配電網監測系統應用及發展探討

羅亞明 陳霍興 張俊

摘 要：針對直流輸電系統接地極特點，闡述了部分接地極失效的原因以及故障類型，并對接地極參數監測問題的研究意義進行了分析。對接地極監測方法進行總結，分別從監測方式和監測兩個方面對接地極狀態監測方法和接地極故障判斷進行研究并對其進行詳細的論述，同時探討分析了當前接地極監測的局限性以及存在的問題。最后，根據目前的研究狀況提出了多元監測數據融合的研究建議和后續的故障分析預測方法。

關鍵詞：接地極 參數監測 接地極故障 動態模型 故障分析預測

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）08（a）-0032-02

目前，麗江古城區輸電線路都為地下敷設的電纜輸電線路，電纜的敷設方式為電纜井、電纜溝敷設，電纜溝敷設的電纜再由環網柜連接到各個用電區域，其中各個區域的電纜溝、電纜井也都鋪設在古城地底下，鋪上水泥蓋板后，還要鋪設滿足古城管理規范要求的花紋石板。從實際的麗江古城配電網運行情況上看，由于古城特殊的條件，配電網運維還停留在傳統的運維模式。隨著麗江經濟及旅游業的發展，特別是旅游旺季，麗江日用電需求都明顯增長，最大負荷也會增長，致使在供電過程中配電網關鍵設備出現故障的概率也大大提高。本文重點關注麗江古城地下配電網設施部分和長期在戶外的電氣柜等設備進行在線監測的技術闡述。

然而針對麗江古城內部配電網運行環境與傳統配電網差異極大，所處的環境復雜多變，許多的不確定性因素的影響容易引發接地極阻抗的改變造成接地失效。接地極的接地導體一般為金屬材料并鍍有相應的防腐膜，防腐膜的存在使接地極外界的電解質溶液可能在一定的時限內無法滲透到涂層內部鋅層的外表，浸涂鋅后的接地鋼材的使用年限得以極大延長，并保證了接地鋼材的導電性、防腐性、耐沖擊性和熱穩定性。但導體在土壤電解質溶液中長久的浸泡和腐蝕會造成防腐膜的失效，導體材料發生以電化學反應為主的腐蝕，造成接地導體導電性（阻抗增大）降低，是接地極失效的主要原因之一。接地極外界會因多種客觀自然環境因素（水位、土壤溫濕度、接地井物理形變、土壤組成成分等）造成接地導體與土壤的導電率發生變化，造成接地回路受阻（對于單極大地回線或雙極不對稱方式）；同時接地電流同樣會對接地外界環境造成影響，如接地電流增大伴隨導體發熱量的增多造成周圍土壤溫度上升，大地阻抗增加影響導電率。共多點接地極間個別接地極失效造成整體接地極作用失衡也是常見的故障。

一旦接地極發生故障，會直接影響電力輸電網絡運行，導致輸電干道受阻，影響整個系統的安全穩定運行，甚至可能引發火災，釀成重大事故。基于對輸電網絡運行安全性方面考慮，對接地極實際運行狀態的監測顯得尤其重要。

監測的目的是對接地極運行狀態進行實時采集，不斷地給出系統故障分析，幫助電網維護和管理人員及時了解接地極運行狀態，以消除過程的異常行為，防止災難性事故的發生。

系統監測的研究內容一般包括接地極參數監測及方式、故障預判等。現有的針對接地極的監測參數主要從以下的幾個方面進行綜合考慮，分別是：接地極電流（阻抗）、接地極的觀測井環境變量（溫度、水位和濕度等）、外界環境信息。

基于接地極系統監測的特點，本文對接地極監測方法進行總結，分別從監測方式和監測兩個方面對接地極狀態監測方法進行分類研究并對其進行詳細的論述，并詳細探討了現階段存在的問題以及其未來的發展趨勢。

1 接地極監測研究現狀

1.1 監測方式

（1）人工檢測：通過人工定期巡檢接地極觀測井，對接地極參數進行人工采集，綜合對接地極觀測井內的物理表象（例如觀測井水位、接地極外界環境等）進行人工診斷，粗略地判斷引起接地極故障的可能性，進行人工干預修復 。

但人工檢測的巡檢周期較長、巡檢成本高、測量數據準確度不高和實時性差等多種不利因素的存在。

（2）在線監控：在接地極端，應用傳感器及AD轉換技術采樣多種接地極關聯信號（如接地電流和電壓、水位、土壤溫濕度）并數字化，經一定的本地信號處理和分析，使用GPRS、GSM等多種無線傳輸技術以組網的形式將上述處理和分析結果反饋至監控中心（電網監控中心，一般稱之為后臺系統），監控中心實時對接地極的關聯數字化信息進行自動分析、判斷處理，并基于人在回路的干預模式實現對接地極的計算機托管。

1.2 監測參數

（1）接地電流：通過電流傳感器（電磁式、電子式和光學式）實時測量接地極饋電電流，對接地極運行狀態進行診斷，可以確定接地極電流分布及大小情況。若饋電電流過大會引起接地極本體腐蝕加速，縮短接地極運行壽命在正常情況下，饋電電流值同它所連接的電極長度大體上成正比并且基本不變。如果所測得的電流值同它的基準值相差較大，則說明電極可能被嚴重腐蝕，系統會發出報警信號。

