一種基于物聯(lián)感知的線路參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

徐勇 管俊 楊子雷

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)輸電線路參數(shù)測(cè)量方法測(cè)量精度低、風(fēng)險(xiǎn)性高等問(wèn)題，本研究基于物聯(lián)感知的線路參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。首先，研究分析了儀表法、數(shù)字法等傳統(tǒng)輸電線路參數(shù)測(cè)量方法的優(yōu)勢(shì)與不足;然后，提出構(gòu)建基于異頻測(cè)量與物聯(lián)感知的線路參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，并重點(diǎn)就異頻測(cè)量的物聯(lián)感知框架、標(biāo)識(shí)化安全驗(yàn)證和一鍵化驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)等進(jìn)行分析;最后，通過(guò)搭建系統(tǒng)與實(shí)際測(cè)量進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，本研究提出的基于物聯(lián)感知的線路參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)可高效、準(zhǔn)確測(cè)量正序阻抗、零序阻抗、正序電容、零序電容各參數(shù)，與實(shí)際測(cè)量結(jié)果相差較小，具有操作簡(jiǎn)單、風(fēng)險(xiǎn)性低等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)感知;輸電線路;參數(shù)測(cè)量;異頻測(cè)量法

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274;TM75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）02-0154-05

隨著電力普及，電力系統(tǒng)變得更加龐大和復(fù)雜。輸電線路作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，精確的線路參數(shù)可保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。然而由于輸電線路包括正序阻抗、零序阻抗、直流電阻、正序電容、零序電容等參數(shù)眾多，且其測(cè)量過(guò)程和計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，因此很難準(zhǔn)確進(jìn)行測(cè)量。輸電線路參數(shù)的不準(zhǔn)確會(huì)影響電力系統(tǒng)短路電流計(jì)算結(jié)果，進(jìn)而引起繼電保護(hù)誤動(dòng)作，甚至引起整個(gè)電力系統(tǒng)破裂，最終導(dǎo)致電力系統(tǒng)不能可靠、安全運(yùn)行。因此，準(zhǔn)確測(cè)量輸電線路參數(shù)，保證線路參數(shù)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性十分必要。目前，輸電線路參數(shù)測(cè)量方法主要包括兩類(lèi)方法，①分別是通過(guò)計(jì)算公式得到，如劉安迪、李妍、謝偉等（2020）基于多源數(shù)據(jù)多時(shí)間斷面，通過(guò)異頻測(cè)量法對(duì)配電網(wǎng)線路參數(shù)進(jìn)行測(cè)量;②通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量得到，如吳梓亮、李一泉、陳橋平等（2020）采用數(shù)字法，基于正序阻抗完成了輸電線路接地距離保護(hù)參數(shù)的測(cè)量與整定方嘲。雖然上述方法可測(cè)量得到輸電線路參數(shù)，但總體來(lái)說(shuō)，其測(cè)量精度較低、操作難度較大、風(fēng)險(xiǎn)性高?；诖耍狙芯拷Y(jié)合物聯(lián)感知與異頻測(cè)量方法，提出基于物聯(lián)感知的線路參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，用于測(cè)量輸電線路參數(shù)。

1傳統(tǒng)輸電線路參數(shù)的測(cè)量方法

1.1儀表法

儀表法是最早輸電線路參數(shù)測(cè)量的方法之一，通過(guò)在被測(cè)輸電線路上施加電源，采用電流表、頻率表等儀表，人工讀取儀表刻度值，然后經(jīng)過(guò)計(jì)算即可獲得輸電線路各參數(shù)值。實(shí)際輸電線路參數(shù)測(cè)量中，由于該方法接線復(fù)雜，人工讀數(shù)存在一定誤差和時(shí)延，且后期計(jì)算量較大，因此存在較大的誤差。此外，由于工頻電壓對(duì)輸電線路互感阻抗和零序線路參數(shù)的測(cè)量結(jié)果影響較大，故儀表法不適用于現(xiàn)代輸電線路參數(shù)測(cè)量。

1.2數(shù)字法

數(shù)字法是在儀表法基礎(chǔ)之上發(fā)展而來(lái)的一種輸電線路測(cè)量方法，避免了人工讀數(shù)和計(jì)算的輸電線路參數(shù)，進(jìn)而提高了測(cè)量的準(zhǔn)確率。測(cè)量過(guò)程中，數(shù)字法通過(guò)單片機(jī)集成電路，獲取各儀表刻度值并進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而獲取輸電線路各參數(shù)。因此，相較于儀表法，數(shù)字法具有更高的測(cè)量精度。但由于數(shù)字法的電源同樣為高壓工頻電源，因此其互感阻抗和零序線路參數(shù)的測(cè)量精度仍達(dá)不到理想效果。

