高壓電力計量系統頻發短路故障實時監察系統

陸韋

（國網上海嘉定供電公司上海201800）

在高壓電力計量系統中，一旦某一部位出現故障，那么整個計算系統計量結果都會不準確，嚴重則會導致整個計量系統出現癱瘓，無法保證系統能夠正常工作[1-3]。從電力計量系統中流過的電流是帶有負電荷的，隨著電荷大小變化，系統運行狀態也隨之改變。因此，需對系統中頻繁出現的短路問題進行檢測[4]。

傳統系統僅對一次側短路進行分流，無法分析出系統是隨著負荷減小所引起的電流變化[5]。這種研究是建立在已知電力計量系統上進行的，將故障狀態下的計量值與正常運行狀態下的計量值進行了比較，雖然該方法計算出了所有損失的計量值，但是在實際應用過程中無法確定系統本身的故障類型。為此，提出了高壓電力計量系統頻發短路故障實時監察系統設計。該系統是基于ARM的微處理器設計的監察裝置，通過不同電路設計方案，選擇一種有效監察故障方案，以此保證電力系統工作的正常運行。

1 高壓電力計量系統工作原理

高壓電力計量系統工作原理如圖1所示。

圖1 高壓電力計量系統工作原理

圖1中：①和②為兩個計量表，A和B為電壓互感器，C和D為電流互感器，I1和I2為電流[6]。將用電計量系統視為一個整體，當電路出現故障時，利用阻抗變化來說明計量系統所產生的變化。基于此原理，設計頻發短路故障實時監察系統[5]。

2 監察系統硬件結構設計

根據上述高壓電力計量系統工作原理可知，電流互感器經過一次側短路之后，網絡等效阻抗發生了變化，該變化嚴重影響了故障信號的監察，為此需針對該變化構建監察裝置[7-9]。

系統硬件結構框圖設計，如圖2所示。

圖2 監察系統硬件結構框圖

由圖2可知：監察系統采用基于ARM內核的SM32F103ZE處理器，時鐘頻率為75 MHz，500 kB閃存的靜態隨機存取存儲器，內部集成可12位的A/D轉換器，最高采樣速率可達到1 MHz，該配置可減少原器件數目和電路板占用面積[10]。

頻發短路故障報警裝置主要是由傳感和壓力模塊組成的，一旦某個位置出現短路問題，那么通過信號傳遞，使故障壓力變大，最終導致報警指示燈亮起[11-13]。

通常報警傳感器工作電壓最高為15 V，將報警傳感承受壓力最大范圍所對應的電壓值與最小范圍電壓值進行比較，并展開分析，輸出二值數字信號。如果該信號電壓值大于等于固定閾值，那么說明電路中出現短路問題，需亮起指示燈；反之，如果該信號電壓值小于固定閾值，那么說明電路中無短路問題，指示燈不亮起[14]。

采用基于ARM內核的SM32F103ZE處理器設計了電流互感器結構，將主繞組的大電流轉換為小電流，而小電流通過副繞組輸出，利用測量儀表和繼電器為電流線圈提供[15]電流，通過電流大小反映電器設備運行參數和故障情況。利用LCD12864的液晶顯示屏顯示實時日歷，以及相應監察狀態，并在查詢時可顯示不同歷史數據，方便管理人員快速獲取故障信息。使用15 V工作電壓的報警傳感器，一旦某個位置出現短路問題，那么通過信號傳遞，使故障壓力變大，最終導致報警指示燈亮起，由此完成系統頻發短路故障實時監察系統硬件結構的設計。

3 系統軟件模塊設計

頻發短路故障實時監察系統軟件部分的設計主要是對電流互感器進行初始化處理。短路故障監察裝置程序使利用C語言來實現的，對電流互感器進行初始化處理，設置故障判斷初始值，如果出現判斷中斷的現象，則需采集中斷信號；如無中斷現象，則需返回到上一步驟，直至出現中斷現象。將采集到的信號進行分析并判斷，如果壓力超出固定范圍，那么硬件結構中的報警器就會發出報警信號；反之，則無明顯變化，返回到中斷上一級[16]。

3.1 短路故障特征獲取

高壓電力計量系統一旦出現異常現象，那么網絡地址和端口分布也會隨之改變。如果電流互感器電路出現錯誤，那么原始電流走向將會被改變，造成短路現象。根據系統短路特征，采用短路矩陣方法對短路故障特征情況進行分析。設故障特征為x，樣本總數量為y，從總樣本中選取的分析個數為z，針對某個故障特征n出現的次數，記為mn，因此，該故障特征可描述為：

3.2 故障監察功能設計

根據上述對高壓電力計量系統異常特征的獲取，可對頻發短路故障監察功能進行設計。將故障特征提取出來，并存儲到數據庫之中，提高對短路故障分析結果的可靠性。為了保證故障監察功能的有效性，需對故障特征與硬件結構進行交互分析，具體分析流程如下所示：

1）讀取配置文件；

2）構建數據庫連接；

3）配置監察驅動；

4）創建實時監察服務器。

根據分析流程可知，該功能的設計需先讀取軟件配置文件，通過文件內容構建數據庫，注冊ODBC數據源，使用C語言進行編程，利用腳本文件中的OpenDataBase（）函數進行數據庫的連接。通過配置監察驅動，實現故障信息的實時監察。調用故障描述特征，從配置文件中獲取監察服務IP地址，由此實現故障監察功能的設計。

