王 瓏 尹志翔 王 琦 尚 鈺 劉戰(zhàn)軍

（大唐山西新能源公司）

0 引言

現(xiàn)階段，以風(fēng)力發(fā)電為首的清潔能源正得到穩(wěn)定發(fā)展，我國正逐步實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，風(fēng)電場集電線路正朝向高速度、高集中的趨勢(shì)發(fā)展，同時(shí)風(fēng)能并網(wǎng)由傳統(tǒng)的平價(jià)上網(wǎng)逐漸演變成競價(jià)上網(wǎng)，風(fēng)力發(fā)電等清潔能源占我國國民用電比例越來越高，因此風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定性也越來越重要［1］。

大部分情況下，風(fēng)電場集電線路都是在選定了風(fēng)電場地址后圍繞風(fēng)機(jī)進(jìn)行鋪設(shè)，其線路不免要經(jīng)過山川、湖泊等環(huán)境，為適應(yīng)現(xiàn)場復(fù)雜多變的氣候，風(fēng)電場集電線路多采用電纜架空混架進(jìn)行鋪設(shè)。線路常年暴露于自然環(huán)境中，受到雨水侵蝕、雷暴等自然惡劣天氣影響，線路故障頻發(fā)。線路承載著國民生活、生產(chǎn)、學(xué)習(xí)等重要任務(wù)，一旦發(fā)生故障，若處理不當(dāng)則會(huì)對(duì)國民經(jīng)濟(jì)造成不可估量的損失，因此保證風(fēng)電場集電線路的穩(wěn)定運(yùn)行成為了競價(jià)上網(wǎng)的先決條件。當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，快速實(shí)現(xiàn)集電線路故障排查并恢復(fù)線路供電成為了重要研究內(nèi)容［2-3］。本文從風(fēng)電場集電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的角度出發(fā)，講述了一種風(fēng)電場集電線路一體化故障監(jiān)測(cè)裝置，該裝置通過模塊集成化從而實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場集電線路的故障精確定位。

1 風(fēng)電場集電線路運(yùn)行方式

風(fēng)電場集電線路設(shè)計(jì)是多電源，每一臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候代表一個(gè)電源，當(dāng)線路運(yùn)行時(shí)由風(fēng)機(jī)側(cè)產(chǎn)生電流，通過集電線路匯集每臺(tái)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電流，從而輸入至升壓站。風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行狀態(tài)只能夠產(chǎn)生690V的電壓，通過每臺(tái)風(fēng)機(jī)周圍的箱變升壓至35kV，從而到母線至升壓站進(jìn)行并網(wǎng)，集電線路多采用中性點(diǎn)非有效接地方式運(yùn)行，因此線路可帶故障運(yùn)行一段時(shí)間。而長時(shí)間帶故障運(yùn)行容易導(dǎo)致線路電纜發(fā)生不可逆的擊穿損傷，因此研發(fā)一種適用于風(fēng)電場混架集電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)的裝置勢(shì)在必行［4］。

傳統(tǒng)的風(fēng)電場集電線路發(fā)生故障時(shí)都是通過人工巡線的方式解決排查故障點(diǎn)，而人工巡線排查故障點(diǎn)存在耗時(shí)多、精度低等問題，設(shè)計(jì)的一體化監(jiān)測(cè)裝置工作邏輯圖如圖1所示。

圖1 一體化監(jiān)測(cè)裝置工作邏輯圖

一體化監(jiān)測(cè)裝置判定線路存在異常狀態(tài)的時(shí)候，必須同時(shí)滿足以下2個(gè)條件：（1）線路中采集的工頻電壓處于失壓狀態(tài)；（2）工頻電壓處于失壓的同時(shí)，線路中的工頻電流必須為變化或者失流觸發(fā)。這樣才能判定線路為故障跳閘，如果不是同時(shí)具備，則有可能為風(fēng)機(jī)投切或者其他原因，因此同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，才判定為系統(tǒng)故障跳閘。

2 一體化監(jiān)測(cè)裝置原理

一體化監(jiān)測(cè)裝置顧名思義是指采用模塊化集成的方式來實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場集電線路的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，采用羅氏線圈傳感器對(duì)線路的負(fù)荷電流情況以及故障電流情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用電容串聯(lián)分壓進(jìn)行線路的電壓狀態(tài)量監(jiān)測(cè)［5］。如圖1所示的觸發(fā)邏輯，當(dāng)風(fēng)電場集電線路電壓和電流同時(shí)滿足觸發(fā)條件時(shí)，一體化監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行啟動(dòng)判定，利用風(fēng)電場集電線路采集到的線路中的高頻暫態(tài)行波進(jìn)行線路的故障點(diǎn)診斷，以下分別介紹一體化監(jiān)測(cè)裝置的電流采集情況、電壓采集情況及高頻暫態(tài)行波采集情況。

