基于級聯架構的配電網非接觸式帶電檢測系統

周文鶴，王國駒，邢益弟，蘇志剛，潘圖

（海南電網有限責任公司海南輸變電檢修分公司，海南海口 570312）

配電網是電力系統的重要組成部分，它擔負著為用戶提供電能的重要任務。近年來，隨著配電網自動化水平的提高，對配電網的要求也日益提高，使得配電網的運行可靠性成為人們普遍關心的問題。傳統定期巡檢和計劃停機檢修的管理方式已經無法適應電力系統可靠性管理的需要。隨著帶電檢測技術的發展，各種帶電檢測技術在不同電力裝置檢測領域實現了廣泛應用。配電網電壓和電流采集精準性、可靠性是保證配電網安全、可靠的前提，也是維護電網安全穩定的基礎。因此，采用高效安全的測量手段，可以有效地提升設備的維修和供電質量。目前提出了基于電抗器電壓暫態特性的檢測方法，該方法通過構建柔性配電網的數學模型，分析輻射狀配電網的電壓電流特性，對于區內外的電壓電流進行檢測，并通過安裝在線路首端的電抗器電壓是否小于0 來判斷是否存在異常[1]；也有學者提出了基于有向鄰接矩陣的檢測方法，該方法通過構建有向鄰接矩陣的拓撲結構識別模型，將未知拓撲結構描述為不確定的有向鄰接矩陣，實現配電網的結構識別，并確定潮流方向，達到配電網檢測的目標[2]。使用上述兩種方法無法對多個客戶端的配電信息進行同時檢測，為此，設計了基于級聯架構的配電網非接觸式帶電檢測系統。

1 系統硬件結構設計

在配電網非接觸式帶電檢測系統中，流媒體服務器采用了分布式的結構，通過在各個層次上配置流媒體服務器來保證本地的數據的高效傳輸，從而有效地減少網絡的帶寬壓力[3]。基于級聯架構的配電網非接觸式帶電檢測系統硬件結構如圖1 所示。

如圖1 所示，中央管理服務器為流媒體業務提供接入接口，對流媒體的系統配置進行管理，并通過級聯邏輯對其他流媒體業務進行調度[4]。

1.1 非接觸式電壓、電流傳感器

在配電網絡中，電壓、電流檢測是電力系統中的一個關鍵問題。傳統的電壓、電流傳感器具有結構復雜、體積大、造價高、存在鐵磁性等特點，其必須與電力線相連接，只有當電源處于穩定狀態時，才能進行電壓和電流傳輸[5-6]。為了解決該問題，設計了一種非接觸式電壓、電流傳感器，如圖2 所示。

由圖2 可知，在電力系統中，通過對電力系統中電勢的檢測，并對其進行反向計算，可以得出輸電線路的電壓值。該傳感器是一種由多個微分元件構成的感應式感應陣列，用以捕獲較高的微弱磁場信號[7]。這種傳感器體積小、安裝方便，不存在飽和問題，僅從電網中獲取信號，極少吸收電能，可與自動保護技術相結合，滿足微機保護的要求[8-9]。

1.2 檢測模組

在配電網絡中，每個相、地之間存在一種分布電容，因此在安裝電容式檢測模組時需要保持一定距離，保證相地之間不存在干擾[10]。該檢測模塊利用電壓對配電網的運行狀況進行判定，一旦出現異常，則由該模組生成警報信號，并將警報信號經由無線網絡傳輸到云端服務器[11]。圖3 所示為檢測模組結構。

圖3 檢測模組結構

當安裝檢測模組后，工作人員會進行地理位置登記，云服務器可以與GIS 系統相結合，直觀、實時地顯示該配電網的實時狀況[12]。

1.3 非接觸式故障指示器

將感應電壓信號通過電場感應芯片輸入到信號調理單元，再由MCU 芯片對信號進行處理，以準確識別不同線路狀態[13]。同時，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，確保配電網絡的正常工作。

非接觸式故障指示器的電場感應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量中的取樣精度問題[14]。在配電網中出現異常情況時，能迅速、準確地觸發錄波，并能完整地記錄故障過程，還能對配電網故障進行及時、準確地診斷與報告。

2 系統軟件部分設計

通過對處理器輸入/輸出插頭的控制，將開/關命令發送到切換裝置，使得充電電容器在循環中進行充放電[15]。在切換裝置處于關閉狀態時，該整流器對充電電容器進行充電，此時充電電容兩端的電壓U0不斷升高。充電電容兩端的電壓計算公式為：