頻發短路故障實時監察系統軟件部分的設計主要是對電流互感器進行初始化處理。利用C語言設計軟件流程，采用短路矩陣方法對短路故障特征情況進行分析，得到故障特征描述函數，根據函數分析結果，獲取頻發短路特征。提取故障特征與硬件結構進行交互分析，根據分析流程設計故障監察功能，由此完成系統軟件部分的設計。

4 驗證分析

將兩班制度電力工作形式作為負載，驗證分析高壓電力計量系統頻發短路故障實時監察系統設計的合理性。為了研究方便，將工廠負荷曲線作為研究對象，具體驗證內容如下所示。

4.1 實驗結果與分析

兩班制負荷曲線如圖3所示。

圖3 兩班制負荷曲線

由圖3可知：兩班制負荷曲線呈現一致狀態，都是先上升后下降。當時間為250min時，第一班負荷已經達到了最大值，即為13×106P，而第二班負荷在時間為750 min時，達到了最大值，即為13×106P。此時通過監察系統獲取的電壓信號如圖4所示。

圖4 兩班制電壓信號

由圖4可知：隨著兩班制負荷變化，監察電壓信號在4～7 V范圍內波動。根據該電壓信號變化情況和上述負荷曲線，對傳統系統與監察系統對高壓電力計量系統頻發短路故障監察效果進行對比分析，具體對比內容如下所示。

采用傳統系統缺少對電流互感器的設計，無法準確獲取短路特征，使監察到的電壓信號不穩定，導致監察效果較差；而設計的故障實時監察系統，具有電流互感器裝置，能夠實時獲取短路故障特征，監察到的電壓信號比較穩定，監察效果較好。

為了驗證上述內容，將傳統系統與故障實時監察系統對高壓電力計量系統頻發短路故障監察效果進行對比分析。在出現短路故障情況下，兩班制負荷曲線變化情況如圖5所示。

圖5 短路故障條件下兩班制負荷曲線變化情況

由圖5可知：受到短路故障影響，兩班制負荷曲線走向大致相同，但與原始走向相比出現了較大偏差。當時間為180 min時，第一班負荷已經達到了最大值，即為5×106P，而第二班負荷在時間為750 min時，達到了最大值，即為3.8×106P。

在該條件下，兩種系統監察到的電壓信號如圖6所示。

由圖6可知：在短路故障影響下，兩種系統監察到的電壓信號與原始信號不一致。

圖6 兩種系統監察的電壓信號

當時間為100 min時，傳統系統監察的電壓信號為0.5 P。而故障實時監察系統監察的電壓信號為0.2 P；當時間為200 min時，傳統系統監察的電壓信號為0.25 P。而故障實時監察系統監察的電壓信號為0.15 P；當時間為300 min時，傳統系統監察的電壓信號為0.3 P。而故障實時監察系統監察的電壓信號為0.1 P；當時間為400 min時，傳統系統監察的電壓信號為0.55 P。而故障實時監察系統監察的電壓信號為0.05 P；當時間為500 min時，傳統系統監察的電壓信號為1.5 P。而故障實時監察系統監察電壓信號為0.05 P，此時第一班制結束。

當時間為600 min時，傳統系統監察的電壓信號為0.4 P。而故障實時監察系統監察的電壓信號為0.05 P；當時間為700 min時，傳統系統監察的電壓信號為0.12 P。而故障實時監察系統監察的電壓信號為0.1 P；當時間為800 min時，傳統系統監察的電壓信號為0.3 P。而故障實時監察系統監察的電壓信號為0.15 P；當時間為900 min時，傳統系統監察的電壓信號為0.8 P。而故障實時監察系統監察的電壓信號為0.2 P；當時間為1 000 min時，傳統系統監察的電壓信號為2 P。而故障實時監察系統監察電壓信號為0.3 P，此時第二班制結束。

根據上述電壓信號監察結果，將這兩種系統的監察效果進行對比，結果如表1所示。

將表1對比內容作為實驗對比結果，由結果可知，當時間為100 min時，故障實時監察系統比傳統系統監察效果高50%；當時間為200 min時，故障實時監察系統比傳統系統監察效果高58%；當時間為300 min時，故障實時監察系統比傳統系統監察效果高42%；當時間為400 min時，故障實時監察系統比傳統系統監察效果高48%；當時間為500 min時，故障實時監察系統比傳統系統監察效果高48%；當時間為600 min時，故障實時監察系統比傳統系統監察效果高47%；當時間為700 min時，故障實時監察系統比傳統系統監察效果高57%；當時間為800 min時，故障實時監察系統比傳統系統監察效果高59%；當時間為900 min時，故障實時監察系統比傳統系統監察效果高58%；當時間為1 000 min時，故障實時監察系統比傳統系統監察效果高47%。

表1 兩種系統監察效果

4.2 實驗結論

綜上所述：采用故障實時監察系統可有效監察受到短路故障影響的電壓信號變化情況，且無論是第一班制，還是第二班制的電壓都趨近于零。而傳統系統上下波動幅度較大，不滿足實際電壓變化情況。

由此可得出結論：高壓電力計量系統頻發短路故障實時監察系統設計是具有合理性的，與傳統系統相比，監察效果要好。

5 結束語

高壓電力計算系統在整個電力系統中占據重要的地位，一旦某個環節出現短路故障問題，都會直接影響系統監察效果。結合短路故障特征，以電流互感器短路故障為研究對象，進行實驗分析，通過實驗結果可知，采用故障實時監察系統在時間為1 000 min時，監察效果達到了最大值，即為96%。

雖然該系統具有良好監察效果，但對于系統的安全使用問題還有待解決。因此，在以后研究過程中，針對系統安全問題作出詳細規劃，保證系統在安全狀態下，實現對故障的實時監察。