2.1 工頻電流傳感器

風(fēng)電場集電線路在大部分情況下，基本都是圍繞風(fēng)機(jī)分布鋪設(shè)，一般情況下一條集電線路的總長在40～50km，線路中包含多段電纜架空混架以及多個(gè)風(fēng)機(jī)的情況，因此采用傳感性能良好的羅氏線圈傳感器進(jìn)行線路的電流測(cè)量，同時(shí)羅氏線圈傳感器具有相應(yīng)頻帶寬的特性，因此只需要調(diào)整線圈輸出的變比即可實(shí)現(xiàn)線路工頻電流和行波電流的采集［6］。

風(fēng)電場集電線路發(fā)生故障跳閘時(shí)所產(chǎn)生的行波為高頻分量，研究表明此高頻分量的固有頻率約為10～100kHz，同時(shí)該分量具有衰減快的特性，因此對(duì)于線路電流的采集采用羅氏線圈，羅氏線圈傳感器相應(yīng)頻帶為0.1Hz～1MHz，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場集電線路工頻電流和行波電流的采集，圖2所示為羅氏線圈放大示意圖。

圖2 羅氏線圈示意圖

羅氏線圈傳感器的輸入與輸出特性滿足下式：

式中，e（t）為輸出電壓量；i1（t）為輸入電流量；M為羅氏線圈和風(fēng)電場集電線路之間的電感；L0、R0和r分別為羅氏線圈的自感、羅氏線圈的內(nèi)阻、羅氏線圈與風(fēng)電場集電線路導(dǎo)線之間的積分電阻；i2（t）為自積分回路上的電流。

由于羅氏線圈電纜的阻抗遠(yuǎn)大于自積分回路的阻抗，因此羅氏線圈的輸出與輸入之間的關(guān)系為：

由式（2）可知，采用羅氏線圈進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其輸出量與輸入量展現(xiàn)出明顯的線性特征，同時(shí)只需經(jīng)過變比和濾波回路的處理，即可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場集電線路的工頻電流、行波電流的采集，一體化監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行等效圖如圖3所示。

2.2 工頻電壓傳感器

對(duì)風(fēng)電場集電線路進(jìn)行線路電壓測(cè)量時(shí)不能通過傳統(tǒng)的PT測(cè)量方式進(jìn)行，其一，風(fēng)電場集電線路自身?xiàng)l件不允許；其二，采用站內(nèi)PT方式進(jìn)行測(cè)量，其安裝和操作較為復(fù)雜也不利于進(jìn)行監(jiān)測(cè)裝置傳感器的更換。因此采用串聯(lián)分壓的形式進(jìn)行風(fēng)電場集電線路的電壓測(cè)量［7］。

風(fēng)電場集電線路采用串聯(lián)電容分壓技術(shù)來測(cè)量線路電壓，在一體化監(jiān)測(cè)裝置后加裝電壓極板，線路與電壓極板之間形成了一個(gè)電容，同時(shí)電壓極板與大地之間也形成了一個(gè)電容，兩個(gè)電容串聯(lián)起來形成了電容分壓結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場集電線路的電壓測(cè)量，一體化監(jiān)測(cè)裝置串聯(lián)電容分壓等效示意圖如圖4所示。

圖4 一體化監(jiān)測(cè)裝置串聯(lián)電容分壓等效示意圖

式中，U0為風(fēng)電場集電線路對(duì)地電壓；依照參考文獻(xiàn)可知電容C2遠(yuǎn)大于C1，依據(jù)電容分壓原理可知電壓降分布在電容C1處，因此UC1基本可以認(rèn)定為風(fēng)電場集電線路電壓［8］。

2.3 行波故障測(cè)距原理

行波法故障測(cè)距是指利用風(fēng)電場集電線路在發(fā)生故障跳閘時(shí)，由故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波進(jìn)行定位。本文中提及到的行波法故障測(cè)距手段是指雙端行波法故障測(cè)距，即D行波法故障測(cè)距，其測(cè)距示意圖如圖5所示。

圖5 雙端法測(cè)距過程

其中F點(diǎn)為風(fēng)電場集電線路發(fā)生接地故障點(diǎn)，m、n為一體化監(jiān)測(cè)裝置，t1為故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波到達(dá)一體化監(jiān)測(cè)終端m的波頭時(shí)刻，t2為故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波到達(dá)一體化監(jiān)測(cè)終端n的波頭時(shí)刻，兩一體化監(jiān)測(cè)終端之間的距離為L，則采用雙端行波法故障測(cè)距可得出故障測(cè)距公式，如式（4） ～（6）所示。

3 一體化監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)構(gòu)成

一體化監(jiān)測(cè)裝置主要采用模塊化進(jìn)行集成，各個(gè)模塊之間相互配合共同完成了風(fēng)電場集電線路的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，主要有GPS時(shí)鐘單元、數(shù)據(jù)分析單元、電源單元、傳感器單元、通信單元［9］。同時(shí)配備響應(yīng)軟件進(jìn)行采集的數(shù)據(jù)波形處理，軟件方面包含數(shù)據(jù)處理計(jì)算、濾波處理等，以下為各個(gè)系統(tǒng)之間的配合和處理流程。