1.3在線測(cè)量法

在線測(cè)量法是近年來(lái)學(xué)者重點(diǎn)研究的一種輸電線路參數(shù)測(cè)量方法，通過(guò)測(cè)量輸電線路兩端電壓和電流相量，利用傳輸線方程直接求解輸電線路特性阻抗和傳播常數(shù)，最后通過(guò)上位機(jī)計(jì)算獲得輸電線路參數(shù)。在線測(cè)量法雖盡量避免了因儀表、人工運(yùn)算等帶來(lái)的測(cè)量誤差，最大可能提高了測(cè)量精度，但受技術(shù)限制，該方法暫不適用于全方位的實(shí)際輸電線路參數(shù)測(cè)量。因此，目前的輸電線路參數(shù)測(cè)量方法還應(yīng)以實(shí)地測(cè)量為主。

2異頻測(cè)量基本原理

異頻測(cè)量是一種實(shí)地測(cè)量輸電線路參數(shù)方法。測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量人員通過(guò)測(cè)試儀對(duì)輸電線路首端施加電源，并將輸電線路末端懸空或接地，然后利用測(cè)試儀采集測(cè)試過(guò)程中電氣量，通過(guò)計(jì)算即可得出相應(yīng)的輸電線路工頻參數(shù)。

采用異頻測(cè)量方法測(cè)量正序電容、零序電容時(shí)，線路末端三相開(kāi)路，如圖3、4所示。正序電容計(jì)算方法如式（11），零序電容計(jì)算方法如式（12）、（13）。

異頻測(cè)量法測(cè)試輸電線路參數(shù)過(guò)程中，由于輸電線路末端需根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行懸空或接地操作，增加了測(cè)試人員觸電風(fēng)險(xiǎn)，加之整個(gè)測(cè)量線路跨度較長(zhǎng)，操作難度大，故不適用于大范圍的輸電線路參數(shù)測(cè)量。為降低輸電線路參數(shù)測(cè)量風(fēng)險(xiǎn)性和操作難度，本研究提出一種基于物聯(lián)感知的異頻輸電線路參數(shù)測(cè)量。

3物聯(lián)感知的異頻測(cè)量

3.1物聯(lián)感知異頻測(cè)量系統(tǒng)框架

基于物聯(lián)感知的輸電線路測(cè)試儀包括兩個(gè)部分，線路首端測(cè)試儀部分和線路末端接地裝置部分，如圖5所示。由于本研究測(cè)試儀是基于阿里云進(jìn)行開(kāi)發(fā)，故系統(tǒng)通過(guò)阿里云上進(jìn)行動(dòng)作指令和采樣數(shù)據(jù)及開(kāi)關(guān)狀態(tài)的上傳。

基于物聯(lián)感知異頻測(cè)量系統(tǒng)中，云支持用戶可通過(guò)覆蓋的4G網(wǎng)絡(luò)，在任意地理位置利用終端獲取相關(guān)服務(wù)，解決了輸電線路首末兩端信息交互困難的問(wèn)題。此外，通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)，還可實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀和接地裝置與阿里云的直接交互。系統(tǒng)中，線路參數(shù)測(cè)量的應(yīng)用程序均部署于阿里云，授權(quán)用戶通過(guò)電腦客戶端或手機(jī)APP訪問(wèn)應(yīng)用程序，即可實(shí)現(xiàn)測(cè)量輸電線路參數(shù)。應(yīng)用程序運(yùn)行方式首先是根據(jù)當(dāng)前輸電線路參數(shù)測(cè)試項(xiàng)，下發(fā)相關(guān)指令到接地裝置，接地裝置在接收到指令后，執(zhí)行指令;然后應(yīng)用程序通過(guò)感知末端接地狀態(tài)，利用測(cè)試儀根據(jù)測(cè)試項(xiàng)施加激勵(lì)，進(jìn)行測(cè)量;最后，通過(guò)測(cè)試儀測(cè)量得到的所需電氣量進(jìn)行運(yùn)算，獲得輸電線路參數(shù)。

考慮到輸電線路中均為千伏數(shù)量級(jí)的感應(yīng)電壓，故為降低末端線路采用人工方式進(jìn)行接地或懸空操作的風(fēng)險(xiǎn)性，本研究利用切換開(kāi)關(guān)替代人工進(jìn)行接地裝置的懸空或接地操作嘲。

3.2標(biāo)識(shí)化驗(yàn)證

標(biāo)識(shí)化檢驗(yàn)是為保障整個(gè)輸電線路參數(shù)測(cè)量過(guò)程安全性，通過(guò)對(duì)測(cè)試儀以及阿里云上應(yīng)用程序進(jìn)行驗(yàn)證的一種方法?；谖锫?lián)感知的輸電線路參數(shù)測(cè)量標(biāo)識(shí)化驗(yàn)證首先是建立測(cè)試儀接地裝置通信，如圖6所示;然后通過(guò)應(yīng)用程序下發(fā)命令詢(xún)問(wèn)測(cè)試儀接地裝置標(biāo)識(shí)，如圖7所示;最后在進(jìn)行輸電線路參數(shù)測(cè)量時(shí)，對(duì)比測(cè)試儀接地裝置接收到的信息與阿里云平臺(tái)的通信幀中含有對(duì)應(yīng)標(biāo)識(shí)，如圖8所示。若應(yīng)用程序標(biāo)識(shí)和測(cè)試儀就地裝置標(biāo)識(shí)與本地存儲(chǔ)一致，則響應(yīng)該信息，反之則不響應(yīng)該信息。

