基于云計算的高壓輸電線路雷電流自動監(jiān)測方法

王 偉，張軼夫，韓春城，王偉達(dá)

（國網(wǎng)吉林省電力有限公司超高壓公司，長春 130028）

0 引言

雷擊災(zāi)害是影響區(qū)域高壓輸電線路安全運行的重要因素，也是高壓線路跳閘的主要原因。當(dāng)高壓輸電線路遭到直接雷擊時，輸電線路中的流通電流通過被擊物體泄入電流，該電流被稱為雷電流。為了提高高壓輸電線路的運行安全，有必要對雷電流進(jìn)行在線跟蹤監(jiān)測。

目前發(fā)展較為成熟的雷電流監(jiān)測方法主要有磁帶法、雷電定位系統(tǒng)等，磁帶監(jiān)測法是根據(jù)雷電流經(jīng)導(dǎo)線時產(chǎn)生的磁場來消除磁帶上的記錄，根據(jù)磁帶上被擦除的參考信號的長度，就可以計算出雷電流幅值，而對雷電定位的雷電檢測則是采用GPS獲取雷電點與探測站之間的時間之差，再根據(jù)時間的差異來確定閃電點的坐標(biāo)，進(jìn)而得出雷電流的監(jiān)測結(jié)果[1]。然而在實際應(yīng)用中，上述雷電流監(jiān)測方法大部分都是在變電站內(nèi)進(jìn)行的，雷電波通過線路傳輸?shù)阶冸娬荆瑫a(chǎn)生大量的電力損耗、耦合以及磁場干擾，使得雷電流監(jiān)測結(jié)果并非實際數(shù)據(jù)，很難對輸電線路的防雷防護(hù)起到輔助的作用。

為了提高高壓輸電線路雷電流的監(jiān)測性能，保證高壓輸電線路的防雷能力，在傳統(tǒng)監(jiān)測方法的基礎(chǔ)上引入云計算技術(shù)，云計算技術(shù)是一種將計算任務(wù)分散到資源池中，滿足用戶的需求獲取計算能力、存儲空間的技術(shù)。將云計算技術(shù)應(yīng)用到高壓輸電線路雷電流自動監(jiān)測方法的優(yōu)化設(shè)計工作中，以期能夠達(dá)到預(yù)期優(yōu)化效果。

1 高壓輸電線路雷電流自動監(jiān)測方法

1.1 構(gòu)建高壓輸電線路等效模型

雷電災(zāi)害能夠直接攻擊的高壓輸電線路結(jié)構(gòu)為架空輸電線路，該類型線路由導(dǎo)線、絕緣子、變壓器、斷路器等設(shè)備組成，根據(jù)輸電線路的基本組成，構(gòu)建相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 高壓輸電線路結(jié)構(gòu)圖

圖1表示單相高壓輸電線路結(jié)構(gòu)，通過多線路的并聯(lián)可以得出兩相線路以及三相線路的結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建結(jié)果。圖1中參數(shù)C表示的是輸電線路電導(dǎo)，L和R分別對應(yīng)的是電抗和電阻，Y的量化表達(dá)如式(1)所示：

式(1)中變量δi表示的是線路電納，γ和l分別為電阻系數(shù)和電抗系數(shù)。為了反映出高壓輸電線路的實際運行過程，需對線路中的各個參數(shù)進(jìn)行計算，并將計算結(jié)果代入到高壓輸電線路結(jié)構(gòu)中。高壓輸電線路的傳輸過程可以表示為：

式(2)中Uline為輸電線路電壓，ξ為輸電線路的傳播系數(shù)，該系數(shù)的計算如式(3)所示：

其中σi為輸電波阻抗，dline為輸電線路長度。由于輸電線路中各個相的傳輸線是互相耦合的，所以在矩陣中的各個單元均不為0。此時可以將傳輸線方程的矩陣轉(zhuǎn)換成對角陣，將矩陣方程分解成若干個單相傳輸線方程，得出矩陣傳輸線方程的求解結(jié)果[2]。將高壓輸電線路的結(jié)構(gòu)和傳輸原理進(jìn)行融合，得出高壓輸電線路等效模型的構(gòu)建結(jié)果。

1.2 布設(shè)高壓輸電線路雷電流監(jiān)測點

以構(gòu)建的高壓輸電線路等效模型為基礎(chǔ)，在線路上每隔20m設(shè)置一個雷電流監(jiān)測點，在輸電線路與接地節(jié)點之間設(shè)置多個測點，測點之間的間隔距離均為20m。高壓輸電線路雷電流的監(jiān)測需要傳感器設(shè)備的支持，選擇的傳感器類型為羅氏線圈傳感器，并對傳感器的抗干擾性能進(jìn)行優(yōu)化[3]。高壓輸電線路電流傳感器的工作原理如圖2所示。

