基于级联架构的配电网非接触式带电检测系统

周文鹤，王国驹，邢益弟，苏志刚，潘图

（海南电网有限责任公司海南输变电检修分公司，海南海口 570312）

配电网是电力系统的重要组成部分，它担负着为用户提供电能的重要任务。近年来，随着配电网自动化水平的提高，对配电网的要求也日益提高，使得配电网的运行可靠性成为人们普遍关心的问题。传统定期巡检和计划停机检修的管理方式已经无法适应电力系统可靠性管理的需要。随着带电检测技术的发展，各种带电检测技术在不同电力装置检测领域实现了广泛应用。配电网电压和电流采集精准性、可靠性是保证配电网安全、可靠的前提，也是维护电网安全稳定的基础。因此，采用高效安全的测量手段，可以有效地提升设备的维修和供电质量。目前提出了基于电抗器电压暂态特性的检测方法，该方法通过构建柔性配电网的数学模型，分析辐射状配电网的电压电流特性，对于区内外的电压电流进行检测，并通过安装在线路首端的电抗器电压是否小于0 来判断是否存在异常[1]；也有学者提出了基于有向邻接矩阵的检测方法，该方法通过构建有向邻接矩阵的拓扑结构识别模型，将未知拓扑结构描述为不确定的有向邻接矩阵，实现配电网的结构识别，并确定潮流方向，达到配电网检测的目标[2]。使用上述两种方法无法对多个客户端的配电信息进行同时检测，为此，设计了基于级联架构的配电网非接触式带电检测系统。

1 系统硬件结构设计

在配电网非接触式带电检测系统中，流媒体服务器采用了分布式的结构，通过在各个层次上配置流媒体服务器来保证本地的数据的高效传输，从而有效地减少网络的带宽压力[3]。基于级联架构的配电网非接触式带电检测系统硬件结构如图1 所示。

如图1 所示，中央管理服务器为流媒体业务提供接入接口，对流媒体的系统配置进行管理，并通过级联逻辑对其他流媒体业务进行调度[4]。

1.1 非接触式电压、电流传感器

在配电网络中，电压、电流检测是电力系统中的一个关键问题。传统的电压、电流传感器具有结构复杂、体积大、造价高、存在铁磁性等特点，其必须与电力线相连接，只有当电源处于稳定状态时，才能进行电压和电流传输[5-6]。为了解决该问题，设计了一种非接触式电压、电流传感器，如图2 所示。

由图2 可知，在电力系统中，通过对电力系统中电势的检测，并对其进行反向计算，可以得出输电线路的电压值。该传感器是一种由多个微分元件构成的感应式感应阵列，用以捕获较高的微弱磁场信号[7]。这种传感器体积小、安装方便，不存在饱和问题，仅从电网中获取信号，极少吸收电能，可与自动保护技术相结合，满足微机保护的要求[8-9]。

1.2 检测模组

在配电网络中，每个相、地之间存在一种分布电容，因此在安装电容式检测模组时需要保持一定距离，保证相地之间不存在干扰[10]。该检测模块利用电压对配电网的运行状况进行判定，一旦出现异常，则由该模组生成警报信号，并将警报信号经由无线网络传输到云端服务器[11]。图3 所示为检测模组结构。

图3 检测模组结构

当安装检测模组后，工作人员会进行地理位置登记，云服务器可以与GIS 系统相结合，直观、实时地显示该配电网的实时状况[12]。

1.3 非接触式故障指示器

将感应电压信号通过电场感应芯片输入到信号调理单元，再由MCU 芯片对信号进行处理，以准确识别不同线路状态[13]。同时，该线路还采用了非接触式故障指示器，可满足带电工作的需要，确保配电网络的正常工作。

非接触式故障指示器的电场感应板是用一片黄铜制作而成的，这种制作方式能很好地解决非接触式测量中的取样精度问题[14]。在配电网中出现异常情况时，能迅速、准确地触发录波，并能完整地记录故障过程，还能对配电网故障进行及时、准确地诊断与报告。

2 系统软件部分设计

通过对处理器输入/输出插头的控制，将开/关命令发送到切换装置，使得充电电容器在循环中进行充放电[15]。在切换装置处于关闭状态时，该整流器对充电电容器进行充电，此时充电电容两端的电压U0不断升高。充电电容两端的电压计算公式为：

