配電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用及發(fā)展探討

羅亞明 陳霍興 張俊

摘 要：針對直流輸電系統(tǒng)接地極特點(diǎn)，闡述了部分接地極失效的原因以及故障類型，并對接地極參數(shù)監(jiān)測問題的研究意義進(jìn)行了分析。對接地極監(jiān)測方法進(jìn)行總結(jié)，分別從監(jiān)測方式和監(jiān)測兩個方面對接地極狀態(tài)監(jiān)測方法和接地極故障判斷進(jìn)行研究并對其進(jìn)行詳細(xì)的論述，同時探討分析了當(dāng)前接地極監(jiān)測的局限性以及存在的問題。最后，根據(jù)目前的研究狀況提出了多元監(jiān)測數(shù)據(jù)融合的研究建議和后續(xù)的故障分析預(yù)測方法。

關(guān)鍵詞：接地極 參數(shù)監(jiān)測 接地極故障 動態(tài)模型 故障分析預(yù)測

中圖分類號：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）08（a）-0032-02

目前，麗江古城區(qū)輸電線路都為地下敷設(shè)的電纜輸電線路，電纜的敷設(shè)方式為電纜井、電纜溝敷設(shè)，電纜溝敷設(shè)的電纜再由環(huán)網(wǎng)柜連接到各個用電區(qū)域，其中各個區(qū)域的電纜溝、電纜井也都鋪設(shè)在古城地底下，鋪上水泥蓋板后，還要鋪設(shè)滿足古城管理規(guī)范要求的花紋石板。從實(shí)際的麗江古城配電網(wǎng)運(yùn)行情況上看，由于古城特殊的條件，配電網(wǎng)運(yùn)維還停留在傳統(tǒng)的運(yùn)維模式。隨著麗江經(jīng)濟(jì)及旅游業(yè)的發(fā)展，特別是旅游旺季，麗江日用電需求都明顯增長，最大負(fù)荷也會增長，致使在供電過程中配電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備出現(xiàn)故障的概率也大大提高。本文重點(diǎn)關(guān)注麗江古城地下配電網(wǎng)設(shè)施部分和長期在戶外的電氣柜等設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測的技術(shù)闡述。

然而針對麗江古城內(nèi)部配電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境與傳統(tǒng)配電網(wǎng)差異極大，所處的環(huán)境復(fù)雜多變，許多的不確定性因素的影響容易引發(fā)接地極阻抗的改變造成接地失效。接地極的接地導(dǎo)體一般為金屬材料并鍍有相應(yīng)的防腐膜，防腐膜的存在使接地極外界的電解質(zhì)溶液可能在一定的時限內(nèi)無法滲透到涂層內(nèi)部鋅層的外表，浸涂鋅后的接地鋼材的使用年限得以極大延長，并保證了接地鋼材的導(dǎo)電性、防腐性、耐沖擊性和熱穩(wěn)定性。但導(dǎo)體在土壤電解質(zhì)溶液中長久的浸泡和腐蝕會造成防腐膜的失效，導(dǎo)體材料發(fā)生以電化學(xué)反應(yīng)為主的腐蝕，造成接地導(dǎo)體導(dǎo)電性（阻抗增大）降低，是接地極失效的主要原因之一。接地極外界會因多種客觀自然環(huán)境因素（水位、土壤溫濕度、接地井物理形變、土壤組成成分等）造成接地導(dǎo)體與土壤的導(dǎo)電率發(fā)生變化，造成接地回路受阻（對于單極大地回線或雙極不對稱方式）；同時接地電流同樣會對接地外界環(huán)境造成影響，如接地電流增大伴隨導(dǎo)體發(fā)熱量的增多造成周圍土壤溫度上升，大地阻抗增加影響導(dǎo)電率。共多點(diǎn)接地極間個別接地極失效造成整體接地極作用失衡也是常見的故障。

一旦接地極發(fā)生故障，會直接影響電力輸電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，導(dǎo)致輸電干道受阻，影響整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，甚至可能引發(fā)火災(zāi)，釀成重大事故?；趯旊娋W(wǎng)絡(luò)運(yùn)行安全性方面考慮，對接地極實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測顯得尤其重要。

監(jiān)測的目的是對接地極運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時采集，不斷地給出系統(tǒng)故障分析，幫助電網(wǎng)維護(hù)和管理人員及時了解接地極運(yùn)行狀態(tài)，以消除過程的異常行為，防止災(zāi)難性事故的發(fā)生。

系統(tǒng)監(jiān)測的研究內(nèi)容一般包括接地極參數(shù)監(jiān)測及方式、故障預(yù)判等?，F(xiàn)有的針對接地極的監(jiān)測參數(shù)主要從以下的幾個方面進(jìn)行綜合考慮，分別是：接地極電流（阻抗）、接地極的觀測井環(huán)境變量（溫度、水位和濕度等）、外界環(huán)境信息。

