配电网监测系统应用及发展探讨

罗亚明 陈霍兴 张俊

摘 要：针对直流输电系统接地极特点，阐述了部分接地极失效的原因以及故障类型，并对接地极参数监测问题的研究意义进行了分析。对接地极监测方法进行总结，分别从监测方式和监测两个方面对接地极状态监测方法和接地极故障判断进行研究并对其进行详细的论述，同时探讨分析了当前接地极监测的局限性以及存在的问题。最后，根据目前的研究状况提出了多元监测数据融合的研究建议和后续的故障分析预测方法。

关键词：接地极 参数监测 接地极故障 动态模型 故障分析预测

中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）08（a）-0032-02

目前，丽江古城区输电线路都为地下敷设的电缆输电线路，电缆的敷设方式为电缆井、电缆沟敷设，电缆沟敷设的电缆再由环网柜连接到各个用电区域，其中各个区域的电缆沟、电缆井也都铺设在古城地底下，铺上水泥盖板后，还要铺设满足古城管理规范要求的花纹石板。从实际的丽江古城配电网运行情况上看，由于古城特殊的条件，配电网运维还停留在传统的运维模式。随着丽江经济及旅游业的发展，特别是旅游旺季，丽江日用电需求都明显增长，最大负荷也会增长，致使在供电过程中配电网关键设备出现故障的概率也大大提高。本文重点关注丽江古城地下配电网设施部分和长期在户外的电气柜等设备进行在线监测的技术阐述。

然而针对丽江古城内部配电网运行环境与传统配电网差异极大，所处的环境复杂多变，许多的不确定性因素的影响容易引发接地极阻抗的改变造成接地失效。接地极的接地导体一般为金属材料并镀有相应的防腐膜，防腐膜的存在使接地极外界的电解质溶液可能在一定的时限内无法渗透到涂层内部锌层的外表，浸涂锌后的接地钢材的使用年限得以极大延长，并保证了接地钢材的导电性、防腐性、耐冲击性和热稳定性。但导体在土壤电解质溶液中长久的浸泡和腐蚀会造成防腐膜的失效，导体材料发生以电化学反应为主的腐蚀，造成接地导体导电性（阻抗增大）降低，是接地极失效的主要原因之一。接地极外界会因多种客观自然环境因素（水位、土壤温湿度、接地井物理形变、土壤组成成分等）造成接地导体与土壤的导电率发生变化，造成接地回路受阻（对于单极大地回线或双极不对称方式）；同时接地电流同样会对接地外界环境造成影响，如接地电流增大伴随导体发热量的增多造成周围土壤温度上升，大地阻抗增加影响导电率。共多点接地极间个别接地极失效造成整体接地极作用失衡也是常见的故障。

一旦接地极发生故障，会直接影响电力输电网络运行，导致输电干道受阻，影响整个系统的安全稳定运行，甚至可能引发火灾，酿成重大事故。基于对输电网络运行安全性方面考虑，对接地极实际运行状态的监测显得尤其重要。

监测的目的是对接地极运行状态进行实时采集，不断地给出系统故障分析，帮助电网维护和管理人员及时了解接地极运行状态，以消除过程的异常行为，防止灾难性事故的发生。

系统监测的研究内容一般包括接地极参数监测及方式、故障预判等。现有的针对接地极的监测参数主要从以下的几个方面进行综合考虑，分别是：接地极电流（阻抗）、接地极的观测井环境变量（温度、水位和湿度等）、外界环境信息。

基于接地极系统监测的特点，本文对接地极监测方法进行总结，分别从监测方式和监测两个方面对接地极状态监测方法进行分类研究并对其进行详细的论述，并详细探讨了现阶段存在的问题以及其未来的发展趋势。

1 接地极监测研究现状

1.1 监测方式

（1）人工检测：通过人工定期巡检接地极观测井，对接地极参数进行人工采集，综合对接地极观测井内的物理表象（例如观测井水位、接地极外界环境等）进行人工诊断，粗略地判断引起接地极故障的可能性，进行人工干预修复 。

但人工检测的巡检周期较长、巡检成本高、测量数据准确度不高和实时性差等多种不利因素的存在。

（2）在线监控：在接地极端，应用传感器及AD转换技术采样多种接地极关联信号（如接地电流和电压、水位、土壤温湿度）并数字化，经一定的本地信号处理和分析，使用GPRS、GSM等多种无线传输技术以组网的形式将上述处理和分析结果反馈至监控中心（电网监控中心，一般称之为后台系统），监控中心实时对接地极的关联数字化信息进行自动分析、判断处理，并基于人在回路的干预模式实现对接地极的计算机托管。

