配電臺(tái)區(qū)線路隱患識(shí)別系統(tǒng)

莊海峰，羅志豐

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司歙縣供電公司，安徽 黃山 245200;2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司黃山供電公司 安徽 黃山 245000)

0 引言

自20世紀(jì)90年代以來，電氣技術(shù)飛速發(fā)展，我國人民的生活水平日益提高，家用電器功率越來越大，同時(shí)越來越多的個(gè)體小工廠應(yīng)運(yùn)而生，使得配電臺(tái)區(qū)用電量大幅增長。隨著低壓配電網(wǎng)精益管理要求的不斷提高，配電臺(tái)區(qū)的功能呈現(xiàn)多樣化和智能化的趨勢，對電能質(zhì)量、供電可靠性提出了更高的要求。

臺(tái)區(qū)供配電線路中的部分地下電纜、架空明線、開關(guān)設(shè)備、保護(hù)設(shè)備等工作環(huán)境惡劣，在實(shí)際的運(yùn)行過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種問題，造成電力系統(tǒng)的可靠性有所下降，尤其在以下幾方面表現(xiàn)尤為突出。

(1) 線路接頭松動(dòng)、銹蝕，導(dǎo)致接觸電阻增大，高負(fù)荷電流通過時(shí)，發(fā)熱嚴(yán)重，易產(chǎn)生電弧，若對地放電，會(huì)造成跳閘。

(2) 柜體內(nèi)長期存有大量濕氣，遇到塵埃，時(shí)間一長，會(huì)造成污閃，導(dǎo)致暫態(tài)的過電流、過電壓發(fā)生，嚴(yán)重的還會(huì)形成永久故障點(diǎn)，使斷路器跳閘。

(3) 操作過程中的過電壓會(huì)觸發(fā)間歇性放電。

(4) 高溫潮濕環(huán)境下，線路絕緣降低后會(huì)漏電，造成計(jì)量誤差，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致相對地或相間短路。

供電線路故障的產(chǎn)生是一個(gè)量變到質(zhì)變的累積過程，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明配電網(wǎng)的過電壓事故約占整個(gè)電力系統(tǒng)過電壓事故的70 %～80 %，長期的過電壓會(huì)對線路的絕緣造成傷害，形成線路絕緣薄弱點(diǎn)。一方面當(dāng)系統(tǒng)有較大的過電壓或過電流出現(xiàn)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致絕緣擊穿造成事故；另一方面，臺(tái)區(qū)若存在不良的電氣連接或者絕緣老化也易引起電極間隙擊穿和接地故障等，并且這類故障很難被發(fā)現(xiàn)，這為變電、配電系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)帶來很大的挑戰(zhàn)。電力線路安全與防護(hù)是電力系統(tǒng)安全的重要一環(huán)，是電力安全運(yùn)行的重要保障，電力系統(tǒng)線路隱患預(yù)測預(yù)防能力及其處理結(jié)果直接關(guān)系到電網(wǎng)安全運(yùn)行。

1 研究現(xiàn)狀

為提升配網(wǎng)設(shè)備管理水平，美國電力研究協(xié)會(huì)(electric power research institute，EPRI)從2000年開始組織德州農(nóng)工大學(xué)的B． Don Russell和Carl L． Benner教授開展了配網(wǎng)故障預(yù)測(Distribution Fault Anticipation)項(xiàng)目研究，通過變電站端測量的電壓/電流波形監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，前期研究結(jié)果證明了配網(wǎng)設(shè)備在故障前會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)波形，驗(yàn)證了基于波形數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)感知的可行性。德州農(nóng)工大學(xué)已開展多年實(shí)測數(shù)據(jù)研究，發(fā)現(xiàn)了部分配網(wǎng)設(shè)備會(huì)在永久性故障前產(chǎn)生擾動(dòng)波形。這些設(shè)備包括電纜、架空線路、避雷器等，其中針對電纜的監(jiān)測和分析最多，發(fā)現(xiàn)的案例也最多。