圖2 高壓輸電線路電流傳感器工作原理圖

圖2中L′0為羅氏線圈的自感，R′0和R′s分別為阻尼電阻和羅氏線圈內(nèi)阻，其中R′0可以起到降低環(huán)境噪聲的作用，從而提高傳感器的抗干擾性，另外參數(shù)C′0為羅氏線圈的分布電容，傳感器的數(shù)據(jù)采集過程可以表示為：

式(4)中w表示的是輸入傳感器的電流數(shù)據(jù)采集信號。那么在羅氏線圈傳感器的工作頻率內(nèi)，傳感器輸出結(jié)果與高壓輸電線路電流之間的關(guān)系如式(5)所示：

將式(4)的計算結(jié)果代入到式(5)中，即可得出電流傳感器的輸出結(jié)果。將優(yōu)化設(shè)計的雷電流傳感器設(shè)備安裝在設(shè)置的測點位置上，完成高壓輸電線路雷電流監(jiān)測點的布設(shè)工作。

1.3 利用云計算技術(shù)自動識別電流類型

監(jiān)測點位置上采集的電流數(shù)據(jù)可能為正常電流，也可能為雷電流，為保證雷電流自動監(jiān)測的精準(zhǔn)度，利用云計算技術(shù)識別當(dāng)前采集電流是否為雷電流。一般情況下，雷電具有電流源的性質(zhì)，流經(jīng)被擊物體的雷電流可以表示為：

式(6)中變量μthunder和μline分別對應(yīng)的是雷電通道和被擊物體的波阻抗，Iline表示的是輸電線路未被雷擊時的運行電流值[4]。從高壓輸電線路管理數(shù)據(jù)庫中，利用云計算技術(shù)調(diào)取雷電流數(shù)據(jù)，作為電流類型的識別對比標(biāo)準(zhǔn)。圖3表示的利用云計算技術(shù)調(diào)取雷電流數(shù)據(jù)流程。

圖3 云計算技術(shù)下雷電流數(shù)據(jù)調(diào)取時序圖

調(diào)取的雷電流數(shù)據(jù)滿足式(7)表示的波形雙指數(shù)函數(shù)：

式(7)中A0為雷電流幅值，K0和Kn分別為雷電流波前和波后的衰減系數(shù)，?表示的是雷電流波形的校正系數(shù)，公式6的計算結(jié)果Iinstan(τ)表示的是τ時刻的雷電流瞬時值。利用式(8)計算傳感器實時采集輸電線路電流與雷電流標(biāo)準(zhǔn)特征之間的匹配度：

若式(7)的計算結(jié)果高于閾值 0?，證明當(dāng)前測點位置上監(jiān)測到的輸電線路電流為雷電流，否則認(rèn)為當(dāng)前線路電流為正常電流。

1.4 選擇高壓輸電線路雷電流監(jiān)測指數(shù)

為反映出高壓輸電線路雷電流的實際情況，設(shè)置雷電流有效值、雷電流量、電流幅值以及振幅累積頻譜等作為具體的監(jiān)測指數(shù)。其中電流有效值指的是輸電線路通過相同阻值的電阻在單位時間內(nèi)平均電流的大小，計算如(9)所示：

式(9)中Tsampling為測點位置上傳感器設(shè)備設(shè)置的采樣周期，將雷電流的瞬時值求解結(jié)果代入到公式9中，即可得出雷電流有效值指數(shù)的計算結(jié)果[5]。另外電流量指的是單位時間內(nèi)高壓輸電線路中產(chǎn)生雷電流的總量，電流幅值為指的是電流變化的最大值，上述兩個監(jiān)測指標(biāo)的計算如式(10)所示：

其中t為高壓輸電線路監(jiān)測的總時長，Ag表示得是雷電波振幅。同理可以得出所有高壓輸電線路雷電流監(jiān)測指數(shù)的量化計算結(jié)果。

1.5 實現(xiàn)高壓輸電線路雷電流自動監(jiān)測

優(yōu)化設(shè)計高壓輸電線路雷電流自動監(jiān)測方法的最終監(jiān)測結(jié)果以可視化的形式進(jìn)行輸出，計算得出的雷電流指數(shù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，繪制雷電流監(jiān)測波形圖，波形圖的繪制結(jié)果可以量化表示為：