3.3一鍵化測(cè)試

基于物聯(lián)感知的輸電線路參數(shù)測(cè)量中，由于進(jìn)行正序阻抗和零序阻抗等參數(shù)測(cè)量時(shí)，測(cè)量項(xiàng)目及其測(cè)量步驟相對(duì)固定，因此為簡(jiǎn)化測(cè)量項(xiàng)目，研究將每個(gè)測(cè)量項(xiàng)目組成一個(gè)順序模塊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的一鍵操作，具體流程如圖9所示。同時(shí)為方便管理，研究將測(cè)試項(xiàng)目順序模塊存儲(chǔ)于阿里云平臺(tái)，在完成一次配置驗(yàn)證后，可在不同工程現(xiàn)場(chǎng)重復(fù)使用。測(cè)量過(guò)程中，每個(gè)步驟都需要經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證與反饋，且必須保證通信中由返回報(bào)文，狀態(tài)和模擬量等與預(yù)期相同才可進(jìn)行下一步操作，否則中止測(cè)試。若測(cè)試中止，測(cè)試儀、就地裝置、阿里云端應(yīng)用程序三端報(bào)警，且測(cè)試儀停止輸出。

4測(cè)試結(jié)果及驗(yàn)證

4.1系統(tǒng)功能性驗(yàn)證

為檢驗(yàn)基于物聯(lián)感知的輸電線路參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)功能，研究通過(guò)檢驗(yàn)人體靠近測(cè)量系統(tǒng)是否會(huì)引起系統(tǒng)報(bào)警進(jìn)行了驗(yàn)證。如圖10、11所示，當(dāng)人體靠近該測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)提示報(bào)警，感應(yīng)電壓測(cè)量及末端接地狀態(tài)同樣會(huì)進(jìn)行提示。由此說(shuō)明，本研究提出的基于物聯(lián)感知的輸電線路參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)性低、安全系數(shù)高。

4.2系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證

為檢驗(yàn)基于物聯(lián)感知的異頻測(cè)量法在實(shí)際中的應(yīng)用，本研究通過(guò)Ds-2008型線路工頻參數(shù)異頻測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)實(shí)際6條220kv輸電線路參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。6條測(cè)試輸電線路概況及實(shí)驗(yàn)條件如表2所示。

1）輸電線路正序阻抗測(cè)量項(xiàng)目。測(cè)量方法：將輸電線路末端三相短路，對(duì)線路首端施加變頻電源，采用40Hz和60Hz的輸出頻率點(diǎn)，然后加壓兩次，分別采集40Hz和60Hz的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，即可得到輸電線路的正序阻抗、正序電抗、正序電阻等參數(shù)值，如表3所示。

2）輸電線路零序阻抗測(cè)量項(xiàng)目。測(cè)量方法：將輸電線路末端三相短路接地，對(duì)三相短路的線路首端施加單相電壓，采用40Hz和60Hz輸出頻率點(diǎn)的變頻電源，然后加壓兩次，分別采集40Hz和60Hz的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，即可得到輸電線路的零序阻抗、零序電抗、零序電阻等參數(shù)值，如表4所示。

4.3系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證上述測(cè)量方案，本研究采用基于物聯(lián)感知的測(cè)試儀，利用13.312負(fù)載箱，3個(gè)0.414uF電容搭建模擬電纜，進(jìn)行了正序阻抗、直流電阻和正序電容測(cè)量。測(cè)量結(jié)果與實(shí)際結(jié)果對(duì)比如表6所示。由表可知，基于物聯(lián)感知的輸電線路參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)可準(zhǔn)確測(cè)量直流電阻，其測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值誤差僅為0.004%;正序阻抗和正序電容測(cè)量值與實(shí)際值誤差小于O.8%，在預(yù)計(jì)誤差范圍內(nèi)。由此說(shuō)明，基于物聯(lián)感知的輸電線路參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)可有效、準(zhǔn)確測(cè)量輸電線路各參數(shù)。

5結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述測(cè)試結(jié)果可知，本研究提出的基于物聯(lián)感知的輸電線路參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)可高效、準(zhǔn)確測(cè)量線路參數(shù)，滿足線路參數(shù)測(cè)量精度要求，在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，該系統(tǒng)測(cè)量所需時(shí)間較短，極大提高了工作效率。此外，該系統(tǒng)可自動(dòng)檢測(cè)到人體靠近，減少了檢測(cè)人員進(jìn)行線路參數(shù)測(cè)量時(shí)的觸電風(fēng)險(xiǎn)，提高了作業(yè)的安全性。