基于故障電流傳播特性的輸電線路差異化異常監(jiān)測

徐梅根， 趙學軍， 吳禮剛

(1. 國網(wǎng)江西省電力有限公司宜春供電分公司， 江西 宜春 336000；2. 寧波工程學院， 浙江 寧波 315211)

0 引 言

早在20世紀初期，國外就提出了智能電網(wǎng)概念，先是在美國開啟了電力大數(shù)據(jù)的研究工作，隨后加拿大等國家針對用戶的用電量信息展開了深入研究，使得國外的輸電線路異常監(jiān)測得以發(fā)展[1-2]。根據(jù)國家電網(wǎng)的相關數(shù)據(jù)分析，國內(nèi)輸電線路在制造工藝和運行可靠性方面要比國外落后，國內(nèi)電力設備的使用壽命周期平均值都不足20年，而國際上的發(fā)達國家電力設備平均使用年限在35年到45年之間，使得我國電力系統(tǒng)資產(chǎn)效益平均水平偏低[3]。

在此背景下，本文將故障電流傳播特性應用到輸電線路差異化異常監(jiān)測中。通過試驗驗證，該方法提高了輸電線路差異化異常監(jiān)測精度。

1 輸電線路差異化異常監(jiān)測方法設計

1.1 計算輸電線路故障電流數(shù)據(jù)

1) 計算故障電流的弧垂

在懸掛點不等高的輸電線路中，A、B兩點間的檔距l(xiāng)，B點高于A點h，根據(jù)斜拋物線的弧垂公式，計算故障電流的檔內(nèi)最大弧垂[4]為：

(1)

式中：H為故障電流最低點的水平張力；w為故障電流單位長度內(nèi)的自重力。

懸掛點A、B處故障電流的傾斜角計算公式為：

(2)

(3)

通過測量故障電流弧垂與傾斜角度之間的關系，就能計算出故障電流檔內(nèi)的最大弧垂。

2) 計算輸電線路的載荷

溫度的變化會造成輸電線路出現(xiàn)膨脹或收縮，而載荷的變化會使故障電流的大小重新平衡，得到的結果會使故障電流的大小發(fā)生變化[5]。輸電線路電流大小之間的關系可以采用狀態(tài)方程來表示，即：

(4)

式中：Hm、Hn分別為工作條件為m、n條件下的故障電流大??；wm、wn分別為工作條件為m、n故障電流單位長度下的重力大??；tm、tn分別為工作條件為m、n條件下故障電流段的導線溫度；E為故障電流段導線的彈性系數(shù)；α為溫度膨脹系數(shù)；S為故障電流段導線的橫截面積。

1.2 輸電線路差異化異常監(jiān)測能量模型

輸電線路故障電流在傳播過程中，節(jié)點的能量主要消耗在通信部分[6]，輸電線路差異化異常監(jiān)測能量模型采用多路徑衰減模型和自由空間模型[7]，模型結構如圖1所示。

圖1 輸電線路差異化異常監(jiān)測能量模型結構圖

如果在輸電線路差異化異常監(jiān)測能量模型中，采用分簇拓撲方式，簇內(nèi)節(jié)點將采集到的異常數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯總給簇頭，異常數(shù)據(jù)的融合由簇頭來完成，然后再將異常數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點。異常數(shù)據(jù)在融合過程中的能量消耗為：

EDA(l)=lEda

(5)

式中:Eda為融合1 bit異常數(shù)據(jù)消耗的能量；da為融合系數(shù)。

1.3 輸電線路差異化異常點監(jiān)測

輸電線路出現(xiàn)差異化異常情況時，流向輸電線路短路電流形成接地電位，公式為：

UD=(Imax-Iz)(1-Mn)R

(6)

式中：Imax為異常點最大短路電流；Iz為異常點反向流回電源的電流；Mn為異常情況分流系數(shù)；R為輸電線路電阻。

輸電線路接地電位隨著短路電流值的變化而變化。接地短路電流的計算公式為：

ID=EfIg

(7)

式中：Ef為差異化異常情況延時系數(shù)；Ig為對稱接地異常的額定電流。

在接地裝置的形狀不同的情況下，接地電阻的修正公式為：

(8)

式中:L為接地裝置的長度；h為接地裝置的埋深；d為接地裝置的直徑；ρ為接地裝置的形狀系數(shù)；I為額定電流。從式(8)可知，接地裝置的形狀直接影響接地裝置的大小，不同的輸電線路應該選擇形狀最佳的接地裝置。

綜上所述，在故障電流傳播特性的基礎上，計算了輸電線路故障電流數(shù)據(jù)，通過構建輸電線路差異化異常監(jiān)測能量模型，實現(xiàn)了輸電線路差異化異常監(jiān)測。

2 試驗對比分析

2.1 設置試驗參數(shù)

為分析本文所提的基于故障電流傳播特性的輸電線路差異化異常監(jiān)測方法、文獻[8]以及文獻[9]方法性能，在MATLAB的環(huán)境下對三種監(jiān)測方法進行數(shù)據(jù)建模。通信主站位于(30,30)處，所有的節(jié)點一旦安裝就不能被移動，如圖2所示。

圖2 節(jié)點分布圖

2.2 輸電線路差異化異常監(jiān)測誤差對比測試

采用本文所提基于故障電流傳播特性的輸電線路差異化異常監(jiān)測方法、文獻[8]方法以及文獻[9]方法來監(jiān)測輸電線路的差異化異常情況，得到輸電線路差異化異常監(jiān)測誤差對比結果，如圖3所示。

圖3 輸電線路差異化異常監(jiān)測誤差對比結果

從圖3可以看出：基于故障電流傳播特性的輸電線路差異化異常監(jiān)測方法，分別計算了故障電流的弧垂和輸電線路的載荷，使輸電線路故障電流數(shù)據(jù)值更準確，從而縮小輸電線路差異化異常監(jiān)測誤差。

2.3 輸電線路差異化異常監(jiān)測時間對比試驗

采用本文所提方法、文獻[8]監(jiān)測方法以及文獻[9]監(jiān)測方法來監(jiān)測輸電線路的差異化異常情況，得到輸電線路差異化異常監(jiān)測時間對比結果，如圖4所示。

圖4 輸電線路差異化異常監(jiān)測時間對比結果

從圖4可以看出：基于故障電流傳播特性的輸電線路差異化異常監(jiān)測方法在監(jiān)測之前建立了能量模型，簡化了監(jiān)測過程中的難度，使輸電線路差異化異常監(jiān)測時間控制在0～3 s。

3 結束語

本文提出了基于故障電流傳播特性的輸電線路差異化異常監(jiān)測研究。結果顯示，該監(jiān)測方法的監(jiān)測精度更高，可以保證輸電線路的安全運行。