高压电力计量系统频发短路故障实时监察系统

陆韦

（国网上海嘉定供电公司上海201800）

在高压电力计量系统中，一旦某一部位出现故障，那么整个计算系统计量结果都会不准确，严重则会导致整个计量系统出现瘫痪，无法保证系统能够正常工作[1-3]。从电力计量系统中流过的电流是带有负电荷的，随着电荷大小变化，系统运行状态也随之改变。因此，需对系统中频繁出现的短路问题进行检测[4]。

传统系统仅对一次侧短路进行分流，无法分析出系统是随着负荷减小所引起的电流变化[5]。这种研究是建立在已知电力计量系统上进行的，将故障状态下的计量值与正常运行状态下的计量值进行了比较，虽然该方法计算出了所有损失的计量值，但是在实际应用过程中无法确定系统本身的故障类型。为此，提出了高压电力计量系统频发短路故障实时监察系统设计。该系统是基于ARM的微处理器设计的监察装置，通过不同电路设计方案，选择一种有效监察故障方案，以此保证电力系统工作的正常运行。

1 高压电力计量系统工作原理

高压电力计量系统工作原理如图1所示。

图1 高压电力计量系统工作原理

图1中：①和②为两个计量表，A和B为电压互感器，C和D为电流互感器，I1和I2为电流[6]。将用电计量系统视为一个整体，当电路出现故障时，利用阻抗变化来说明计量系统所产生的变化。基于此原理，设计频发短路故障实时监察系统[5]。

2 监察系统硬件结构设计

根据上述高压电力计量系统工作原理可知，电流互感器经过一次侧短路之后，网络等效阻抗发生了变化，该变化严重影响了故障信号的监察，为此需针对该变化构建监察装置[7-9]。

系统硬件结构框图设计，如图2所示。

图2 监察系统硬件结构框图

由图2可知：监察系统采用基于ARM内核的SM32F103ZE处理器，时钟频率为75 MHz，500 kB闪存的静态随机存取存储器，内部集成可12位的A/D转换器，最高采样速率可达到1 MHz，该配置可减少原器件数目和电路板占用面积[10]。

频发短路故障报警装置主要是由传感和压力模块组成的，一旦某个位置出现短路问题，那么通过信号传递，使故障压力变大，最终导致报警指示灯亮起[11-13]。

通常报警传感器工作电压最高为15 V，将报警传感承受压力最大范围所对应的电压值与最小范围电压值进行比较，并展开分析，输出二值数字信号。如果该信号电压值大于等于固定阈值，那么说明电路中出现短路问题，需亮起指示灯；反之，如果该信号电压值小于固定阈值，那么说明电路中无短路问题，指示灯不亮起[14]。

采用基于ARM内核的SM32F103ZE处理器设计了电流互感器结构，将主绕组的大电流转换为小电流，而小电流通过副绕组输出，利用测量仪表和继电器为电流线圈提供[15]电流，通过电流大小反映电器设备运行参数和故障情况。利用LCD12864的液晶显示屏显示实时日历，以及相应监察状态，并在查询时可显示不同历史数据，方便管理人员快速获取故障信息。使用15 V工作电压的报警传感器，一旦某个位置出现短路问题，那么通过信号传递，使故障压力变大，最终导致报警指示灯亮起，由此完成系统频发短路故障实时监察系统硬件结构的设计。

3 系统软件模块设计

频发短路故障实时监察系统软件部分的设计主要是对电流互感器进行初始化处理。短路故障监察装置程序使利用C语言来实现的，对电流互感器进行初始化处理，设置故障判断初始值，如果出现判断中断的现象，则需采集中断信号；如无中断现象，则需返回到上一步骤，直至出现中断现象。将采集到的信号进行分析并判断，如果压力超出固定范围，那么硬件结构中的报警器就会发出报警信号；反之，则无明显变化，返回到中断上一级[16]。

3.1 短路故障特征获取

高压电力计量系统一旦出现异常现象，那么网络地址和端口分布也会随之改变。如果电流互感器电路出现错误，那么原始电流走向将会被改变，造成短路现象。根据系统短路特征，采用短路矩阵方法对短路故障特征情况进行分析。设故障特征为x，样本总数量为y，从总样本中选取的分析个数为z，针对某个故障特征n出现的次数，记为mn，因此，该故障特征可描述为：

3.2 故障监察功能设计

根据上述对高压电力计量系统异常特征的获取，可对频发短路故障监察功能进行设计。将故障特征提取出来，并存储到数据库之中，提高对短路故障分析结果的可靠性。为了保证故障监察功能的有效性，需对故障特征与硬件结构进行交互分析，具体分析流程如下所示：

1）读取配置文件；

2）构建数据库连接；

3）配置监察驱动；

4）创建实时监察服务器。

根据分析流程可知，该功能的设计需先读取软件配置文件，通过文件内容构建数据库，注册ODBC数据源，使用C语言进行编程，利用脚本文件中的OpenDataBase（）函数进行数据库的连接。通过配置监察驱动，实现故障信息的实时监察。调用故障描述特征，从配置文件中获取监察服务IP地址，由此实现故障监察功能的设计。

