10 kV配電網線路故障自動定位及監測系統

徐文浩，劉 浩，董學坤，周晶晶，朱 君

（1．鎮江泰利豐電子有限公司，江蘇 鎮江212021；2．江蘇省電力公司鎮江供電公司，江蘇 鎮江212400；3．天津寧河供電有限公司，天津301500；4．中國電信股份有限公司南京江寧區分公司，江蘇 南京210009）

1 概 述

10 kV配電線路故障定位是國內外至今未能很好解決的難題。國內廣泛使用的方法是在10 kV配電線路上加掛故障翻牌指示器，這種裝置不能向后臺發送故障信息，且要在每一個節點上加裝。一旦發生線路故障，變電站的斷電保護系統會自動跳閘，然后按程序自動重合閘，如出現不可恢復的故障，自動重合閘就會失敗，電力公司需要派人全線查看故障翻牌指示器尋找故障點。查到故障線路到排除一般要2個小時左右，甚至更長的時間。查找故障所占的時間在故障處理總時間80%左右。

國內有人設想在故障翻牌器上加短距離的小功率無線傳輸技術，可傳輸距離約為20～50 m，然后再由一個中繼站用GSM發送故障信息。這種方案的缺點是布點多，小功率無線傳輸可靠性低，對故障判斷的準確性有欠缺。

由于配電網分支線路多，查找故障十分不便，往往耗費大量的人力、物力和時間。對于農村電網，需要翻山越嶺跨河越溝就更加困難。

我國改革開放后城市電網建設有了長足的發展，市區供電為了美觀和安全而鋪設的地下電纜配電線路使用時間已近30年之久，電纜的絕緣性能開始逐漸劣化，局部放電現象時有發生。局部放電現象最終會引發電纜短路而造成系統停電事故。現有技術通常是在電纜短路造成停電損失后再使用電纜故障定位儀進行定位測距，找出電纜短路點后進行修理。但由于停電事故已經發生，所造成的經濟損失已不可挽回。因此，亟需一種事前預警手段來回避此類停電事故。或確立一種方法，即使發生停電事故，也能夠在數分鐘內快速處理故障，以減少經濟損失。

2 故障自動定位及監測系統的研究開發

根據我國電力市場的需求，研制了集故障定位和線路監測為一體的故障自動定位及監測系統，可適用于非接地系統的10 kV配電線路，也可適用于高阻接地系統，或直接接地系統的任何電壓等級。

本系統的主要功能如下：

（1）電纜設備故障預警及定位技術，能監測出電纜局部放電現象，對未來可能發生的短路故障進行預警。

（2）非接地配電系統的在線短路／接地故障定位，當10 kV配電線路發生故障后，快速查找故障地點和故障類型。

（3）非接地配電網故障預警及定位監測裝置和系統，與配調自動化系統聯網，做到資源共享。

2．1 系統的構成

本系統由故障檢測及監測裝置，自動故障定位及監測系統服務器以及便攜終端設備所組成。

（1）故障檢測及監測裝置

故障檢測及監測裝置直接從線路取能，內置有GPS接收器。GPS同步采樣控制的10 MHz采樣電路對線路電壓和電流進行高精度同步采樣，可捕獲配電線路的電壓／電流快速變化波形。線路故障電壓／電流行波，或電纜局部放電脈沖行波被捕捉時，捕捉時的時間戳同時被記錄為事件記錄的一部分，通過GPRS數據鏈路傳送到服務器進行故障測距或其他處理。

故障檢測及監測裝置還可同時進行線路潮流和高次諧波的測量。

（2）自動故障定位及監測系統服務器

本服務器待機接收來自各個故障檢測及監測裝置送來的故障事件報文，基于配電線路數據庫數據，對相關線路的拓撲結構和接收到的可用故障事件數據進行綜合分析，找出故障事件數據的最佳測距配對，進行測距計算。