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體表面開始出現強烈反應所需的柵電壓，該電壓主要是由三個部分組成，分別是平帶電壓UFB、表面勢電壓UE、附加電壓UH。基于此，計算電壓閾值，如式（2）所示：

式中，平帶電壓是用來抵消輸電線路半導體和有效界面電荷影響所產生的柵電壓。

當充電電容的電壓值U0大于閾值電壓U′時，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。這時，處理器的定時模塊就能計算出充電電容電壓從0 增加到閾值電壓U′情況下的充電時間Δt，根據充電時間Δt判斷配電網線路的帶電狀態。判斷標準如下：

若充電時間Δt＜T1時，則可判定線路正常；若充電時間T1≤Δt＜T2時，則可判定線路電壓下降；若充電時間T2≤Δt＜T3時，則可判定該線路是中斷的。

步驟四：依據充電時間來判斷配電網是否存在異常情況，需要計算單相合閘初始時刻與射頻信號之間的時間差。設初始時間為0，斷路器動觸頭開始向靜觸頭運動后，動、靜觸頭之間的電壓可表示為：

式中，t表示時間；?表示初始時刻相電壓的初相角；ω表示角頻率。斷路器動觸頭開始向動觸頭運動后，動、靜觸頭之間的擊穿電壓可表示為：

式中，v表示動觸頭運動速度；d表示初始時刻動觸頭間距；u表示擊穿電壓。當U1>U2時，動靜觸頭被擊穿，此時產生了射頻電磁波信號，說明配電網線路存在異常。將異常信號轉換為告警信號后發送至云端服務器進行處理。

3 實 驗

3.1 實驗裝置

在實驗室中設置了一個實驗平臺，該平臺與一個標準的傳感裝置平行，面向受測者，與聲源相距1 m。被測設備連接了電源，開始進行實驗，信號發生器向聲源輸出一組20～60 kHz 的正弦波信號。超聲波實驗連線圖如圖4所示。

圖4 超聲波實驗接線圖

在實驗過程中，信號產生器將輸出的正弦波的頻率設定為40 kHz，調節輸出振幅，使被測裝置的探測值接近全范圍，同時記錄輸出的峰值電壓。然后按順序減小振幅，并將實驗裝置的測試結果記錄下來。

3.2 實驗指標

根據圖5 所示的實驗裝置，計算各個測量點的誤差，公式為：

式中，Sκ表示被測試線路的輸出值；κ表示誤差系數；S表示被測試線路最大輸出值。通過該公式，能夠獲取測量的精準誤差。

3.3 實驗結果與分析

為了驗證基于級聯架構的配電網非接觸式帶電檢測系統的可行性，在實驗中對基于電抗器電壓暫態特性的檢測方法、基于有向鄰接矩陣的檢測方法和基于級聯架構的帶電方法進行實驗驗證分析。

使用一根1.2 GHz 的錐形天線，帶寬為6 GHz，以斷路器電弧信號到達天線的時間差為研究對象，測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特性的檢測方法，A相電壓在時間為4.0～6.0 ms 內出現了最大電壓誤差，與預期檢測結果相差0.7 V。在時間為10.0～14.0 ms 內出現了最大電壓誤差，與預期檢測結果相差0.2 V；B相電壓在時間為4.0～6.0 ms 內，出現了最大電壓誤差，與預期檢測結果相差1.3 V；C相電壓與預期檢測結果一致。

使用基于有向鄰接矩陣的檢測方法，A相電壓在時間為6.0～14.0 ms內出現了最大電壓誤差，與預期檢測結果相差0.3 V；B相電壓在時間為2.0～4.0 ms 內出現了最大電壓誤差，與預期檢測結果相差1.1 V；C相電壓在時間為2.0～4.0 ms 內出現了最大電壓誤差，與預期檢測結果相差0.6 V。

使用基于級聯架構的配電網非接觸式帶電檢測系統，B相電壓在時間為4.0～6.0 ms 內出現了最大電壓誤差，與預期檢測結果相差1.0 V，其余均一致。

所以，基于級聯架構的配電網非接觸式帶電檢測系統的檢測結果與預期檢測結果最接近，檢測精度更高。

圖5 不同方法檢測的三相不同期電壓結果

4 結束語

該文采用級聯架構設計配電網非接觸式帶電檢測系統，以適應配電網的實時檢測要求。采用級聯架構將媒體數據從最底層傳輸到更高級別的平臺，從而降低了主干網絡的負荷，達到了多個目標同時檢測的目的。該系統既可以實現對輸電線路的穩態檢測，也可以對輸電線路進行瞬態檢測。實驗證明，該系統檢測結果與預期檢測結果最接近，說明該系統檢測精度更高。