基于接地極系統(tǒng)監(jiān)測的特點(diǎn)，本文對接地極監(jiān)測方法進(jìn)行總結(jié)，分別從監(jiān)測方式和監(jiān)測兩個方面對接地極狀態(tài)監(jiān)測方法進(jìn)行分類研究并對其進(jìn)行詳細(xì)的論述，并詳細(xì)探討了現(xiàn)階段存在的問題以及其未來的發(fā)展趨勢。

1 接地極監(jiān)測研究現(xiàn)狀

1.1 監(jiān)測方式

（1）人工檢測：通過人工定期巡檢接地極觀測井，對接地極參數(shù)進(jìn)行人工采集，綜合對接地極觀測井內(nèi)的物理表象（例如觀測井水位、接地極外界環(huán)境等）進(jìn)行人工診斷，粗略地判斷引起接地極故障的可能性，進(jìn)行人工干預(yù)修復(fù) 。

但人工檢測的巡檢周期較長、巡檢成本高、測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不高和實(shí)時性差等多種不利因素的存在。

（2）在線監(jiān)控：在接地極端，應(yīng)用傳感器及AD轉(zhuǎn)換技術(shù)采樣多種接地極關(guān)聯(lián)信號（如接地電流和電壓、水位、土壤溫濕度）并數(shù)字化，經(jīng)一定的本地信號處理和分析，使用GPRS、GSM等多種無線傳輸技術(shù)以組網(wǎng)的形式將上述處理和分析結(jié)果反饋至監(jiān)控中心（電網(wǎng)監(jiān)控中心，一般稱之為后臺系統(tǒng)），監(jiān)控中心實(shí)時對接地極的關(guān)聯(lián)數(shù)字化信息進(jìn)行自動分析、判斷處理，并基于人在回路的干預(yù)模式實(shí)現(xiàn)對接地極的計算機(jī)托管。

1.2 監(jiān)測參數(shù)

（1）接地電流：通過電流傳感器（電磁式、電子式和光學(xué)式）實(shí)時測量接地極饋電電流，對接地極運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷，可以確定接地極電流分布及大小情況。若饋電電流過大會引起接地極本體腐蝕加速，縮短接地極運(yùn)行壽命在正常情況下，饋電電流值同它所連接的電極長度大體上成正比并且基本不變。如果所測得的電流值同它的基準(zhǔn)值相差較大，則說明電極可能被嚴(yán)重腐蝕，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號。

（2）水位和土壤溫濕度：使用溫度、水位和濕度傳感器測量接地井中的溫度、水位和濕度數(shù)據(jù)，實(shí)時掌握接地極周圍土壤狀態(tài)。對接地極周圍土壤狀態(tài)進(jìn)行診斷。若接地極的溫度過高或濕度過低，會引起土壤電阻率增大，直接影響地中電流分布、地表電位、跨步電壓和引起接地極發(fā)熱，加速接地極本體腐蝕。

監(jiān)控中心將接收到的觀測井內(nèi)的水位數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)定水位數(shù)據(jù)比較后可及時掌握井內(nèi)水位變化情況。若井內(nèi)水位過低，接地極可能會產(chǎn)生故障，應(yīng)及時補(bǔ)水作業(yè)。

（3）接地極外界環(huán)境信息：基于氣象數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集接地極周圍環(huán)境的溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量和氣壓等公共氣象信息參數(shù)，作為關(guān)聯(lián)接地極安全運(yùn)行的參變量因數(shù)，進(jìn)一步分析接地極的運(yùn)行狀態(tài)。

2 當(dāng)前存在的問題

盡管接地極本身監(jiān)控方法已經(jīng)得到了廣泛的研究和良好應(yīng)用，基于其發(fā)展現(xiàn)狀分析，故障監(jiān)測技術(shù)仍然有一些問題有待于進(jìn)一步深入研究。

（1）多元信息融合研究較少：現(xiàn)有的在線監(jiān)測技術(shù)以檢測饋電電流、接地井水位、土壤溫度和濕度，以及部分加入了對氣象等公共信息氣象信息的監(jiān)測。同時現(xiàn)有的監(jiān)測方法中一般單一地應(yīng)用水位、溫度、濕度、饋電電流等重要的單變量信息，對于大多數(shù)的實(shí)際過程來說，過程觀察變量往往呈現(xiàn)出高度的相關(guān)性。單變量監(jiān)測方法只考慮了單一變量的變化情況，無法對多個變量之間的相互影響關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。因此，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)各種信息進(jìn)行融合建模，以適應(yīng)復(fù)雜的設(shè)備狀況。

（2）預(yù)警研究：故障的早期預(yù)測研究方法較少。為了保證設(shè)備的安全高效運(yùn)行，需要及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障征兆并進(jìn)行研究處理，最大限度地預(yù)防和避免重大事故的發(fā)生。

