基于級聯(lián)架構(gòu)的配電網(wǎng)非接觸式帶電檢測系統(tǒng)

周文鶴，王國駒，邢益弟，蘇志剛，潘圖

（海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司海南輸變電檢修分公司，海南?？?570312）

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，它擔(dān)負(fù)著為用戶提供電能的重要任務(wù)。近年來，隨著配電網(wǎng)自動化水平的提高，對配電網(wǎng)的要求也日益提高，使得配電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性成為人們普遍關(guān)心的問題。傳統(tǒng)定期巡檢和計劃停機(jī)檢修的管理方式已經(jīng)無法適應(yīng)電力系統(tǒng)可靠性管理的需要。隨著帶電檢測技術(shù)的發(fā)展，各種帶電檢測技術(shù)在不同電力裝置檢測領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛應(yīng)用。配電網(wǎng)電壓和電流采集精準(zhǔn)性、可靠性是保證配電網(wǎng)安全、可靠的前提，也是維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)。因此，采用高效安全的測量手段，可以有效地提升設(shè)備的維修和供電質(zhì)量。目前提出了基于電抗器電壓暫態(tài)特性的檢測方法，該方法通過構(gòu)建柔性配電網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型，分析輻射狀配電網(wǎng)的電壓電流特性，對于區(qū)內(nèi)外的電壓電流進(jìn)行檢測，并通過安裝在線路首端的電抗器電壓是否小于0 來判斷是否存在異常[1]；也有學(xué)者提出了基于有向鄰接矩陣的檢測方法，該方法通過構(gòu)建有向鄰接矩陣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)識別模型，將未知拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描述為不確定的有向鄰接矩陣，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)識別，并確定潮流方向，達(dá)到配電網(wǎng)檢測的目標(biāo)[2]。使用上述兩種方法無法對多個客戶端的配電信息進(jìn)行同時檢測，為此，設(shè)計了基于級聯(lián)架構(gòu)的配電網(wǎng)非接觸式帶電檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

在配電網(wǎng)非接觸式帶電檢測系統(tǒng)中，流媒體服務(wù)器采用了分布式的結(jié)構(gòu)，通過在各個層次上配置流媒體服務(wù)器來保證本地的數(shù)據(jù)的高效傳輸，從而有效地減少網(wǎng)絡(luò)的帶寬壓力[3]?；诩壜?lián)架構(gòu)的配電網(wǎng)非接觸式帶電檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

如圖1 所示，中央管理服務(wù)器為流媒體業(yè)務(wù)提供接入接口，對流媒體的系統(tǒng)配置進(jìn)行管理，并通過級聯(lián)邏輯對其他流媒體業(yè)務(wù)進(jìn)行調(diào)度[4]。

1.1 非接觸式電壓、電流傳感器

在配電網(wǎng)絡(luò)中，電壓、電流檢測是電力系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)的電壓、電流傳感器具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、造價高、存在鐵磁性等特點(diǎn)，其必須與電力線相連接，只有當(dāng)電源處于穩(wěn)定狀態(tài)時，才能進(jìn)行電壓和電流傳輸[5-6]。為了解決該問題，設(shè)計了一種非接觸式電壓、電流傳感器，如圖2 所示。

由圖2 可知，在電力系統(tǒng)中，通過對電力系統(tǒng)中電勢的檢測，并對其進(jìn)行反向計算，可以得出輸電線路的電壓值。該傳感器是一種由多個微分元件構(gòu)成的感應(yīng)式感應(yīng)陣列，用以捕獲較高的微弱磁場信號[7]。這種傳感器體積小、安裝方便，不存在飽和問題，僅從電網(wǎng)中獲取信號，極少吸收電能，可與自動保護(hù)技術(shù)相結(jié)合，滿足微機(jī)保護(hù)的要求[8-9]。

1.2 檢測模組

在配電網(wǎng)絡(luò)中，每個相、地之間存在一種分布電容，因此在安裝電容式檢測模組時需要保持一定距離，保證相地之間不存在干擾[10]。該檢測模塊利用電壓對配電網(wǎng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行判定，一旦出現(xiàn)異常，則由該模組生成警報信號，并將警報信號經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器[11]。圖3 所示為檢測模組結(jié)構(gòu)。

