王 偉，張軼夫，韓春城，王偉達(dá)

（國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司超高壓公司，長(zhǎng)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(yùn)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(shí)，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(yùn)行安全，有必要對(duì)雷電流進(jìn)行在線跟蹤監(jiān)測(cè)。

目前發(fā)展較為成熟的雷電流監(jiān)測(cè)方法主要有磁帶法、雷電定位系統(tǒng)等，磁帶監(jiān)測(cè)法是根據(jù)雷電流經(jīng)導(dǎo)線時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)來消除磁帶上的記錄，根據(jù)磁帶上被擦除的參考信號(hào)的長(zhǎng)度，就可以計(jì)算出雷電流幅值，而對(duì)雷電定位的雷電檢測(cè)則是采用GPS獲取雷電點(diǎn)與探測(cè)站之間的時(shí)間之差，再根據(jù)時(shí)間的差異來確定閃電點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)而得出雷電流的監(jiān)測(cè)結(jié)果[1]。然而在實(shí)際應(yīng)用中，上述雷電流監(jiān)測(cè)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?，?huì)產(chǎn)生大量的電力損耗、耦合以及磁場(chǎng)干擾，使得雷電流監(jiān)測(cè)結(jié)果并非實(shí)際數(shù)據(jù)，很難對(duì)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(cè)性能，保證高壓輸電線路的防雷能力，在傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的基礎(chǔ)上引入云計(jì)算技術(shù)，云計(jì)算技術(shù)是一種將計(jì)算任務(wù)分散到資源池中，滿足用戶的需求獲取計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間的技術(shù)。將云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用到高壓輸電線路雷電流自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dòng)監(jiān)測(cè)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(duì)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(shí)際運(yùn)行過程，需對(duì)線路中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)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(jì)算如式(3)所示：

其中σi為輸電波阻抗，dline為輸電線路長(zhǎng)度。由于輸電線路中各個(gè)相的傳輸線是互相耦合的，所以在矩陣中的各個(gè)單元均不為0。此時(shí)可以將傳輸線方程的矩陣轉(zhuǎn)換成對(duì)角陣，將矩陣方程分解成若干個(gè)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(cè)點(diǎn)

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(gè)雷電流監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在輸電線路與接地節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置多個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)之間的間隔距離均為20m。高壓輸電線路雷電流的監(jiān)測(cè)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(duì)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(hào)。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(jì)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(jì)的雷電流傳感器設(shè)備安裝在設(shè)置的測(cè)點(diǎn)位置上，完成高壓輸電線路雷電流監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)工作。

1.3 利用云計(jì)算技術(shù)自動(dòng)識(shí)別電流類型

監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(dòng)監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度，利用云計(jì)算技術(shù)識(shí)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(duì)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(shí)的運(yùn)行電流值[4]。從高壓輸電線路管理數(shù)據(jù)庫中，利用云計(jì)算技術(shù)調(diào)取雷電流數(shù)據(jù)，作為電流類型的識(shí)別對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)。圖3表示的利用云計(jì)算技術(shù)調(diào)取雷電流數(shù)據(jù)流程。

圖3 云計(jì)算技術(shù)下雷電流數(shù)據(jù)調(diào)取時(shí)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(jì)算結(jié)果Iinstan(τ)表示的是τ時(shí)刻的雷電流瞬時(shí)值。利用式(8)計(jì)算傳感器實(shí)時(shí)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(jì)算結(jié)果高于閾值 0?，證明當(dāng)前測(cè)點(diǎn)位置上監(jiān)測(cè)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(cè)指數(shù)

為反映出高壓輸電線路雷電流的實(shí)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(cè)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(shí)間內(nèi)平均電流的大小，計(jì)算如(9)所示：

式(9)中Tsampling為測(cè)點(diǎn)位置上傳感器設(shè)備設(shè)置的采樣周期，將雷電流的瞬時(shí)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(jì)算結(jié)果[5]。另外電流量指的是單位時(shí)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(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的計(jì)算如式(10)所示：