計算出的測距結果可配送以下方面：配送到配調自動化系統；

基于GIS的WEB故障位置信息顯示；

故障信息的WEB連接以短信格式送往便攜終端設備。

（3）便攜終端設備

可使用通用設備，如智能手機／平板電腦。要求具有短信接收或電子郵件接收功能和HTML5對應的WEB游覽功能。

2．2 信息流程

（1）10 kV配電線路發生故障后，故障檢測及監測裝置及時檢測出故障行波，并將故障檢測信息迅速送往測距服務器。這個過程僅需不到1 min的時間。

（2）測距服務器在一段時間內同時接收來自各個／多個故障檢測及監測裝置的故障檢測信息。部分數據接收到后，立即進行測距計算處理，如未能探測到故障點，等待其他的故障檢測及監測裝置送來故障檢測信息。如探測到故障點，暫緩存于測距結果緩沖區，如在一定的時間內有新的故障檢測信息到達，并比本結果更具有信賴性的話，則更新它。測距服務器端的數據等待和測距過程受制于GPRS數據鏈路的延遲，一般情況下，大約花費時間不超過2 min。

（3）測距服務器在完成測距計算后，測距結果存入測距數據庫，并向已登錄的手機號碼發送故障短消息，提醒擔當者關注線路故障的處理。本過程通常僅需數秒的時間。

系統的信息流程圖如圖1所示。

圖1 系統信息流程圖

2．3 本系統的優越性

本系統適用在10 kV及以下高阻或非接地系統，能夠實現系統的短路和單相接地故障定位、單相接地故障選線以及各設置點的潮流監測和高次諧波監測等功能。

故障檢測和測量設備與配電系統自動故障定位及監測系統服務器的通信通過GPRS數據鏈路進行。故障信息可通過短消息方式報告給配電系統故障定位及監測系統服務器，以進行系統層次的故障測距計算。監測信息可記錄的設備內置存儲器中，可儲存2周左右的該設置點的配電潮流和諧波數據信息。存儲的數據信息可在設置點近處使用具有藍牙接口的便攜終端設備直接下載獲取。

可直接接收配電系統自動故障定位及監測系統的指令和故障位置信息，在LCD屏幕上顯示故障信息，并通過地圖導向，直接引導巡檢人員到達線路故障點。

配電系統因為分支線多而復雜，在我國配電網發生短路故障時一般僅出口斷路器跳閘，即使在主干線上用開關分段，也只能隔離有限的幾段，要找出具體故障位置往往需耗費大量人力、物力和時間。配電系統自動故障定位及監測系統，可以在配網故障發生后的幾分鐘內，利用安裝在線路上的故障檢測和測量設備檢測出故障所在的區段，同時利用現代的通信技術將故障檢測和測量設備收集到配電系統自動故障定位及監測系統服務器，使用EMTP模擬非接地3相配電線路及故障，理論驗證故障檢測和微接地故障點測距算法。

計算出故障點，在GIS系統上顯示故障區間和故障點。

將故障位置信息與電力應急指揮系統進行共享，指揮系統根據線路運行人員的具體位置合理地進行調度，使運行維護人員在最短時間內趕到現場，為故障處理贏得時間，避免事故范圍進一步擴大。

本系統可以快速確定配電線路故障的位置，把人員從過去漫無目的的逐桿查找中解放出來，極大地提高故障查找和處理效率，提高供電可靠性。

本監測系統主要是利用地理信息系統技術、異地同步采樣的故障檢測測距手法和現代通信技術，用于架空及電纜短路和單相接地點的檢測和定位，迅速確定故障所在區段和區間內故障點。系統可以幫助維護人員迅速趕赴現場，排除故障，恢復正常供電，大大提高供電可靠性，同時也減少了故障巡線人員，提高工作效率。

系統主要技術指標如表1。

表1 系統主要技術指標

3 結 論

10 kV配電網采用故障行波多點同步測量，能快速準確地獲得故障發生時電壓和電流行波，運用分析軟件確定故障地點。隨著現代科技的發展，速度更快、成本更低的大規模集成電路的應用，衛星時鐘脈沖信號接收裝置的低成本小型化，以及GPRS通信網絡的快速發展，為10 kV故障定位及監測系統的建設創造了條件。隨著這項成果的推廣應用，對我國智能化電網的建設將發揮重要的作用。