国网新疆电力有限公司电力科学研究院新疆乌鲁木齐831000
摘要：随着人民对供电服务能力要求的不断提升，提升“最后一公里”的配网线路监控水平，建立停送电即时预警机制，丰富配网线路的泛在物联监控体系，传统的FTU、故障指示器监控手段成本高、监控范围窄，难以有效解决分支或末端停送电信息准确监测、配网单相接地的可靠定位、通讯方式的多样适用等相关问题，本文提出一种配网线路极板型智能监测终端的设计方法，详细介绍了采集电路设计、线路自取电电路设计、接地研判技术，构建了配网线路监控的物联网体系，实现了配电网全方位的在线监测和分。
引言
新疆将近占六分之一的国土面积，目前全疆10kV输电线路数量近41500条，线路总里程十万多公里，面对如此庞大的配网线路规模，由于现有的分支线路监控体系是故障指示监控体系，存在难以可靠测量线路电压，且暂态特性指示极易受外界电场影响，不易实现线路停电研判等问题。致使配电线路运行状态信息反应相对滞后，停电、故障处理时间长，用户投诉率居高不下，供电可靠性得不到保障，为新疆配电网运维工作带来一定的困扰。如何提前感知线路停电，提升单相接地故障定位效率，构建完整的指挥体系是当前新疆配网运维的难点，也是各供电公司的诉求。本文提出一种配网线路极板型智能监测终端，采用无线加“3+0”方案，省去了传统方式中的通信转发单元，降低系统投资维护成本，提高系统稳定性，同时在采集终端上采用大面积的极板代替原先的微型电极，构建线路-上极板-标准电容-下极板-大地的稳定分布电场，采用高精度电压测量单元，实现了线路电压监测±5%的精度，利用高精度自动守时技术在100μs基础上极大提升三相同步时差，实现20μs，高精度合成零序电压和零序电流，综合利用接地暂态特征法、稳态零序电压+零序电流阈值的综合判据进行接地故障的边缘计算，有效提升了接地研判的精准度。最后构建终端监测+供服平台的抢修指挥体系，实现停电信息秒级上传，自动向抢修APP推送主动抢修工单，有效提升抢修指挥效率。
1无线加密“3+0”通信方式
采用传统的故障指示器部署模式，只能够实现线路故障判别及故障定位等单一功能，而且其通信方式采用的是“3+1”模式，需要配置通信汇集单元，不仅成本投入大，且通信转发单元通常采用太阳能供电、后备电池储能技术，在新疆地区风沙大、四季分明温差较大的气候环境下也具有后期维护支出成本大的劣势。
本文所设计的线路智能监测终端可构建“梯级”终端体系，根据不同需要构建单相带电指示仪、“3+0”式状态监测模式和“3+0”式智能监测终端，但均具有GPRS无线通讯功能，GPRS无线通讯卡可在当地购买安装到装置中，主站通过运营商铺设带有固定IP的专线接入网络，主站通过该专线与远方的终端进行通讯。具备线路运行电流5A条件下的带电监测、15A条件下的故障诊断取电能力，节约了汇集单元，提升了配电终端部署的灵活性。采用这种“3+0”的无线通信方式，其通信模块已集成到装置内部，且内嵌支持国产商用密码算法的安全芯片是基于国产商用非对称密码算法SM2的数字证书技术，密钥存储在安全芯片中并浇灌封装，不但能够降低系统投资成本，还提高了通信可靠性。
2硬件设计
本设计所有单元均为模块化设计，开口CT不仅用来测量一次侧线路电流，还用于取电模块。常用的CT软磁铁芯有超微晶铁芯、坡莫合金铁芯及硅钢片铁芯。为了满足本设计在负荷电流为5A时就能正常取电，本设计选用了具有较高初始导磁率的坡莫合金铁芯。主处理器采用TI公司系统低功耗MP430FR5969芯片，用于给装置供电时
电池及自取电的切换，且内置铁电存储空间。
系统通过取能电路的同时进行电压、电流采样，每项所采数据经过各自中央处理器进行处理后，再通过Zigbee模块进行相间数据通信，最后由具备无线通讯功能的装置将线路状态信息数据汇总后与主站进行沟通，其基于数字特征状态的特征使装置具有综合定位分析能力，能实现故障源准确定位。
2.1取能电路
坡莫合金铁芯虽然具有较低的取能死区，但相比于硅钢片铁芯其在较低电压下就会发生磁饱和并产生尖脉冲电压。所以取能电路包括了电流互感器、全波整流电路、滤波电路、反向截止电路、储能电路、
稳压电路等的组合。
其中D1为冲击保护TVS管，它的作用是将电流互感器输出的交流电压限制在一个特定的工作范围内，以保护后级电路不受冲击。D2为全波桥式整流二级管，Q1、Q2为功率开关MOSFET，其栅极短路受电压监测电路控制。U1为电压监测电路，C2、C3为截止储能电容对前端的整流器D2和MOSFETQ1、Q2释放能量。U3后级为对CPU单元供电。
2.2电压采样回路
对于配网架空线路电压的分布式准确测量是目前的难点，而传统的电磁式、电容式、光学电压传感器无法满足配网线路低成本的要求。本设计应用电容感应原理，采用极板型的新型结构，构建线路-上极板-标准电容-下极板-大地的稳定分布电场，实现了线路电压监测
±5%的精度，形成等效测量电路，电压与电流的关系可得电容上的电压与导线电压之比为：
经等效电路计算可得：
其中：
式中：、、`、分别为电容器极板与导线和大地的空间杂散电容。
由上述原理测量的电压信号经过调理放大后经由采样转化成数字信号，再经过CPU进行处理交由通信模块进行无线传输至系统后台，便于保存和后续分析。
3故障检测判据及实际应用效果
3.1短路故障检测依据
当实测相电流I大于0.5A或实测相电压U大于3kV时，持续时间在半分钟以上系统判定为线路在运行。而当电流突变到超过所设定的短路电流门槛值Idz并持续在设定短路时间Tdz以上则判断为短路；在检测到电流大于短路电流门槛值之后的10秒时间段内，即电
流小于0.5A且电压低于无压门槛时判定为线路停电。
3.2接地故障检测依据
当实测相电压U大于且所设定有压门槛值，持续时间在30秒以上且返回时间超过相电压下降时间设定值就判定为线路在运行；单相电流增量I0大于接地电流门槛值I0dz；单相电压下降值ΔU大于电压下降门槛值Udz；且另外两相电压的任一相升高；相电压下降持续时间大于接地时间设定值；当负荷电流大于2A是即判定为线路有流。
4、总结与展望
本文提出的一种配电线路极板型智能监测终端，通过对采样技术、取电技术、接地研判技术、通讯技术的全面创新，实现线路电流、电压、带电状态的准确监测，线路停电信息的秒级上传，具备单相接地的边缘计算，融合线路自取电功能与信号传输网关提升部署灵活性，基于供电服务指挥平台和配电自动化主站系统，有效拓展配网泛在物联水平和配网精益化运营水平。可大大减少线路故障巡检次数、
缩短故障处理时间。对提高工作效率，供电可靠性和经济效益有着十分重要的意义。
但本设计在以下几方面仍有提升空间：
（1）接地故障识别率中有些接地故障类型的识别正确率仍可提高。
（2）产品采用了自取电和电池相结合的供电方式，在试点应用中效果和寿命任何仍需待定。
参考文献：
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