3 發(fā)展方向

針對接地極監(jiān)測存在的問題，本文提出以下的發(fā)展方向。

3.1 完善監(jiān)測參數(shù)

應(yīng)用攝像頭監(jiān)視接地極外界環(huán)境，采集接地極外界環(huán)境圖像，基于圖像處理技術(shù)建立接地極物理環(huán)境數(shù)據(jù)模型；增加紅外頻譜采集傳感器，獲取以接地極電極為中心的環(huán)境溫度實(shí)時梯度圖和電解質(zhì)液體動態(tài)流向圖；同時利用互聯(lián)網(wǎng)的開放性獲取接地極區(qū)域宏觀的氣象信息，進(jìn)行綜合建模分析。

3.2 建立接地極“三維流場”動態(tài)模型

以接地極形狀和物理建設(shè)尺寸數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立接地極三維物理外觀模型。以水位、溫度和濕度為參變量，應(yīng)用如復(fù)數(shù)鏡像法、積分法和濾波法建立計算土壤分層輻射型電阻率模型的格林函數(shù)，以此為基礎(chǔ)建立接地極的接地電阻分布模型?；诘刃Хㄒ越拥仞侂婋娏鳛榈谝蛔兞俊⒔拥仉姌O屬性值（外觀尺寸、電阻率）為第二變量的接地電流場分布計算模型。

以時間為牽引軸，將實(shí)時采集的接地極監(jiān)控數(shù)據(jù)為參數(shù)值，將上述3種計算模型綜合以構(gòu)建接地極“三維流場”模型。

基于接地極“三維流場”模型，實(shí)時監(jiān)測計算如接地電阻、跨步電壓和地面電位等等接地參數(shù)成為可能。

3.3 故障分析預(yù)測方法

故障預(yù)測是在故障發(fā)生之前提前對故障進(jìn)行預(yù)測，從而將潛在故障排除?；诮拥貥O運(yùn)行歷史過程的數(shù)據(jù)特征來填充的接地極“三維流場”模型，根據(jù)模型對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，通過檢測數(shù)據(jù)對象是否在正常范圍內(nèi)，來預(yù)測系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障。其次根據(jù)歷史挖掘出數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，獲取過程運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而指導(dǎo)維護(hù)操作。

首先，基于接地電極腐蝕公式，可建立接地電極壽命損耗的概念——將不同種類的時變參數(shù)（熱量、溫度、電流、機(jī)械應(yīng)力、隨機(jī)應(yīng)力）對電極材料的影響進(jìn)行評估，并在此基礎(chǔ)上考慮多種因素的綜合影響，提出多參作用下的壽命評估方法。

其次，采用基于多變量分析的接地極預(yù)測方法，對環(huán)境因子（溫度、濕度、風(fēng)速、接地電阻等）以及由它們所決定的成災(zāi)因子（溫度、電流強(qiáng)度及其持續(xù)時間，電解質(zhì)液體流量等），提取信號特征，檢測接地極運(yùn)行過程中的緩慢變化狀況，建立變量回歸關(guān)系模型，從而得出在該監(jiān)測點(diǎn)隨時間的推移的溫升趨勢分析、溫度的梯度分析以及故障預(yù)警等問題。算法利用主元分析法（Principal Components Analysis，PCA），偏最小二乘回歸（Partial Least Squares，PLS）可以有效地去除數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，融合接地極的機(jī)理模型和數(shù)據(jù)模型進(jìn)行進(jìn)一步建模。

實(shí)現(xiàn)故障征兆的檢測，對故障進(jìn)行預(yù)警處理。

4 結(jié)語

本文主要基于BIM技術(shù)對麗江古城區(qū)配電網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了研究探討，一些常用的BIM模型應(yīng)用在監(jiān)測的方法。針對當(dāng)前的監(jiān)測方式方法，給出了現(xiàn)在的監(jiān)測技術(shù)的不足以及相應(yīng)的研究問題的發(fā)展方向進(jìn)行了闡述。

參考文獻(xiàn)

[1] DLT 253-2012，直流接地極接地電阻、地電位分布、跨步電壓和分流的測量方法[S].2012.

[2] DLT 437-2012，高壓直流接地極技術(shù)導(dǎo)則[S].2012.

[3] 褚優(yōu)群.特高壓直流輸電接地極計算及評估軟件開發(fā)[D].華北電力大學(xué)，2013.

[4] 王天正，劉剛，劉熙，等.直流接地極運(yùn)行參數(shù)在線監(jiān)測技術(shù)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（27）：204.

[5] 王瑋，倪平浩，唐琪，等.特高壓直流輸電接地極在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].北京交通大學(xué)學(xué)報，2016，40（2）：85-89.

[6] 盧松，李凱協(xié)，郭衛(wèi)明.換流站接地極故障監(jiān)測系統(tǒng)分析與研究[J].機(jī)電信息，2015（3）：50-51.