式(11)中ηamplitude為雷擊相初始電流行波幅值與雷電流源幅值的比例系數(shù)。將監(jiān)測到的所有高壓輸電線路雷電流數(shù)據(jù)輸入到公式11中，即可自動生成對應(yīng)的監(jiān)測波形。最終將包含各個測點監(jiān)測數(shù)據(jù)與監(jiān)測波形的結(jié)果通過硬件設(shè)備顯示，完成高壓輸電線路雷電流的自動監(jiān)測工作。

2 監(jiān)測性能測試實驗分析

以測試基于云計算的高壓輸電線路雷電流自動監(jiān)測方法的監(jiān)測性能為目的，選擇多個高壓輸電線路為研究對象，采用對比實驗的方式設(shè)計性能測試實驗，通過與傳統(tǒng)監(jiān)測方法的對比，驗證優(yōu)化設(shè)計方法的監(jiān)測性能優(yōu)勢。

2.1 搭建云計算平臺環(huán)境

由于優(yōu)化設(shè)計的高壓輸電線路雷電流自動監(jiān)測方法應(yīng)用了云計算技術(shù)，為了保證該技術(shù)能夠在實驗過程中正常運行，需搭建云計算平臺。Spark作為一種快速、易用、通用、高效整合Hadoop優(yōu)勢的輕型大數(shù)據(jù)處理平臺，Spark能夠兼容Hadoop架構(gòu)，因此選擇Spark云計算平臺作為云計算技術(shù)的運行平臺。運用Spark進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析過程中，需要從HDFS、Hbase等Hadoop分布式文件系統(tǒng)上獲取數(shù)據(jù)，因此在建立Spark集群時，首先要對Hadoop集群進(jìn)行配置，再將Spark和它的相關(guān)組件安裝到Hadoop集群上。在實驗環(huán)境中，構(gòu)建了由16個節(jié)點組成的Hadoop集群，標(biāo)記每個節(jié)點的機(jī)器名和IP地址數(shù)據(jù)，同時配置一個Inteli3CPU@2.40GHz,64GB的存儲空間。Hadoop和HBase版本分別是2.6.5和1.4.1。將云計算平臺中的任意節(jié)點Master上的Hadoop文件夾拷貝到相應(yīng)的slave節(jié)點，然后在Master節(jié)點上啟動Hadoop，由此測試Hadoop集群是否配置成功。

2.2 選擇高壓輸電線路監(jiān)測對象

此次以某市的電力系統(tǒng)作為研究背景，選擇電壓值分別為220kV和500kV的輸電線路作為研究對象，其中220kV輸電線路長度為13626km，500kV輸電線路的長度為5250km。在初始狀態(tài)下，高壓輸電線路上的絕緣子為FXWP65010型號，也就是雙層傘形盤狀的復(fù)合材料懸式絕緣子，而輸電線材料選擇的是鋼線。據(jù)不完全統(tǒng)計，選擇的高壓輸電線路監(jiān)測對象發(fā)生雷擊事故的頻率約為33起/年，具有較高的監(jiān)測價值。將選擇的高壓輸電線路監(jiān)測對象接入到相同的發(fā)電設(shè)備上，通過對發(fā)電設(shè)備運行參數(shù)的設(shè)置與控制，實現(xiàn)對輸電線路運行狀態(tài)的控制，并測得正常狀態(tài)下輸電線路的運行電流值，用來作為判定電流類型的比對標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 安裝高壓輸電線路監(jiān)測設(shè)備

高壓輸電線路雷電流自動監(jiān)測方法要求能夠測量95%以上的雷電，因此需要將設(shè)計的電流傳感器設(shè)備安裝在高壓輸電線路中，該傳感器的最大雷電流測試幅值為150kA，最小電流電壓比為55000∶1。圖4表示的是高壓輸電線路上監(jiān)測設(shè)備的安裝分布情況。

圖4 高壓輸電線路雷電流監(jiān)測點布設(shè)圖

如果監(jiān)測傳感器安裝在單相輸電線路上，測量的數(shù)據(jù)即為單相線路的雷電流。在雷擊發(fā)生時，兩根并排的電線之間必然會有一定的干擾，為降低其他線路的干擾，在傳感器的外側(cè)加裝一套傳感器防護(hù)罩。防護(hù)罩是由不銹鋼制成的單側(cè)開式方形，在隔熱支架的上部安裝有感應(yīng)金屬片，并用螺釘和螺帽將隔離支架固定在防護(hù)罩的中部。將所有安裝的監(jiān)測傳感器接入到云計算平臺中，保證實時監(jiān)測到的電流數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)能夠成功上傳到云端。