频发短路故障实时监察系统软件部分的设计主要是对电流互感器进行初始化处理。利用C语言设计软件流程，采用短路矩阵方法对短路故障特征情况进行分析，得到故障特征描述函数，根据函数分析结果，获取频发短路特征。提取故障特征与硬件结构进行交互分析，根据分析流程设计故障监察功能，由此完成系统软件部分的设计。

4 验证分析

将两班制度电力工作形式作为负载，验证分析高压电力计量系统频发短路故障实时监察系统设计的合理性。为了研究方便，将工厂负荷曲线作为研究对象，具体验证内容如下所示。

4.1 实验结果与分析

两班制负荷曲线如图3所示。

图3 两班制负荷曲线

由图3可知：两班制负荷曲线呈现一致状态，都是先上升后下降。当时间为250min时，第一班负荷已经达到了最大值，即为13×106P，而第二班负荷在时间为750 min时，达到了最大值，即为13×106P。此时通过监察系统获取的电压信号如图4所示。

图4 两班制电压信号

由图4可知：随着两班制负荷变化，监察电压信号在4～7 V范围内波动。根据该电压信号变化情况和上述负荷曲线，对传统系统与监察系统对高压电力计量系统频发短路故障监察效果进行对比分析，具体对比内容如下所示。

采用传统系统缺少对电流互感器的设计，无法准确获取短路特征，使监察到的电压信号不稳定，导致监察效果较差；而设计的故障实时监察系统，具有电流互感器装置，能够实时获取短路故障特征，监察到的电压信号比较稳定，监察效果较好。

为了验证上述内容，将传统系统与故障实时监察系统对高压电力计量系统频发短路故障监察效果进行对比分析。在出现短路故障情况下，两班制负荷曲线变化情况如图5所示。

图5 短路故障条件下两班制负荷曲线变化情况

由图5可知：受到短路故障影响，两班制负荷曲线走向大致相同，但与原始走向相比出现了较大偏差。当时间为180 min时，第一班负荷已经达到了最大值，即为5×106P，而第二班负荷在时间为750 min时，达到了最大值，即为3.8×106P。

在该条件下，两种系统监察到的电压信号如图6所示。

由图6可知：在短路故障影响下，两种系统监察到的电压信号与原始信号不一致。

图6 两种系统监察的电压信号

当时间为100 min时，传统系统监察的电压信号为0.5 P。而故障实时监察系统监察的电压信号为0.2 P；当时间为200 min时，传统系统监察的电压信号为0.25 P。而故障实时监察系统监察的电压信号为0.15 P；当时间为300 min时，传统系统监察的电压信号为0.3 P。而故障实时监察系统监察的电压信号为0.1 P；当时间为400 min时，传统系统监察的电压信号为0.55 P。而故障实时监察系统监察的电压信号为0.05 P；当时间为500 min时，传统系统监察的电压信号为1.5 P。而故障实时监察系统监察电压信号为0.05 P，此时第一班制结束。

当时间为600 min时，传统系统监察的电压信号为0.4 P。而故障实时监察系统监察的电压信号为0.05 P；当时间为700 min时，传统系统监察的电压信号为0.12 P。而故障实时监察系统监察的电压信号为0.1 P；当时间为800 min时，传统系统监察的电压信号为0.3 P。而故障实时监察系统监察的电压信号为0.15 P；当时间为900 min时，传统系统监察的电压信号为0.8 P。而故障实时监察系统监察的电压信号为0.2 P；当时间为1 000 min时，传统系统监察的电压信号为2 P。而故障实时监察系统监察电压信号为0.3 P，此时第二班制结束。

根据上述电压信号监察结果，将这两种系统的监察效果进行对比，结果如表1所示。

将表1对比内容作为实验对比结果，由结果可知，当时间为100 min时，故障实时监察系统比传统系统监察效果高50%；当时间为200 min时，故障实时监察系统比传统系统监察效果高58%；当时间为300 min时，故障实时监察系统比传统系统监察效果高42%；当时间为400 min时，故障实时监察系统比传统系统监察效果高48%；当时间为500 min时，故障实时监察系统比传统系统监察效果高48%；当时间为600 min时，故障实时监察系统比传统系统监察效果高47%；当时间为700 min时，故障实时监察系统比传统系统监察效果高57%；当时间为800 min时，故障实时监察系统比传统系统监察效果高59%；当时间为900 min时，故障实时监察系统比传统系统监察效果高58%；当时间为1 000 min时，故障实时监察系统比传统系统监察效果高47%。

表1 两种系统监察效果

4.2 实验结论

综上所述：采用故障实时监察系统可有效监察受到短路故障影响的电压信号变化情况，且无论是第一班制，还是第二班制的电压都趋近于零。而传统系统上下波动幅度较大，不满足实际电压变化情况。

由此可得出结论：高压电力计量系统频发短路故障实时监察系统设计是具有合理性的，与传统系统相比，监察效果要好。

5 结束语

高压电力计算系统在整个电力系统中占据重要的地位，一旦某个环节出现短路故障问题，都会直接影响系统监察效果。结合短路故障特征，以电流互感器短路故障为研究对象，进行实验分析，通过实验结果可知，采用故障实时监察系统在时间为1 000 min时，监察效果达到了最大值，即为96%。

虽然该系统具有良好监察效果，但对于系统的安全使用问题还有待解决。因此，在以后研究过程中，针对系统安全问题作出详细规划，保证系统在安全状态下，实现对故障的实时监察。