受線(xiàn)路老化、天氣環(huán)境、飛鳥(niǎo)和人為破壞等諸多因素的影響，電網(wǎng)短路故障時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響著電網(wǎng)供電質(zhì)量及安全。為此，在發(fā)生故障時(shí)，需快速獲取故障信息，以便及時(shí)修復(fù)故障，從而保證電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行。可檢測(cè)故障信息的故障指示器因此應(yīng)運(yùn)而生，并在電網(wǎng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

電源供給問(wèn)題是制約電力線(xiàn)路狀態(tài)監(jiān)測(cè)發(fā)展的重要因素之一。傳統(tǒng)的故障指示器一般采用鋰電池供電，鋰電池具有功率密度高、無(wú)記憶效應(yīng)、自放電率低等優(yōu)點(diǎn)，但在一定溫度范圍內(nèi)，溫度越高，壽命衰減越快，且一旦電量耗盡，維護(hù)及更換電池不便。同時(shí)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，電池供電電壓逐漸降低，導(dǎo)致誤判漏判時(shí)有發(fā)生。

為了延長(zhǎng)供電時(shí)間，在此基礎(chǔ)上添加太陽(yáng)能電池板，但是這種供電方式具有間歇性和隨機(jī)性，且電池板易蒙塵，使得取電效果并不理想。與此同時(shí)，出現(xiàn)了與太陽(yáng)能供電相同主回路與控制回路的風(fēng)能供電方式，但受環(huán)境及氣象條件的影響，使得在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)難以持續(xù)正常工作。

隨著大功率在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的大量應(yīng)用，風(fēng)光互補(bǔ)供電電源因彌補(bǔ)了風(fēng)電和光電獨(dú)立供電的缺陷而得到廣泛應(yīng)用，但是在惡劣環(huán)境條件下，如覆冰時(shí)期，只能依靠蓄電池供電，導(dǎo)致自生存能力大大降低。

電磁感應(yīng)裝置結(jié)合干電池供電近年來(lái)也逐漸被引入，該方式減少了故障指示器自帶電池能量的消耗，但在負(fù)荷低谷時(shí)，依然需要由干電池提供能量，故障指示器供電可靠性沒(méi)有明顯提升。

以電流互感器供電為主，電池供電、激光供電等方式為輔的聯(lián)合供電可以?xún)?yōu)勢(shì)互補(bǔ)，增強(qiáng)了供電的可靠性和穩(wěn)定性。但是存在激光光源的輸出功率和發(fā)光波長(zhǎng)易受環(huán)境溫度的影響，且光電轉(zhuǎn)換效率低，以及激光二極管在大電流狀態(tài)下壽命短等缺點(diǎn)。而電場(chǎng)感應(yīng)取能具有供電穩(wěn)定、工程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是獲取的能量受限，且絕緣可靠性較差。

鑒于超級(jí)電容器功率密度高、壽命長(zhǎng)、可頻繁充放電、免維護(hù)、環(huán)保性好等優(yōu)點(diǎn)，采用電流互感器取電、超級(jí)電容作為后備電源為監(jiān)測(cè)終端供電的方式越來(lái)越多。這種方式很大程度地提高了可靠性，但是系統(tǒng)一直處于在線(xiàn)監(jiān)測(cè)狀態(tài)，還需另加輔助電池供電，未充分發(fā)揮超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)。

另外，傳統(tǒng)的故障指示方式為翻牌或閃光指示，巡視人員難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題且工作強(qiáng)度大。光纖通信傳輸故障信號(hào)具有通信速率高、抗電磁干擾強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但耗資巨大、鋪設(shè)及維修困難。利用全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications, GSM）網(wǎng)絡(luò)傳遞故障信息性能穩(wěn)定、可靠、靈活性高、成本低，只要區(qū)域覆蓋有GSM網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控人員就能隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)到線(xiàn)路是否發(fā)生故障。

針對(duì)以上故障指示器存在的問(wèn)題，西安科技大學(xué)和榆林學(xué)院研究人員以低功耗、智能化、長(zhǎng)壽命、綠色環(huán)保為原則，提出一種基于超級(jí)電容器的電網(wǎng)短路故障遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自供電電源，有效地利用短路瞬間的能量，無(wú)需額外的輔助裝置供電。彌補(bǔ)了現(xiàn)有在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需輔助電源供電的缺陷，對(duì)智能電網(wǎng)短路故障監(jiān)測(cè)供電技術(shù)的發(fā)展具有一定的借鑒意義。

