受線路老化、天氣環境、飛鳥和人為破壞等諸多因素的影響，電網短路故障時有發生，嚴重影響著電網供電質量及安全。為此，在發生故障時，需快速獲取故障信息，以便及時修復故障，從而保證電網安全可靠運行。可檢測故障信息的故障指示器因此應運而生，并在電網中得到越來越廣泛的應用。

電源供給問題是制約電力線路狀態監測發展的重要因素之一。傳統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、無記憶效應、自放電率低等優點，但在一定溫度范圍內，溫度越高，壽命衰減越快，且一旦電量耗盡，維護及更換電池不便。同時，隨著時間的增長，電池供電電壓逐漸降低，導致誤判漏判時有發生。

為了延長供電時間，在此基礎上添加太陽能電池板，但是這種供電方式具有間歇性和隨機性，且電池板易蒙塵，使得取電效果并不理想。與此同時，出現了與太陽能供電相同主回路與控制回路的風能供電方式，但受環境及氣象條件的影響，使得在線監測系統難以持續正常工作。

隨著大功率在線監測系統的大量應用，風光互補供電電源因彌補了風電和光電獨立供電的缺陷而得到廣泛應用，但是在惡劣環境條件下，如覆冰時期，只能依靠蓄電池供電，導致自生存能力大大降低。

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

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合供電可以優勢互補，增強了供電的可靠性和穩定性。但是存在激光光源的輸出功率和發光波長易受環境溫度的影響，且光電轉換效率低，以及激光二極管在大電流狀態下壽命短等缺點。而電場感應取能具有供電穩定、工程簡單等優點，但是獲取的能量受限，且絕緣可靠性較差。

鑒于超級電容器功率密度高、壽命長、可頻繁充放電、免維護、環保性好等優點，采用電流互感器取電、超級電容作為后備電源為監測終端供電的方式越來越多。這種方式很大程度地提高了可靠性，但是系統一直處于在線監測狀態，還需另加輔助電池供電，未充分發揮超級電容器的優勢。

另外，傳統的故障指示方式為翻牌或閃光指示，巡視人員難以及時發現問題且工作強度大。光纖通信傳輸故障信號具有通信速率高、抗電磁干擾強、傳輸距離遠等優點，但耗資巨大、鋪設及維修困難。利用全球移動通信系統（Global System for Mobile Communications, GSM）網絡傳遞故障信息性能穩定、可靠、靈活性高、成本低，只要區域覆蓋有GSM網絡，監控人員就能隨時隨地監測到線路是否發生故障。

針對以上故障指示器存在的問題，西安科技大學和榆林學院研究人員以低功耗、智能化、長壽命、綠色環保為原則，提出一種基于超級電容器的電網短路故障遠程監測系統自供電電源，有效地利用短路瞬間的能量，無需額外的輔助裝置供電。彌補了現有在線監測系統需輔助電源供電的缺陷，對智能電網短路故障監測供電技術的發展具有一定的借鑒意義。

系統組成架構

系統組成架構框圖如圖1所示，整個故障監測系統包括電流互感器CT、自供電電源、故障檢測模塊（包括控制器、電流檢測、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，通過電流檢測模塊判斷是否發生短路故障。

若電流大于過流觸發閾值，則判定為短路故障，控制器配置GSM模塊發送故障信號的初始化，GSM模塊與基站握手成功后，將故障信息發送至帶有監測設備的主站。若檢測到的電流未達到過流觸發閾值，故障檢測模塊不發送故障報警信號，避免了其他原因造成系統誤報警。

圖1 系統組成架構框圖

?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點畫線框內所示，自供電電源部分由整流模塊AC-DC、DC-DC穩壓模塊及其輸入端的前置電容C1、超級電容器（SC）、旁路開關、單向開關1、單向開關2及雙向開關構成。

圖2 系統自供電電源原理框圖

自供電電源工作原理為：電網正常工作時，感應到電流互感器CT二次電流較小，自供電電源不能獲取足夠的能量讓監測系統啟動工作，單向開關1和單向開關2分別處于從左至右及從上到下的單向導通狀態，旁路開關和雙向開關為斷開狀態。

發生短路故障時，CT耦合的短路電流經整流后對前置電容C1充電，當其兩端電壓上升至可使系統正常工作的電壓時，激活故障檢測模塊進入正常工作狀態，若判定為短路故障，控制器開始配置GSM模塊發送故障信號的初始化，并驅動雙向開關導通，短路電流開始為SC充電。

當SC充電到最大工作電壓后，控制器驅動旁路開關導通旁路CT電流，以防止SC過充。同時，由于單向開關1只能從左至右單向導通，因此可避免SC通過旁路開關放電，SC通過雙向開關及單向開關2為故障檢測模塊釋放能量，直至GSM模塊將故障信號發送至主站。

圖3 故障監測系統流程

研究人員還提出了自供電電源中關鍵參數超級電容器和前置電容容量選取方法。根據設定的前置電容遲滯上限電壓及其建立時間、監測系統最小工作電壓、正常工作所需功率，提出前置電容容量的設計方法；根據短路持續時間、SC的最小放電截止電壓和最大工作電壓及系統期望維持時間，提出SC容量的設計方法。

在提出的參數選取范圍內，使用者可根據電網實際運行情況、斷路器的整定值靈活選取參數，即可滿足故障監測所需工作電壓和發送故障信號所需能量，可提高配電網故障檢修效率。

以上研究成果發表在2020年《電工技術學報》增刊2上，論文標題為“基于超級電容器的電網短路故障監測系統自供電電源研究”，作者為李艷、劉樹林 等。