（2）水位和土壤溫濕度：使用溫度、水位和濕度傳感器測量接地井中的溫度、水位和濕度數據，實時掌握接地極周圍土壤狀態。對接地極周圍土壤狀態進行診斷。若接地極的溫度過高或濕度過低，會引起土壤電阻率增大，直接影響地中電流分布、地表電位、跨步電壓和引起接地極發熱，加速接地極本體腐蝕。

監控中心將接收到的觀測井內的水位數據與預設定水位數據比較后可及時掌握井內水位變化情況。若井內水位過低，接地極可能會產生故障，應及時補水作業。

（3）接地極外界環境信息：基于氣象數據采集設備采集接地極周圍環境的溫度、濕度、風向、風速、雨量和氣壓等公共氣象信息參數，作為關聯接地極安全運行的參變量因數，進一步分析接地極的運行狀態。

2 當前存在的問題

盡管接地極本身監控方法已經得到了廣泛的研究和良好應用，基于其發展現狀分析，故障監測技術仍然有一些問題有待于進一步深入研究。

（1）多元信息融合研究較少：現有的在線監測技術以檢測饋電電流、接地井水位、土壤溫度和濕度，以及部分加入了對氣象等公共信息氣象信息的監測。同時現有的監測方法中一般單一地應用水位、溫度、濕度、饋電電流等重要的單變量信息，對于大多數的實際過程來說，過程觀察變量往往呈現出高度的相關性。單變量監測方法只考慮了單一變量的變化情況，無法對多個變量之間的相互影響關系進行關聯分析。因此，應進一步加強各種信息進行融合建模，以適應復雜的設備狀況。

（2）預警研究：故障的早期預測研究方法較少。為了保證設備的安全高效運行，需要及時發現設備的故障征兆并進行研究處理，最大限度地預防和避免重大事故的發生。

3 發展方向

針對接地極監測存在的問題，本文提出以下的發展方向。

3.1 完善監測參數

應用攝像頭監視接地極外界環境，采集接地極外界環境圖像，基于圖像處理技術建立接地極物理環境數據模型；增加紅外頻譜采集傳感器，獲取以接地極電極為中心的環境溫度實時梯度圖和電解質液體動態流向圖；同時利用互聯網的開放性獲取接地極區域宏觀的氣象信息，進行綜合建模分析。

3.2 建立接地極“三維流場”動態模型

以接地極形狀和物理建設尺寸數據為基礎建立接地極三維物理外觀模型。以水位、溫度和濕度為參變量，應用如復數鏡像法、積分法和濾波法建立計算土壤分層輻射型電阻率模型的格林函數，以此為基礎建立接地極的接地電阻分布模型。基于等效法以接地饋電電流為第一變量、接地電極屬性值（外觀尺寸、電阻率）為第二變量的接地電流場分布計算模型。

以時間為牽引軸，將實時采集的接地極監控數據為參數值，將上述3種計算模型綜合以構建接地極“三維流場”模型。

基于接地極“三維流場”模型，實時監測計算如接地電阻、跨步電壓和地面電位等等接地參數成為可能。

3.3 故障分析預測方法

故障預測是在故障發生之前提前對故障進行預測，從而將潛在故障排除。基于接地極運行歷史過程的數據特征來填充的接地極“三維流場”模型，根據模型對測試數據進行計算，通過檢測數據對象是否在正常范圍內，來預測系統是否出現故障。其次根據歷史挖掘出數據關聯，獲取過程運行狀態，進而指導維護操作。

首先，基于接地電極腐蝕公式，可建立接地電極壽命損耗的概念——將不同種類的時變參數（熱量、溫度、電流、機械應力、隨機應力）對電極材料的影響進行評估，并在此基礎上考慮多種因素的綜合影響，提出多參作用下的壽命評估方法。

其次，采用基于多變量分析的接地極預測方法，對環境因子（溫度、濕度、風速、接地電阻等）以及由它們所決定的成災因子（溫度、電流強度及其持續時間，電解質液體流量等），提取信號特征，檢測接地極運行過程中的緩慢變化狀況，建立變量回歸關系模型，從而得出在該監測點隨時間的推移的溫升趨勢分析、溫度的梯度分析以及故障預警等問題。算法利用主元分析法（Principal Components Analysis，PCA），偏最小二乘回歸（Partial Least Squares，PLS）可以有效地去除數據之間的相關性，融合接地極的機理模型和數據模型進行進一步建模。

實現故障征兆的檢測，對故障進行預警處理。

4 結語

本文主要基于BIM技術對麗江古城區配電網監測技術進行了研究探討，一些常用的BIM模型應用在監測的方法。針對當前的監測方式方法，給出了現在的監測技術的不足以及相應的研究問題的發展方向進行了闡述。

參考文獻

[1] DLT 253-2012，直流接地極接地電阻、地電位分布、跨步電壓和分流的測量方法[S].2012.

[2] DLT 437-2012，高壓直流接地極技術導則[S].2012.

[3] 褚優群.特高壓直流輸電接地極計算及評估軟件開發[D].華北電力大學，2013.

[4] 王天正，劉剛，劉熙，等.直流接地極運行參數在線監測技術研究[J].科技創新與應用，2015（27）：204.

[5] 王瑋，倪平浩，唐琪，等.特高壓直流輸電接地極在線監測系統設計[J].北京交通大學學報，2016，40（2）：85-89.

[6] 盧松，李凱協，郭衛明.換流站接地極故障監測系統分析與研究[J].機電信息，2015（3）：50-51.