早期隱患數(shù)值都小于或遠(yuǎn)小于報(bào)警閾值，從而造成對早期隱患“視而不見”[1]，研究開發(fā)高效準(zhǔn)確的線路隱患識(shí)別系統(tǒng)具有明確的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)效益。

2 主成分分析原理

電力系統(tǒng)的復(fù)雜性決定了其各個(gè)組成環(huán)節(jié)都有發(fā)生故障的可能，諸如線路接頭松動(dòng)、電纜絕緣老化、電極間隙擊穿、大負(fù)荷用戶設(shè)備的頻繁啟動(dòng)等。在臺(tái)區(qū)供電系統(tǒng)發(fā)生故障隱患時(shí)，會(huì)產(chǎn)生微弱的隱患信號(hào)，穩(wěn)態(tài)時(shí)故障特征微弱，但故障時(shí)的暫態(tài)信息豐富，充分挖掘其中含有的故障信息，可有效預(yù)警臺(tái)區(qū)供電系統(tǒng)故障。線路的隱患是一個(gè)逐步累積的過程，當(dāng)由量變發(fā)展到質(zhì)變時(shí)，故障產(chǎn)生。在發(fā)生質(zhì)變前，發(fā)現(xiàn)潛在的隱患，是以下研究的關(guān)鍵。

2.1 配電線路隱患信號(hào)特征提取

配電系統(tǒng)發(fā)生異常情況時(shí)，首先是電流、電壓等電氣量發(fā)生反應(yīng)，然后才是環(huán)境因素的變化。與煙霧、光、熱等環(huán)境因素相比，電氣量也在準(zhǔn)確性、抗干擾性、可量測性方面具有絕對優(yōu)勢。在中低壓配電系統(tǒng)中電氣量等信號(hào)數(shù)據(jù)都有其單獨(dú)的表示模型，但并沒有統(tǒng)一的表示模型，且在對大數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，冗余數(shù)據(jù)、不一致數(shù)據(jù)以及噪聲數(shù)據(jù)大量存在，使得大數(shù)據(jù)處理算法難以高效運(yùn)行，降低了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。如何將內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大數(shù)據(jù)表示成統(tǒng)一的簡潔高效的數(shù)學(xué)模型，將原始數(shù)據(jù)集通過降維算法得到高質(zhì)量的核心數(shù)據(jù)集，是本監(jiān)測系統(tǒng)解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

2.2 基于主成分分析法的線路隱患信號(hào)識(shí)別

主成分分析方法是將現(xiàn)有高度相關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為幾個(gè)彼此不相關(guān)或相互獨(dú)立卻能表示原信號(hào)大多數(shù)變異的數(shù)據(jù)形式，從而方便評(píng)估數(shù)據(jù)的綜合性指標(biāo)。因此，主成分分析方法可被認(rèn)為是一種降維方法。針對線路異常的具體表現(xiàn)形式，可以利用疊加原理來提取故障的特征分量。圖1為供電線路的故障模型，其中f點(diǎn)為故障點(diǎn)，其運(yùn)行狀態(tài)可以看作是由供電線路的非故障運(yùn)行狀態(tài)與故障運(yùn)行狀態(tài)的疊加。

圖1 線路故障模型

電壓、電流的暫態(tài)變化征兆可以反映故障的特點(diǎn)，是最有利于進(jìn)行故障診斷的手段。異常信號(hào)的出現(xiàn)都是瞬態(tài)的，不能采用傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)算法，針對現(xiàn)有復(fù)雜配電系統(tǒng)，基于可監(jiān)測電氣信息，選用高性能的CPU，利用CPU內(nèi)部自帶庫函數(shù)，實(shí)時(shí)無縫分析電壓、電流高頻諧波，電壓暫態(tài)分量，瞬時(shí)閃變等關(guān)鍵特征參量。