系統(tǒng)組成架構(gòu)

系統(tǒng)組成架構(gòu)框圖如圖1所示，整個(gè)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括電流互感器CT、自供電電源、故障檢測(cè)模塊（包括控制器、電流檢測(cè)、GSM模塊）、主站。自供電電源為控制器和GSM模塊提供工作電源，控制模塊采用超低功耗的控制器作為主控芯片，通過(guò)電流檢測(cè)模塊判斷是否發(fā)生短路故障。

若電流大于過(guò)流觸發(fā)閾值，則判定為短路故障，控制器配置GSM模塊發(fā)送故障信號(hào)的初始化，GSM模塊與基站握手成功后，將故障信息發(fā)送至帶有監(jiān)測(cè)設(shè)備的主站。若檢測(cè)到的電流未達(dá)到過(guò)流觸發(fā)閾值，故障檢測(cè)模塊不發(fā)送故障報(bào)警信號(hào)，避免了其他原因造成系統(tǒng)誤報(bào)警。

圖1 系統(tǒng)組成架構(gòu)框圖

?自供電電源工作原理

所提出的自供電電源原理框圖如圖2點(diǎn)畫(huà)線(xiàn)框內(nèi)所示，自供電電源部分由整流模塊AC-DC、DC-DC穩(wěn)壓模塊及其輸入端的前置電容C1、超級(jí)電容器（SC）、旁路開(kāi)關(guān)、單向開(kāi)關(guān)1、單向開(kāi)關(guān)2及雙向開(kāi)關(guān)構(gòu)成。

圖2 系統(tǒng)自供電電源原理框圖

自供電電源工作原理為：電網(wǎng)正常工作時(shí)，感應(yīng)到電流互感器CT二次電流較小，自供電電源不能獲取足夠的能量讓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)工作，單向開(kāi)關(guān)1和單向開(kāi)關(guān)2分別處于從左至右及從上到下的單向?qū)顟B(tài)，旁路開(kāi)關(guān)和雙向開(kāi)關(guān)為斷開(kāi)狀態(tài)。

發(fā)生短路故障時(shí)，CT耦合的短路電流經(jīng)整流后對(duì)前置電容C1充電，當(dāng)其兩端電壓上升至可使系統(tǒng)正常工作的電壓時(shí)，激活故障檢測(cè)模塊進(jìn)入正常工作狀態(tài)，若判定為短路故障，控制器開(kāi)始配置GSM模塊發(fā)送故障信號(hào)的初始化，并驅(qū)動(dòng)雙向開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，短路電流開(kāi)始為SC充電。

當(dāng)SC充電到最大工作電壓后，控制器驅(qū)動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)導(dǎo)通旁路CT電流，以防止SC過(guò)充。同時(shí)，由于單向開(kāi)關(guān)1只能從左至右單向?qū)?，因此可避免SC通過(guò)旁路開(kāi)關(guān)放電，SC通過(guò)雙向開(kāi)關(guān)及單向開(kāi)關(guān)2為故障檢測(cè)模塊釋放能量，直至GSM模塊將故障信號(hào)發(fā)送至主站。

圖3 故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程

研究人員還提出了自供電電源中關(guān)鍵參數(shù)超級(jí)電容器和前置電容容量選取方法。根據(jù)設(shè)定的前置電容遲滯上限電壓及其建立時(shí)間、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最小工作電壓、正常工作所需功率，提出前置電容容量的設(shè)計(jì)方法；根據(jù)短路持續(xù)時(shí)間、SC的最小放電截止電壓和最大工作電壓及系統(tǒng)期望維持時(shí)間，提出SC容量的設(shè)計(jì)方法。

在提出的參數(shù)選取范圍內(nèi)，使用者可根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況、斷路器的整定值靈活選取參數(shù)，即可滿(mǎn)足故障監(jiān)測(cè)所需工作電壓和發(fā)送故障信號(hào)所需能量，可提高配電網(wǎng)故障檢修效率。

以上研究成果發(fā)表在2020年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊2上，論文標(biāo)題為“基于超級(jí)電容器的電網(wǎng)短路故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自供電電源研究”，作者為李艷、劉樹(shù)林 等。