圖3 檢測模組結(jié)構(gòu)

當(dāng)安裝檢測模組后，工作人員會進(jìn)行地理位置登記，云服務(wù)器可以與GIS 系統(tǒng)相結(jié)合，直觀、實(shí)時地顯示該配電網(wǎng)的實(shí)時狀況[12]。

1.3 非接觸式故障指示器

將感應(yīng)電壓信號通過電場感應(yīng)芯片輸入到信號調(diào)理單元，再由MCU 芯片對信號進(jìn)行處理，以準(zhǔn)確識別不同線路狀態(tài)[13]。同時，該線路還采用了非接觸式故障指示器，可滿足帶電工作的需要，確保配電網(wǎng)絡(luò)的正常工作。

非接觸式故障指示器的電場感應(yīng)板是用一片黃銅制作而成的，這種制作方式能很好地解決非接觸式測量中的取樣精度問題[14]。在配電網(wǎng)中出現(xiàn)異常情況時，能迅速、準(zhǔn)確地觸發(fā)錄波，并能完整地記錄故障過程，還能對配電網(wǎng)故障進(jìn)行及時、準(zhǔn)確地診斷與報告。

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

通過對處理器輸入/輸出插頭的控制，將開/關(guān)命令發(fā)送到切換裝置，使得充電電容器在循環(huán)中進(jìn)行充放電[15]。在切換裝置處于關(guān)閉狀態(tài)時，該整流器對充電電容器進(jìn)行充電，此時充電電容兩端的電壓U0不斷升高。充電電容兩端的電壓計算公式為：

式中，f表示電流頻率；C表示電容容量。充電電容的正極與比較器的正輸入相連，比較器通過第一電阻器與電源正極相連，利用第一電阻獲得閾值電壓[16-19]U′。閾值電壓指的是輸電線路中半導(dǎo)體表面開始出現(xiàn)強(qiáng)烈反應(yīng)所需的柵電壓，該電壓主要是由三個部分組成，分別是平帶電壓UFB、表面勢電壓UE、附加電壓UH。基于此，計算電壓閾值，如式（2）所示：

式中，平帶電壓是用來抵消輸電線路半導(dǎo)體和有效界面電荷影響所產(chǎn)生的柵電壓。

當(dāng)充電電容的電壓值U0大于閾值電壓U′時，向比較器的輸出端輸出高電平，處理器的采集端口捕捉到了高電平的信號。這時，處理器的定時模塊就能計算出充電電容電壓從0 增加到閾值電壓U′情況下的充電時間Δt，根據(jù)充電時間Δt判斷配電網(wǎng)線路的帶電狀態(tài)。判斷標(biāo)準(zhǔn)如下：

若充電時間Δt＜T1時，則可判定線路正常；若充電時間T1≤Δt＜T2時，則可判定線路電壓下降；若充電時間T2≤Δt＜T3時，則可判定該線路是中斷的。

步驟四：依據(jù)充電時間來判斷配電網(wǎng)是否存在異常情況，需要計算單相合閘初始時刻與射頻信號之間的時間差。設(shè)初始時間為0，斷路器動觸頭開始向靜觸頭運(yùn)動后，動、靜觸頭之間的電壓可表示為：

式中，t表示時間；?表示初始時刻相電壓的初相角；ω表示角頻率。斷路器動觸頭開始向動觸頭運(yùn)動后，動、靜觸頭之間的擊穿電壓可表示為：

式中，v表示動觸頭運(yùn)動速度；d表示初始時刻動觸頭間距；u表示擊穿電壓。當(dāng)U1>U2時，動靜觸頭被擊穿，此時產(chǎn)生了射頻電磁波信號，說明配電網(wǎng)線路存在異常。將異常信號轉(zhuǎn)換為告警信號后發(fā)送至云端服務(wù)器進(jìn)行處理。

3 實(shí) 驗

3.1 實(shí)驗裝置

在實(shí)驗室中設(shè)置了一個實(shí)驗平臺，該平臺與一個標(biāo)準(zhǔn)的傳感裝置平行，面向受測者，與聲源相距1 m。被測設(shè)備連接了電源，開始進(jìn)行實(shí)驗，信號發(fā)生器向聲源輸出一組20～60 kHz 的正弦波信號。超聲波實(shí)驗連線圖如圖4所示。