3.1 硬件構(gòu)成

GPS時(shí)鐘單元，對(duì)采集的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行授時(shí)，實(shí)現(xiàn)雙模授時(shí)的核心部件為多模GNSS（Global Navigation Satellite System）芯片，因此需要選取性能較好的GNSS芯片實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)時(shí)。芯片采用U-blox芯片，U-blox自主研發(fā)的NEO／LEA-M8T GNSS授時(shí)模塊支持GPS／QZSS、GLONASS、北斗和Galileo全星座衛(wèi)星信號(hào)接收，可提供高完整性的精密授時(shí)服務(wù)，此貼裝模塊能夠產(chǎn)生精確度小于20ns的精密參考時(shí)鐘，保證在雙端定位時(shí)定位時(shí)間差小于1μs。

數(shù)據(jù)分析單元，主要功能為對(duì)一體化監(jiān)測(cè)終端采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、分析、計(jì)算，對(duì)響應(yīng)的工頻、行波進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)一體化監(jiān)測(cè)終端上報(bào)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)大量的錯(cuò)誤時(shí)，進(jìn)行行波波形特征計(jì)算，然后進(jìn)行波形的屏蔽處理，同時(shí)當(dāng)風(fēng)電場集電線路發(fā)生故障跳閘時(shí)，對(duì)線路中存在的故障點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算預(yù)警。

電源單元，電源是整個(gè)一體化監(jiān)測(cè)裝置的基礎(chǔ)，同時(shí)也是系統(tǒng)可靠工作的基本保障。一體化監(jiān)測(cè)裝置長期處于戶外運(yùn)行，不僅要完成數(shù)據(jù)的全方位上傳，還要最大可能地減少設(shè)備電量損耗，因此不能使用常規(guī)電源供電。

一體化監(jiān)測(cè)裝置電源系統(tǒng)采用耦合取電外加超級(jí)電容磷酸鐵鋰電池的組合方式進(jìn)行系統(tǒng)的不間斷供電，這樣即使風(fēng)電場集電線路在發(fā)生故障跳閘重合閘未成功時(shí)，其自帶的電源系統(tǒng)依然能保證裝置穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間，電源系統(tǒng)工作基本原理圖如圖6所示。

圖6 一體化監(jiān)測(cè)裝置電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

傳感器單元主要分為工頻電流、工頻電壓、行波電流傳感器，傳感器之間互不干擾，均采用良好的電磁屏蔽系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)外部信號(hào)的屏蔽，同時(shí)工頻電流傳感器不存在鐵磁飽和現(xiàn)象，工頻電壓傳感器能夠很好地還原風(fēng)電場集電線路電壓變換特性［10］。

由于風(fēng)電場集電線路遠(yuǎn)離市區(qū)，可能處于荒無人煙的偏僻區(qū)域，一般情況下采用GSM／4G／CDMA公共網(wǎng)來遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，其網(wǎng)絡(luò)具有信號(hào)覆蓋面廣、信號(hào)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于信號(hào)強(qiáng)度弱的位置可采用無線數(shù)傳模塊轉(zhuǎn)接到有信號(hào)的地方再進(jìn)行通信，從而保證了無線通信的可靠性，且方便經(jīng)濟(jì)，免維護(hù)。風(fēng)電場集電線路一體化監(jiān)測(cè)裝置通訊圖如圖7所示。

圖7 風(fēng)電場集電線路一體化監(jiān)測(cè)裝置通訊圖

3.2 軟件構(gòu)成

數(shù)據(jù)處理計(jì)算，主要對(duì)一體化監(jiān)測(cè)裝置采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)監(jiān)測(cè)裝置采集到波形后進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，對(duì)采集的波形圖進(jìn)行波形判定，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場集電線路的故障跳閘判定，同時(shí)，當(dāng)判定系統(tǒng)發(fā)生故障跳閘后，對(duì)線路故障點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，最后對(duì)給出的故障點(diǎn)進(jìn)行信息預(yù)警。

濾波處理，對(duì)一體化監(jiān)測(cè)裝置采集的波形進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，提取其波形中存在的特征量參數(shù)，并對(duì)有效參數(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)，根據(jù)特征信息進(jìn)行自動(dòng)處理。

4 結(jié)束語

（1）基于現(xiàn)階段風(fēng)電場集電線路結(jié)構(gòu)與特殊運(yùn)行模式，提出一種適用于風(fēng)電場集電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)的裝置；

（2）一體化監(jiān)測(cè)裝置采用羅氏線圈傳感器進(jìn)行線路的工頻電流、行波電流采集，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場集電線路的電流信號(hào)線性輸出，采用串聯(lián)電容分壓實(shí)現(xiàn)線路電壓采集，采集電壓近似線路電壓；

（3）一體化監(jiān)測(cè)裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊之間相輔相成，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場集電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)。