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在局部放電狀態(tài)、諧振狀態(tài)線路中會(huì)含有大量的二次諧波和高頻諧波，因此二次諧波可以作為分析的主成分之一。在非線性負(fù)載情況下，電弧發(fā)生時(shí)電流會(huì)含有較多的高頻諧波，可通過分析特征頻帶與正常工作時(shí)電流的不同來診斷故障電弧。高頻諧波選2．5 kHz以上的諧波電壓、電流總畸變率來作為參考分量。在任意一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，不能確定哪個(gè)頻譜分量存在，能做到的是在一個(gè)給定的時(shí)間段內(nèi)確定哪個(gè)頻譜分量存在。在實(shí)際應(yīng)用中，高頻部分一般持續(xù)的時(shí)間是比較短的，以短時(shí)突變或者尖峰的形式出現(xiàn)。確定了高頻分量，可以通過時(shí)域來分析該時(shí)間段內(nèi)是否有暫態(tài)出現(xiàn)?；谛畔⑷诤辖K端采集得到的典型電力擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，應(yīng)用典型信號(hào)分析和特征提取算法，分析典型電力擾動(dòng)時(shí)域特征、頻域特征、時(shí)-頻域特征，根據(jù)多維特征量構(gòu)建其特征子集，以此對各類典型電力擾動(dòng)進(jìn)行刻畫，從而達(dá)到智能感知的目的。

用X1，X2，X3，X4分別表示電流的二次諧波電流、高頻諧波電壓、高頻諧波電流、電壓暫態(tài)等關(guān)鍵特征參量，n1，n2，n3，n4為特征量的權(quán)重，則某個(gè)時(shí)刻的加權(quán)之和S為：

為防止權(quán)值溢出而導(dǎo)致無意義，需添加一定的限制：

由于變量單位的差異會(huì)影響主成分分析結(jié)果，在計(jì)算主成分變量前，應(yīng)先統(tǒng)一量綱，即先把各變量數(shù)據(jù)做歸一化處理。

正常情況下，大負(fù)荷投切會(huì)造成配電線路的波動(dòng)，但區(qū)別于系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓、局部放電等情況，雖然線路上會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)信號(hào)，產(chǎn)生大量的高頻諧波、偶次諧波、電壓暫態(tài)等電能質(zhì)量異常數(shù)據(jù)，但系統(tǒng)的有功功率、無功功率會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)。從各場景實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析來看，隱患值超過一定值和頻度后，線路存在隱患風(fēng)險(xiǎn)很高，通過排查線路確有實(shí)際的隱患源，驗(yàn)證了算法的有效性。

3 線路隱患識(shí)別系統(tǒng)

3.1 隱患識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)在物理上劃分為三個(gè)層次，自頂向下依次是應(yīng)用層、平臺(tái)層和感知層。各層結(jié)構(gòu)相對獨(dú)立，功能相對集中，盡量避免程序模塊之間的跨層交互，從根本上保障軟件程序的可維護(hù)性和擴(kuò)展性。

(1) 應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)多端應(yīng)用服務(wù)能力支撐，包括監(jiān)控大屏數(shù)據(jù)展現(xiàn)、巡檢人員及值班人員手機(jī)端監(jiān)控應(yīng)用、電網(wǎng)公司實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。

(2) 平臺(tái)層，線路隱患識(shí)別系統(tǒng)平臺(tái)為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)展現(xiàn)服務(wù)，同時(shí)將前端數(shù)據(jù)采集信息與調(diào)度、運(yùn)檢、配網(wǎng)等業(yè)務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)貫通。

(3) 感知層，以工業(yè)級(jí)高速微處理器為核心，實(shí)現(xiàn)對線路電參數(shù)高精度無縫采集，分析三相電壓、電流諧波、電壓暫態(tài)、閃變、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、事件記錄等功能[2]。