2.4 描述性能測試實驗過程

收集高壓輸電線路監(jiān)測對象的雷擊事故數(shù)據(jù)，以此作為檢測雷電流數(shù)據(jù)監(jiān)測精度的對比數(shù)據(jù)。設(shè)置雷電流的監(jiān)測時間間隔為0.5s，連續(xù)監(jiān)測時長為12h。同時啟動雷電流自動監(jiān)測程序和云計算程序，得出雷擊災(zāi)害下高壓輸電線路的雷電流監(jiān)測結(jié)果，如圖5所示。

圖5 高壓輸電線路雷電流監(jiān)測結(jié)果

為了體現(xiàn)雷電流自動監(jiān)測方法在性能方面的優(yōu)勢，設(shè)置傳統(tǒng)的基于暫態(tài)波形特征的雷電流自動監(jiān)測方法作為實驗的對比方法，按照上述流程得出對比方法的雷電流監(jiān)測結(jié)果。

2.5 設(shè)置監(jiān)測性能量化測試指標(biāo)

此次實驗分別從高壓輸電線路雷電流的監(jiān)測精度和監(jiān)測范圍兩個方面進(jìn)行測試，設(shè)置雷電流量監(jiān)測誤差和雷電流幅值監(jiān)測誤差作為監(jiān)測精度的量化測試指標(biāo)，上述測試測試指標(biāo)的數(shù)值結(jié)果如式(12)所示：

式(12)中變量Itotal,,monitor和Itotal,,actual分別表示雷電流量的監(jiān)測值和實際值，而A0,monitor和A0,actual對應(yīng)的是雷電流幅值的監(jiān)測數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)。最終計算得出σtotal和σamplitude的值越小，說明監(jiān)測結(jié)果越逼近輸電線路的真實情況，即監(jiān)測方法的精度性能越優(yōu)。另外監(jiān)測范圍設(shè)置的量化測試指標(biāo)為監(jiān)測面積，其數(shù)值結(jié)果為：

式(13)中(x0,i,y0,i)和(xfar,i,yfar,i)對應(yīng)的是第i個監(jiān)測點及其能夠監(jiān)測到最遠(yuǎn)點的位置坐標(biāo)，np為高壓輸電線路上設(shè)置的測點數(shù)量，φcoin為測點監(jiān)測范圍之間的重合面積。最終計算得出φ指標(biāo)的值越大，證明對應(yīng)監(jiān)測方法的監(jiān)測范圍越大。

2.6 實驗結(jié)果分析

統(tǒng)計各個測點的雷電流數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果與收集的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，得出反映方法監(jiān)測精度性能的測試結(jié)果，如表1所示。

表1 高壓輸電線路雷電流監(jiān)測精度測試數(shù)據(jù)表

將表1中的數(shù)據(jù)代入式(12)中，計算得出傳統(tǒng)監(jiān)測方法的平均雷電流量監(jiān)測誤差和平均雷電流幅值監(jiān)測誤差分別為3.04kA和2.69kA，而優(yōu)化設(shè)計方法在雷電流量和雷電流幅值兩方面的平均監(jiān)測誤差分別為0.18kA和0.21kA。另外兩種方法監(jiān)測范圍的測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 高壓輸電線路雷電流監(jiān)測范圍測試結(jié)果

從圖6中可以直觀的看出，優(yōu)化設(shè)計雷電流監(jiān)測方法的監(jiān)測范圍明顯大于傳統(tǒng)方法的監(jiān)測范圍，通過公式13的計算可以得出兩種方法的監(jiān)測范圍分別為800.84m2和2029.00m2。綜上所述，優(yōu)化設(shè)計的基于云計算的高壓輸電線路雷電流自動監(jiān)測方法在保證監(jiān)測精度的同時，擴(kuò)大了監(jiān)測范圍。

3 結(jié)語

為了提高高壓輸電線路的防雷能力，降低雷電災(zāi)害對線路產(chǎn)生的負(fù)面影響，設(shè)計并開發(fā)了高壓輸電線路雷電流自動監(jiān)測方法，為高壓輸電線路的防雷管理提供有效的參考數(shù)據(jù)。通過云計算技術(shù)的應(yīng)用，為輸電線路中電流類型的識別提供技術(shù)支持的同時，也加快了輸電線路雷電流監(jiān)測數(shù)據(jù)的更新速度。而優(yōu)化設(shè)計的監(jiān)測方法需要多個電流傳感器接入到云計算環(huán)境中，運行成本較高，針對這一問題還需要在今后的研究工作中進(jìn)一步優(yōu)化。