其中t為高壓輸電線路監(jiān)測(cè)的總時(shí)長(zhǎng)，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(cè)指數(shù)的量化計(jì)算結(jié)果。

1.5 實(shí)現(xiàn)高壓輸電線路雷電流自動(dòng)監(jiān)測(cè)

優(yōu)化設(shè)計(jì)高壓輸電線路雷電流自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法的最終監(jiān)測(cè)結(jié)果以可視化的形式進(jìn)行輸出，計(jì)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(cè)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(cè)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(dòng)生成對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)波形。最終將包含各個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)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(dòng)監(jiān)測(cè)工作。

2 監(jiān)測(cè)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)分析

以測(cè)試基于云計(jì)算的高壓輸電線路雷電流自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)性能為目的，選擇多個(gè)高壓輸電線路為研究對(duì)象，采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式設(shè)計(jì)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，通過與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的對(duì)比，驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的監(jiān)測(cè)性能優(yōu)勢(shì)。

2.1 搭建云計(jì)算平臺(tái)環(huán)境

由于優(yōu)化設(shè)計(jì)的高壓輸電線路雷電流自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用了云計(jì)算技術(shù)，為了保證該技術(shù)能夠在實(shí)驗(yàn)過程中正常運(yùn)行，需搭建云計(jì)算平臺(tái)。Spark作為一種快速、易用、通用、高效整合Hadoop優(yōu)勢(shì)的輕型大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，Spark能夠兼容Hadoop架構(gòu)，因此選擇Spark云計(jì)算平臺(tái)作為云計(jì)算技術(shù)的運(yùn)行平臺(tái)。運(yùn)用Spark進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(shí)，首先要對(duì)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(shí)驗(yàn)環(huán)境中，構(gòu)建了由16個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的Hadoop集群，標(biāo)記每個(gè)節(jié)點(diǎn)的機(jī)器名和IP地址數(shù)據(jù)，同時(shí)配置一個(gè)Inteli3CPU@2.40GHz,64GB的存儲(chǔ)空間。Hadoop和HBase版本分別是2.6.5和1.4.1。將云計(jì)算平臺(tái)中的任意節(jié)點(diǎn)Master上的Hadoop文件夾拷貝到相應(yīng)的slave節(jié)點(diǎn)，然后在Master節(jié)點(diǎn)上啟動(dòng)Hadoop，由此測(cè)試Hadoop集群是否配置成功。

2.2 選擇高壓輸電線路監(jiān)測(cè)對(duì)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(duì)象，其中220kV輸電線路長(zhǎng)度為13626km，500kV輸電線路的長(zhǎng)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(hào)，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(jì)，選擇的高壓輸電線路監(jiān)測(cè)對(duì)象發(fā)生雷擊事故的頻率約為33起/年，具有較高的監(jiān)測(cè)價(jià)值。將選擇的高壓輸電線路監(jiān)測(cè)對(duì)象接入到相同的發(fā)電設(shè)備上，通過對(duì)發(fā)電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置與控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路運(yùn)行狀態(tài)的控制，并測(cè)得正常狀態(tài)下輸電線路的運(yùn)行電流值，用來作為判定電流類型的比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 安裝高壓輸電線路監(jiān)測(cè)設(shè)備

高壓輸電線路雷電流自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法要求能夠測(cè)量95%以上的雷電，因此需要將設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)設(shè)備的安裝分布情況。

圖4 高壓輸電線路雷電流監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

如果監(jiān)測(cè)傳感器安裝在單相輸電線路上，測(cè)量的數(shù)據(jù)即為單相線路的雷電流。在雷擊發(fā)生時(shí)，兩根并排的電線之間必然會(huì)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(cè)傳感器接入到云計(jì)算平臺(tái)中，保證實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)試實(shí)驗(yàn)過程