3.2 隱患識(shí)別系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信方式

隱患識(shí)別前端采集裝置，通過硬結(jié)點(diǎn)將電流、電壓、隱患值等遙測信號(hào)傳輸?shù)骄哂蠷TU功能的測控裝置，采用國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，配置簡單，測控裝置與配電加密盒相連，然后將配電加密盒接入ONU，再通過光纖將信號(hào)經(jīng)OLT傳至服務(wù)器，隱患監(jiān)測模塊直接嵌入到配電自動(dòng)化系統(tǒng)中。在主站端，配電自動(dòng)化系統(tǒng)將采集到的隱患數(shù)據(jù)以故障指示器的方式顯示在線路上。

3.3 案例分析

3．3．1 楊樹橋臺(tái)區(qū)漏保動(dòng)作預(yù)警

配電臺(tái)區(qū)線路隱患識(shí)別系統(tǒng)自2019-12-10投入試運(yùn)行后，楊樹橋臺(tái)區(qū)2號(hào)出線一直不斷有隱患告警信息產(chǎn)生。

隱患數(shù)據(jù)是由主成分?jǐn)?shù)據(jù)量化而成的一個(gè)綜合性系數(shù)，主要是為方便運(yùn)維人員辨識(shí)所用。對楊樹橋臺(tái)區(qū)2號(hào)出線運(yùn)行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，相較于B，C相，A相一直存在有預(yù)警信息（見圖2）。從運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，如果隱患系數(shù)超過1．0，線路上就會(huì)有潛在的隱患。

圖2 楊樹橋臺(tái)區(qū)2020-04-09隱患數(shù)據(jù)

針對楊樹橋臺(tái)區(qū)2號(hào)出線的預(yù)警信息，通過與現(xiàn)場運(yùn)維人員溝通，該臺(tái)區(qū)配變每月會(huì)有1～2次漏保跳閘事故出現(xiàn)。由于預(yù)警信息出現(xiàn)在A相，分析A相負(fù)載，發(fā)現(xiàn)附近有一廢品回收站，每次站里廢品打包機(jī)工作時(shí)，就有隱患預(yù)警信息出現(xiàn)。調(diào)取以往配變監(jiān)測運(yùn)行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)每次打包機(jī)啟動(dòng)且A相此刻其他負(fù)載較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)漏保跳閘事故。通過為打包機(jī)加裝特殊開關(guān)和漏保裝置，楊樹橋臺(tái)區(qū)變壓器出線漏保跳閘事故沒有再次發(fā)生。

3．3．2 高峰頭臺(tái)區(qū)線路接頭松動(dòng)預(yù)警

高峰頭臺(tái)區(qū)2號(hào)出線B相經(jīng)常出現(xiàn)較大的隱患預(yù)警信號(hào)(見圖3)，經(jīng)與臺(tái)區(qū)配變管理員溝通，檢查配變JP柜發(fā)現(xiàn)，開關(guān)B相電纜接頭連接處有明顯局部放電痕跡。

圖3 高峰頭臺(tái)區(qū)2020-05-13隱患數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

(1) 以上提出的線路隱患識(shí)別監(jiān)測技術(shù)可以運(yùn)用于配電臺(tái)區(qū)供配電系統(tǒng)中，具有創(chuàng)新性的絕緣老化、接頭松動(dòng)、過電壓、諧振等安全隱患監(jiān)測預(yù)警功能。

(2) 通過部署該裝置可以在一個(gè)較大的區(qū)域內(nèi)形成一個(gè)智能的線路隱患識(shí)別系統(tǒng)，提高配電網(wǎng)安全運(yùn)行能力，符合國家對智能電網(wǎng)的要求和全球智能電網(wǎng)發(fā)展的潮流。

(3) 通過應(yīng)用層提醒用戶對線路及設(shè)備進(jìn)行故障排查、安全隱患檢查，實(shí)現(xiàn)故障就地診斷、定位信息上傳、精準(zhǔn)主動(dòng)搶修目的，做到實(shí)際意義上的“防微杜漸”，符合電網(wǎng)安全運(yùn)行的技術(shù)原則。