1.2 监测参数

（1）接地电流：通过电流传感器（电磁式、电子式和光学式）实时测量接地极馈电电流，对接地极运行状态进行诊断，可以确定接地极电流分布及大小情况。若馈电电流过大会引起接地极本体腐蚀加速，缩短接地极运行寿命在正常情况下，馈电电流值同它所连接的电极长度大体上成正比并且基本不变。如果所测得的电流值同它的基准值相差较大，则说明电极可能被严重腐蚀，系统会发出报警信号。

（2）水位和土壤温湿度：使用温度、水位和湿度传感器测量接地井中的温度、水位和湿度数据，实时掌握接地极周围土壤状态。对接地极周围土壤状态进行诊断。若接地极的温度过高或湿度过低，会引起土壤电阻率增大，直接影响地中电流分布、地表电位、跨步电压和引起接地极发热，加速接地极本体腐蚀。

监控中心将接收到的观测井内的水位数据与预设定水位数据比较后可及时掌握井内水位变化情况。若井内水位过低，接地极可能会产生故障，应及时补水作业。

（3）接地极外界环境信息：基于气象数据采集设备采集接地极周围环境的温度、湿度、风向、风速、雨量和气压等公共气象信息参数，作为关联接地极安全运行的参变量因数，进一步分析接地极的运行状态。

2 当前存在的问题

尽管接地极本身监控方法已经得到了广泛的研究和良好应用，基于其发展现状分析，故障监测技术仍然有一些问题有待于进一步深入研究。

（1）多元信息融合研究较少：现有的在线监测技术以检测馈电电流、接地井水位、土壤温度和湿度，以及部分加入了对气象等公共信息气象信息的监测。同时现有的监测方法中一般单一地应用水位、温度、湿度、馈电电流等重要的单变量信息，对于大多數的实际过程来说，过程观察变量往往呈现出高度的相关性。单变量监测方法只考虑了单一变量的变化情况，无法对多个变量之间的相互影响关系进行关联分析。因此，应进一步加强各种信息进行融合建模，以适应复杂的设备状况。

（2）预警研究：故障的早期预测研究方法较少。为了保证设备的安全高效运行，需要及时发现设备的故障征兆并进行研究处理，最大限度地预防和避免重大事故的发生。

3 发展方向

针对接地极监测存在的问题，本文提出以下的发展方向。

3.1 完善监测参数

应用摄像头监视接地极外界环境，采集接地极外界环境图像，基于图像处理技术建立接地极物理环境数据模型；增加红外频谱采集传感器，获取以接地极电极为中心的环境温度实时梯度图和电解质液体动态流向图；同时利用互联网的开放性获取接地极区域宏观的气象信息，进行综合建模分析。

3.2 建立接地极“三维流场”动态模型

以接地极形状和物理建设尺寸数据为基础建立接地极三维物理外观模型。以水位、温度和湿度为参变量，应用如复数镜像法、积分法和滤波法建立计算土壤分层辐射型电阻率模型的格林函数，以此为基础建立接地极的接地电阻分布模型。基于等效法以接地馈电电流为第一变量、接地电极属性值（外观尺寸、电阻率）为第二变量的接地电流场分布计算模型。

以时间为牵引轴，将实时采集的接地极监控数据为参数值，将上述3种计算模型综合以构建接地极“三维流场”模型。

基于接地极“三维流场”模型，实时监测计算如接地电阻、跨步电压和地面电位等等接地参数成为可能。

3.3 故障分析预测方法

故障预测是在故障发生之前提前对故障进行预测，从而将潜在故障排除。基于接地极运行历史过程的数据特征来填充的接地极“三维流场”模型，根据模型对测试数据进行计算，通过检测数据对象是否在正常范围内，来预测系统是否出现故障。其次根据历史挖掘出数据关联，获取过程运行状态，进而指导维护操作。

首先，基于接地电极腐蚀公式，可建立接地电极寿命损耗的概念——将不同种类的时变参数（热量、温度、电流、机械应力、随机应力）对电极材料的影响进行评估，并在此基础上考虑多种因素的综合影响，提出多参作用下的寿命评估方法。

其次，采用基于多变量分析的接地极预测方法，对环境因子（温度、湿度、风速、接地电阻等）以及由它们所决定的成灾因子（温度、电流强度及其持续时间，电解质液体流量等），提取信号特征，检测接地极运行过程中的缓慢变化状况，建立变量回归关系模型，从而得出在该监测点随时间的推移的温升趋势分析、温度的梯度分析以及故障预警等问题。算法利用主元分析法（Principal Components Analysis，PCA），偏最小二乘回归（Partial Least Squares，PLS）可以有效地去除数据之间的相关性，融合接地极的机理模型和数据模型进行进一步建模。

实现故障征兆的检测，对故障进行预警处理。

4 结语

本文主要基于BIM技术对丽江古城区配电网监测技术进行了研究探讨，一些常用的BIM模型应用在监测的方法。针对当前的监测方式方法，给出了现在的监测技术的不足以及相应的研究问题的发展方向进行了阐述。

参考文献

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