圖4 超聲波實(shí)驗接線圖

在實(shí)驗過程中，信號產(chǎn)生器將輸出的正弦波的頻率設(shè)定為40 kHz，調(diào)節(jié)輸出振幅，使被測裝置的探測值接近全范圍，同時記錄輸出的峰值電壓。然后按順序減小振幅，并將實(shí)驗裝置的測試結(jié)果記錄下來。

3.2 實(shí)驗指標(biāo)

根據(jù)圖5 所示的實(shí)驗裝置，計算各個測量點(diǎn)的誤差，公式為：

式中，Sκ表示被測試線路的輸出值；κ表示誤差系數(shù)；S表示被測試線路最大輸出值。通過該公式，能夠獲取測量的精準(zhǔn)誤差。

3.3 實(shí)驗結(jié)果與分析

為了驗證基于級聯(lián)架構(gòu)的配電網(wǎng)非接觸式帶電檢測系統(tǒng)的可行性，在實(shí)驗中對基于電抗器電壓暫態(tài)特性的檢測方法、基于有向鄰接矩陣的檢測方法和基于級聯(lián)架構(gòu)的帶電方法進(jìn)行實(shí)驗驗證分析。

使用一根1.2 GHz 的錐形天線，帶寬為6 GHz，以斷路器電弧信號到達(dá)天線的時間差為研究對象，測得的斷路器三相不同期電壓如圖5 所示。

由圖5 可知，使用基于電抗器電壓暫態(tài)特性的檢測方法，A相電壓在時間為4.0～6.0 ms 內(nèi)出現(xiàn)了最大電壓誤差，與預(yù)期檢測結(jié)果相差0.7 V。在時間為10.0～14.0 ms 內(nèi)出現(xiàn)了最大電壓誤差，與預(yù)期檢測結(jié)果相差0.2 V；B相電壓在時間為4.0～6.0 ms 內(nèi)，出現(xiàn)了最大電壓誤差，與預(yù)期檢測結(jié)果相差1.3 V；C相電壓與預(yù)期檢測結(jié)果一致。

使用基于有向鄰接矩陣的檢測方法，A相電壓在時間為6.0～14.0 ms內(nèi)出現(xiàn)了最大電壓誤差，與預(yù)期檢測結(jié)果相差0.3 V；B相電壓在時間為2.0～4.0 ms 內(nèi)出現(xiàn)了最大電壓誤差，與預(yù)期檢測結(jié)果相差1.1 V；C相電壓在時間為2.0～4.0 ms 內(nèi)出現(xiàn)了最大電壓誤差，與預(yù)期檢測結(jié)果相差0.6 V。

使用基于級聯(lián)架構(gòu)的配電網(wǎng)非接觸式帶電檢測系統(tǒng)，B相電壓在時間為4.0～6.0 ms 內(nèi)出現(xiàn)了最大電壓誤差，與預(yù)期檢測結(jié)果相差1.0 V，其余均一致。

所以，基于級聯(lián)架構(gòu)的配電網(wǎng)非接觸式帶電檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果與預(yù)期檢測結(jié)果最接近，檢測精度更高。

圖5 不同方法檢測的三相不同期電壓結(jié)果

4 結(jié)束語

該文采用級聯(lián)架構(gòu)設(shè)計配電網(wǎng)非接觸式帶電檢測系統(tǒng)，以適應(yīng)配電網(wǎng)的實(shí)時檢測要求。采用級聯(lián)架構(gòu)將媒體數(shù)據(jù)從最底層傳輸?shù)礁呒墑e的平臺，從而降低了主干網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷，達(dá)到了多個目標(biāo)同時檢測的目的。該系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)對輸電線路的穩(wěn)態(tài)檢測，也可以對輸電線路進(jìn)行瞬態(tài)檢測。實(shí)驗證明，該系統(tǒng)檢測結(jié)果與預(yù)期檢測結(jié)果最接近，說明該系統(tǒng)檢測精度更高。