受线路老化、天气环境、飞鸟和人为破坏等诸多因素的影响，电网短路故障时有发生，严重影响着电网供电质量及安全。为此，在发生故障时，需快速获取故障信息，以便及时修复故障，从而保证电网安全可靠运行。可检测故障信息的故障指示器因此应运而生，并在电网中得到越来越广泛的应用。

电源供给问题是制约电力线路状态监测发展的重要因素之一。传统的故障指示器一般采用锂电池供电，锂电池具有功率密度高、无记忆效应、自放电率低等优点，但在一定温度范围内，温度越高，寿命衰减越快，且一旦电量耗尽，维护及更换电池不便。同时，随着时间的增长，电池供电电压逐渐降低，导致误判漏判时有发生。

为了延长供电时间，在此基础上添加太阳能电池板，但是这种供电方式具有间歇性和随机性，且电池板易蒙尘，使得取电效果并不理想。与此同时，出现了与太阳能供电相同主回路与控制回路的风能供电方式，但受环境及气象条件的影响，使得在线监测系统难以持续正常工作。

随着大功率在线监测系统的大量应用，风光互补供电电源因弥补了风电和光电独立供电的缺陷而得到广泛应用，但是在恶劣环境条件下，如覆冰时期，只能依靠蓄电池供电，导致自生存能力大大降低。

电磁感应装置结合干电池供电近年来也逐渐被引入，该方式减少了故障指示器自带电池能量的消耗，但在负荷低谷时，依然需要由干电池提供能量，故障指示器供电可靠性没有明显提升。

以电流互感器供电为主，电池供电、激光供电等方式为辅的联合供电可以优势互补，增强了供电的可靠性和稳定性。但是存在激光光源的输出功率和发光波长易受环境温度的影响，且光电转换效率低，以及激光二极管在大电流状态下寿命短等缺点。而电场感应取能具有供电稳定、工程简单等优点，但是获取的能量受限，且绝缘可靠性较差。

鉴于超级电容器功率密度高、寿命长、可频繁充放电、免维护、环保性好等优点，采用电流互感器取电、超级电容作为后备电源为监测终端供电的方式越来越多。这种方式很大程度地提高了可靠性，但是系统一直处于在线监测状态，还需另加辅助电池供电，未充分发挥超级电容器的优势。

另外，传统的故障指示方式为翻牌或闪光指示，巡视人员难以及时发现问题且工作强度大。光纤通信传输故障信号具有通信速率高、抗电磁干扰强、传输距离远等优点，但耗资巨大、铺设及维修困难。利用全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications, GSM）网络传递故障信息性能稳定、可靠、灵活性高、成本低，只要区域覆盖有GSM网络，监控人员就能随时随地监测到线路是否发生故障。

针对以上故障指示器存在的问题，西安科技大学和榆林学院研究人员以低功耗、智能化、长寿命、绿色环保为原则，提出一种基于超级电容器的电网短路故障远程监测系统自供电电源，有效地利用短路瞬间的能量，无需额外的辅助装置供电。弥补了现有在线监测系统需辅助电源供电的缺陷，对智能电网短路故障监测供电技术的发展具有一定的借鉴意义。

系统组成架构

系统组成架构框图如图1所示，整个故障监测系统包括电流互感器CT、自供电电源、故障检测模块（包括控制器、电流检测、GSM模块）、主站。自供电电源为控制器和GSM模块提供工作电源，控制模块采用超低功耗的控制器作为主控芯片，通过电流检测模块判断是否发生短路故障。

若电流大于过流触发阈值，则判定为短路故障，控制器配置GSM模块发送故障信号的初始化，GSM模块与基站握手成功后，将故障信息发送至带有监测设备的主站。若检测到的电流未达到过流触发阈值，故障检测模块不发送故障报警信号，避免了其他原因造成系统误报警。

图1 系统组成架构框图

​自供电电源工作原理

所提出的自供电电源原理框图如图2点画线框内所示，自供电电源部分由整流模块AC-DC、DC-DC稳压模块及其输入端的前置电容C1、超级电容器（SC）、旁路开关、单向开关1、单向开关2及双向开关构成。

图2 系统自供电电源原理框图

自供电电源工作原理为：电网正常工作时，感应到电流互感器CT二次电流较小，自供电电源不能获取足够的能量让监测系统启动工作，单向开关1和单向开关2分别处于从左至右及从上到下的单向导通状态，旁路开关和双向开关为断开状态。

发生短路故障时，CT耦合的短路电流经整流后对前置电容C1充电，当其两端电压上升至可使系统正常工作的电压时，激活故障检测模块进入正常工作状态，若判定为短路故障，控制器开始配置GSM模块发送故障信号的初始化，并驱动双向开关导通，短路电流开始为SC充电。

当SC充电到最大工作电压后，控制器驱动旁路开关导通旁路CT电流，以防止SC过充。同时，由于单向开关1只能从左至右单向导通，因此可避免SC通过旁路开关放电，SC通过双向开关及单向开关2为故障检测模块释放能量，直至GSM模块将故障信号发送至主站。

图3 故障监测系统流程

研究人员还提出了自供电电源中关键参数超级电容器和前置电容容量选取方法。根据设定的前置电容迟滞上限电压及其建立时间、监测系统最小工作电压、正常工作所需功率，提出前置电容容量的设计方法；根据短路持续时间、SC的最小放电截止电压和最大工作电压及系统期望维持时间，提出SC容量的设计方法。

在提出的参数选取范围内，使用者可根据电网实际运行情况、断路器的整定值灵活选取参数，即可满足故障监测所需工作电压和发送故障信号所需能量，可提高配电网故障检修效率。

以上研究成果发表在2020年《电工技术学报》增刊2上，论文标题为“基于超级电容器的电网短路故障监测系统自供电电源研究”，作者为李艳、刘树林 等。