的累计电量为180 451.1 kWh。相对于监测点2,监测点1的累计电量高1.7%左右,监测点3的累计电量高7%左右。其他时间用电量也是相同情况。

基波视在功率、基波有功功率各监测点数值如表3所示。基波无功功率、总视在功率各监测点数值如表4所示。

由表3、表4可知,监测点1、监测点2、监测点3的视在功率基本一致,而导致有功功率偏差的主要原因为功率因数角的差异较大。

表3 基波视在功率、基波有功功率各监测点数值

表4 基波无功功率、总视在功率各监测点数值

2.2 数学模型建立

(1)

其中X、Y分别为x、y的测量值等级。

参照表3,X为功率因数,Y为电量;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。斯皮尔曼等级相关系数为

(2)

其中di=xi-yi,i=1,2,…,N(N为次数),取N=4;R取值范围在(-1,1)之间;R绝对值愈大,变量间等级相关程度愈大[3]。当R=-1时,说明功率因数与电量偏差相关程度很大。

计算出其他变量R,其绝对值均在-1和1,说明也与电量偏差相关程度很大。相关性分析如图3所示。

图3 相关性分析

由此可见,有功功率计算主要取决于电压幅值、电流幅值、电压相位角以及电流相位角。

大数据分析流程图如图4所示。

电能质量设备检测发现监测点1、监测点2与监测点3数据差异较大,先建立数学模型,得出有功功率影响的参数有电压、电流的幅值和相位角。对这些数据进行对比,分析主要原因,随后进行线下验证,找出影响问题的原因所在,最后对此提出建议整改方案。

图4 大数据分析流程图

2.3 数据分析

比较20 kVⅠ段开关柜(监测点2)与20 kVⅠ段计量柜(监测点3)波形数据,查找异常数据。

20 kVⅠ段计量柜和开关柜电压信号如图5所示。由图5可知,计量柜和开关柜电压的幅值和相位角基本相同,说明有功功率数据异常与这两项参数无关。

图5 20 kVⅠ段计量柜和开关柜电压波形

20 kVⅠ段计量柜和开关柜电流波形如图6所示。

图6 20 kVⅠ段计量柜和开关柜电流波形

由图6可见,计量柜和开关柜的电流幅值基本相同,相位角偏差明显,因此造成偏差的原因出现在电流相角上。

2.4 深入分析

进一步查看各监测点的功率因数变化趋势。随机调取一段5.5 h的变化趋势图进行分析。监测点1～监测点3基波功率因数变化趋势如图7～图9所示。

图7 监测点1基波功率因数变化趋势

图8 监测点2基波功率因数变化趋势

由图7～图9可知,20 kVⅠ段进线计量柜(监测点3)与20 kVⅠ段开关柜(监测点2)功率因数角在任一时间段始终存在7°～10°的差异。在监测数据中,其他数据段基波功率因数变化趋势相同。

图9 监测点3基波功率因数变化趋势

2.5 线下验证

20 kV开关柜连接的单芯电缆在流入电流互感器前已将金属屏蔽层接地,即流入20 kV进线电流互感器仅为铜芯电缆电流,而流入监测点3的电流为铜芯电缆电流与金属屏蔽层电流的矢量和,导致监测点3有功测量数据的偏差。对比了多段时间的有屏蔽层电缆与无屏蔽层电缆的电流和功率因数数据,电流相位差趋势如图10所示。

图10 电流相位差趋势

当单芯电缆流过电流时,金属屏蔽层切割磁力线产生相应的感应电流,感应电流的大小与电缆的长度和流过导体的电流成正比[4],感应电流经由变压器20 kV出口侧与柜内两点直接接地形成环流。

由于两组电流互感器安装位置的差异,流过20 kV开关柜电流互感器的电流为铜芯电缆电流I1,而流过20 kV计量柜电流互感器的电流为电缆铜芯电缆与金属屏蔽层感应电流的矢量和,导致有屏蔽层处与无屏蔽层处测得两者电流相位始终有8.5°～10.5°的偏差。电流互感器安装位置示意图如图11所示。

图11 电流互感器安装位置示意图

根据6个月测得的功率因数数据发现,当测试功率因数角滞后实际功率因数角7°时,其有功计量偏差的大小与实际功率因数角有很大的关系。功率因数变化趋势如图12所示。由图12可见,当功率因数角越大(功率因数越低)时,固定偏差对有功数值精准度的影响越大。

图12 功率因数变化趋势

2.6 改进措施

可将单芯电缆金属护套的接地方式更换为单点接地,且不接地的一端装设护套过电压保护器。该接地方式优点是护套环流几乎为0。接地点与不接地点之间的距离不能太长,须按护套感应电压的允许值设置接地点。这从根本上消除流过金属屏蔽层的感应电流。

3 结 语

通过此次改进后,消除了20 kVⅠ段进线计量柜与20 kVⅠ段开关柜功率因数角差异,110 kV进线、20 kV进线开关柜与20 kV计量柜有功数值接近,与电力公司电费单所统计的有功数据基本一致,提高了轨道监测系统测量数值的精准度,使系统运行更稳定。城市轨道要树立节能环保规划发展意识,需要在监测大数据系统基础上进行分析,通过应用有效的监测设备,提高数据精准度,才能在后续使用中针对有效数据分析,发现问题并加以解决,确保城市轨道低压配电系统安全、稳定。