周文鶴，王國(guó)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(lái)，隨著配電網(wǎng)自動(dòng)化水平的提高，對(duì)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(wèn)題。傳統(tǒng)定期巡檢和計(jì)劃停機(jī)檢修的管理方式已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)電力系統(tǒng)可靠性管理的需要。隨著帶電檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，各種帶電檢測(cè)技術(shù)在不同電力裝置檢測(cè)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(cè)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(cè)方法，該方法通過(guò)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(duì)于區(qū)內(nèi)外的電壓電流進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)安裝在線路首端的電抗器電壓是否小于0 來(lái)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(cè)方法，該方法通過(guò)構(gòu)建有向鄰接矩陣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)識(shí)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(shí)別，并確定潮流方向，達(dá)到配電網(wǎng)檢測(cè)的目標(biāo)[2]。使用上述兩種方法無(wú)法對(duì)多個(gè)客戶端的配電信息進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)，為此，設(shè)計(jì)了基于級(jí)聯(lián)架構(gòu)的配電網(wǎng)非接觸式帶電檢測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在配電網(wǎng)非接觸式帶電檢測(cè)系統(tǒng)中，流媒體服務(wù)器采用了分布式的結(jié)構(gòu)，通過(guò)在各個(gè)層次上配置流媒體服務(wù)器來(lái)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?jí)聯(lián)架構(gòu)的配電網(wǎng)非接觸式帶電檢測(cè)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(duì)流媒體的系統(tǒng)配置進(jìn)行管理，并通過(guò)級(jí)聯(lián)邏輯對(duì)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(cè)是電力系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(jià)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(shí)，才能進(jìn)行電壓和電流傳輸[5-6]。為了解決該問(wèn)題，設(shè)計(jì)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(guò)對(duì)電力系統(tǒng)中電勢(shì)的檢測(cè)，并對(duì)其進(jìn)行反向計(jì)算，可以得出輸電線路的電壓值。該傳感器是一種由多個(gè)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(chǎng)信號(hào)[7]。這種傳感器體積小、安裝方便，不存在飽和問(wèn)題，僅從電網(wǎng)中獲取信號(hào)，極少吸收電能，可與自動(dòng)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(cè)模組

在配電網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)相、地之間存在一種分布電容，因此在安裝電容式檢測(cè)模組時(shí)需要保持一定距離，保證相地之間不存在干擾[10]。該檢測(cè)模塊利用電壓對(duì)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(bào)信號(hào)，并將警報(bào)信號(hào)經(jīng)由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器[11]。圖3 所示為檢測(cè)模組結(jié)構(gòu)。

圖3 檢測(cè)模組結(jié)構(gòu)

當(dāng)安裝檢測(cè)模組后，工作人員會(huì)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(shí)地顯示該配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)狀況[12]。

1.3 非接觸式故障指示器

將感應(yīng)電壓信號(hào)通過(guò)電場(chǎng)感應(yīng)芯片輸入到信號(hào)調(diào)理單元，再由MCU 芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，以準(zhǔn)確識(shí)別不同線路狀態(tài)[13]。同時(shí)，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(chǎng)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(cè)量中的取樣精度問(wèn)題[14]。在配電網(wǎng)中出現(xiàn)異常情況時(shí)，能迅速、準(zhǔn)確地觸發(fā)錄波，并能完整地記錄故障過(guò)程，還能對(duì)配電網(wǎng)故障進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確地診斷與報(bào)告。

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)處理器輸入/輸出插頭的控制，將開(kāi)/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(shí)，該整流器對(duì)充電電容器進(jìn)行充電，此時(shí)充電電容兩端的電壓U0不斷升高。充電電容兩端的電壓計(jì)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(guò)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(kāi)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(gè)部分組成，分別是平帶電壓UFB、表面勢(shì)電壓UE、附加電壓UH。基于此，計(jì)算電壓閾值，如式（2）所示：

式中，平帶電壓是用來(lái)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(shí)，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(hào)。這時(shí)，處理器的定時(shí)模塊就能計(jì)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(shí)間Δt，根據(jù)充電時(shí)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(shí)間Δt＜T1時(shí)，則可判定線路正常；若充電時(shí)間T1≤Δt＜T2時(shí)，則可判定線路電壓下降；若充電時(shí)間T2≤Δt＜T3時(shí)，則可判定該線路是中斷的。

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

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

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

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)置了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的傳感裝置平行，面向受測(cè)者，與聲源相距1 m。被測(cè)設(shè)備連接了電源，開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，信號(hào)發(fā)生器向聲源輸出一組20～60 kHz 的正弦波信號(hào)。超聲波實(shí)驗(yàn)連線圖如圖4所示。

圖4 超聲波實(shí)驗(yàn)接線圖

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，信號(hào)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(cè)裝置的探測(cè)值接近全范圍，同時(shí)記錄輸出的峰值電壓。然后按順序減小振幅，并將實(shí)驗(yàn)裝置的測(cè)試結(jié)果記錄下來(lái)。

3.2 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)

根據(jù)圖5 所示的實(shí)驗(yàn)裝置，計(jì)算各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的誤差，公式為：

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

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證基于級(jí)聯(lián)架構(gòu)的配電網(wǎng)非接觸式帶電檢測(cè)系統(tǒng)的可行性，在實(shí)驗(yàn)中對(duì)基于電抗器電壓暫態(tài)特性的檢測(cè)方法、基于有向鄰接矩陣的檢測(cè)方法和基于級(jí)聯(lián)架構(gòu)的帶電方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(hào)到達(dá)天線的時(shí)間差為研究對(duì)象，測(cè)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(cè)方法，A相電壓在時(shí)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(cè)結(jié)果相差0.7 V。在時(shí)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(cè)結(jié)果相差0.2 V；B相電壓在時(shí)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(cè)結(jié)果相差1.3 V；C相電壓與預(yù)期檢測(cè)結(jié)果一致。

使用基于有向鄰接矩陣的檢測(cè)方法，A相電壓在時(shí)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(cè)結(jié)果相差0.3 V；B相電壓在時(shí)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(cè)結(jié)果相差1.1 V；C相電壓在時(shí)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(cè)結(jié)果相差0.6 V。

使用基于級(jí)聯(lián)架構(gòu)的配電網(wǎng)非接觸式帶電檢測(cè)系統(tǒng)，B相電壓在時(shí)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(cè)結(jié)果相差1.0 V，其余均一致。

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

圖5 不同方法檢測(cè)的三相不同期電壓結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

該文采用級(jí)聯(lián)架構(gòu)設(shè)計(jì)配電網(wǎng)非接觸式帶電檢測(cè)系統(tǒng)，以適應(yīng)配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)要求。采用級(jí)聯(lián)架構(gòu)將媒體數(shù)據(jù)從最底層傳輸?shù)礁呒?jí)別的平臺(tái)，從而降低了主干網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷，達(dá)到了多個(gè)目標(biāo)同時(shí)檢測(cè)的目的。該系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路的穩(wěn)態(tài)檢測(cè)，也可以對(duì)輸電線路進(jìn)行瞬態(tài)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果與預(yù)期檢測(cè)結(jié)果最接近，說(shuō)明該系統(tǒng)檢測(cè)精度更高。