式中，f表示电流频率；C表示电容容量。充电电容的正极与比较器的正输入相连，比较器通过第一电阻器与电源正极相连，利用第一电阻获得阈值电压[16-19]U′。阈值电压指的是输电线路中半导体表面开始出现强烈反应所需的栅电压，该电压主要是由三个部分组成，分别是平带电压UFB、表面势电压UE、附加电压UH。基于此，计算电压阈值，如式（2）所示：

式中，平带电压是用来抵消输电线路半导体和有效界面电荷影响所产生的栅电压。

当充电电容的电压值U0大于阈值电压U′时，向比较器的输出端输出高电平，处理器的采集端口捕捉到了高电平的信号。这时，处理器的定时模块就能计算出充电电容电压从0 增加到阈值电压U′情况下的充电时间Δt，根据充电时间Δt判断配电网线路的带电状态。判断标准如下：

若充电时间Δt＜T1时，则可判定线路正常；若充电时间T1≤Δt＜T2时，则可判定线路电压下降；若充电时间T2≤Δt＜T3时，则可判定该线路是中断的。

步骤四：依据充电时间来判断配电网是否存在异常情况，需要计算单相合闸初始时刻与射频信号之间的时间差。设初始时间为0，断路器动触头开始向静触头运动后，动、静触头之间的电压可表示为：

式中，t表示时间；ϕ表示初始时刻相电压的初相角；ω表示角频率。断路器动触头开始向动触头运动后，动、静触头之间的击穿电压可表示为：

式中，v表示动触头运动速度；d表示初始时刻动触头间距；u表示击穿电压。当U1>U2时，动静触头被击穿，此时产生了射频电磁波信号，说明配电网线路存在异常。将异常信号转换为告警信号后发送至云端服务器进行处理。

3 实 验

3.1 实验装置

在实验室中设置了一个实验平台，该平台与一个标准的传感装置平行，面向受测者，与声源相距1 m。被测设备连接了电源，开始进行实验，信号发生器向声源输出一组20～60 kHz 的正弦波信号。超声波实验连线图如图4所示。

图4 超声波实验接线图

在实验过程中，信号产生器将输出的正弦波的频率设定为40 kHz，调节输出振幅，使被测装置的探测值接近全范围，同时记录输出的峰值电压。然后按顺序减小振幅，并将实验装置的测试结果记录下来。

3.2 实验指标

根据图5 所示的实验装置，计算各个测量点的误差，公式为：

式中，Sκ表示被测试线路的输出值；κ表示误差系数；S表示被测试线路最大输出值。通过该公式，能够获取测量的精准误差。

3.3 实验结果与分析

为了验证基于级联架构的配电网非接触式带电检测系统的可行性，在实验中对基于电抗器电压暂态特性的检测方法、基于有向邻接矩阵的检测方法和基于级联架构的带电方法进行实验验证分析。

使用一根1.2 GHz 的锥形天线，带宽为6 GHz，以断路器电弧信号到达天线的时间差为研究对象，测得的断路器三相不同期电压如图5 所示。

由图5 可知，使用基于电抗器电压暂态特性的检测方法，A相电压在时间为4.0～6.0 ms 内出现了最大电压误差，与预期检测结果相差0.7 V。在时间为10.0～14.0 ms 内出现了最大电压误差，与预期检测结果相差0.2 V；B相电压在时间为4.0～6.0 ms 内，出现了最大电压误差，与预期检测结果相差1.3 V；C相电压与预期检测结果一致。

使用基于有向邻接矩阵的检测方法，A相电压在时间为6.0～14.0 ms内出现了最大电压误差，与预期检测结果相差0.3 V；B相电压在时间为2.0～4.0 ms 内出现了最大电压误差，与预期检测结果相差1.1 V；C相电压在时间为2.0～4.0 ms 内出现了最大电压误差，与预期检测结果相差0.6 V。

使用基于级联架构的配电网非接触式带电检测系统，B相电压在时间为4.0～6.0 ms 内出现了最大电压误差，与预期检测结果相差1.0 V，其余均一致。

所以，基于级联架构的配电网非接触式带电检测系统的检测结果与预期检测结果最接近，检测精度更高。

图5 不同方法检测的三相不同期电压结果

4 结束语

该文采用级联架构设计配电网非接触式带电检测系统，以适应配电网的实时检测要求。采用级联架构将媒体数据从最底层传输到更高级别的平台，从而降低了主干网络的负荷，达到了多个目标同时检测的目的。该系统既可以实现对输电线路的稳态检测，也可以对输电线路进行瞬态检测。实验证明，该系统检测结果与预期检测结果最接近，说明该系统检测精度更高。