收集高壓輸電線路監(jiān)測(cè)對(duì)象的雷擊事故數(shù)據(jù)，以此作為檢測(cè)雷電流數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)精度的對(duì)比數(shù)據(jù)。設(shè)置雷電流的監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔為0.5s，連續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)為12h。同時(shí)啟動(dòng)雷電流自動(dòng)監(jiān)測(cè)程序和云計(jì)算程序，得出雷擊災(zāi)害下高壓輸電線路的雷電流監(jiān)測(cè)結(jié)果，如圖5所示。

圖5 高壓輸電線路雷電流監(jiān)測(cè)結(jié)果

為了體現(xiàn)雷電流自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法在性能方面的優(yōu)勢(shì)，設(shè)置傳統(tǒng)的基于暫態(tài)波形特征的雷電流自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法作為實(shí)驗(yàn)的對(duì)比方法，按照上述流程得出對(duì)比方法的雷電流監(jiān)測(cè)結(jié)果。

2.5 設(shè)置監(jiān)測(cè)性能量化測(cè)試指標(biāo)

此次實(shí)驗(yàn)分別從高壓輸電線路雷電流的監(jiān)測(cè)精度和監(jiān)測(cè)范圍兩個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置雷電流量監(jiān)測(cè)誤差和雷電流幅值監(jiān)測(cè)誤差作為監(jiān)測(cè)精度的量化測(cè)試指標(biāo)，上述測(cè)試測(cè)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(cè)值和實(shí)際值，而A0,monitor和A0,actual對(duì)應(yīng)的是雷電流幅值的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)。最終計(jì)算得出σtotal和σamplitude的值越小，說明監(jiān)測(cè)結(jié)果越逼近輸電線路的真實(shí)情況，即監(jiān)測(cè)方法的精度性能越優(yōu)。另外監(jiān)測(cè)范圍設(shè)置的量化測(cè)試指標(biāo)為監(jiān)測(cè)面積，其數(shù)值結(jié)果為：

式(13)中(x0,i,y0,i)和(xfar,i,yfar,i)對(duì)應(yīng)的是第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)及其能夠監(jiān)測(cè)到最遠(yuǎn)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，np為高壓輸電線路上設(shè)置的測(cè)點(diǎn)數(shù)量，φcoin為測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)范圍之間的重合面積。最終計(jì)算得出φ指標(biāo)的值越大，證明對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)范圍越大。

2.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

統(tǒng)計(jì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的雷電流數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果與收集的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，得出反映方法監(jiān)測(cè)精度性能的測(cè)試結(jié)果，如表1所示。

表1 高壓輸電線路雷電流監(jiān)測(cè)精度測(cè)試數(shù)據(jù)表

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

圖6 高壓輸電線路雷電流監(jiān)測(cè)范圍測(cè)試結(jié)果

從圖6中可以直觀的看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)雷電流監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)范圍明顯大于傳統(tǒng)方法的監(jiān)測(cè)范圍，通過公式13的計(jì)算可以得出兩種方法的監(jiān)測(cè)范圍分別為800.84m2和2029.00m2。綜上所述，優(yōu)化設(shè)計(jì)的基于云計(jì)算的高壓輸電線路雷電流自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法在保證監(jiān)測(cè)精度的同時(shí)，擴(kuò)大了監(jiān)測(cè)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(duì)線路產(chǎn)生的負(fù)面影響，設(shè)計(jì)并開發(fā)了高壓輸電線路雷電流自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(jì)算技術(shù)的應(yīng)用，為輸電線路中電流類型的識(shí)別提供技術(shù)支持的同時(shí)，也加快了輸電線路雷電流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的更新速度。而優(yōu)化設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)方法需要多個(gè)電流傳感器接入到云計(jì)算環(huán)境中，運(yùn)行成本較高，針對(duì)這一問題還需要在今后的研究工作中進(jìn)一步優(yōu)化。