基于無線傳感器網絡的配電網線路故障定位方案研究

摘 要：近年來，我國電力行業得到了突飛猛進的發展，與此同時，電力用戶對電能質量和可靠性的要求也不斷提升，而無線傳感網絡能夠可靠、迅速的收集配電網相對微弱的故障信號，并準確、快速的定位故障點，從而及時排除故障，使電力系統正常運行，從而受到的關注越來越多。對此，文章對基于無線傳感網絡配電網線路故障定位作了概述，并就其應用方案進行了探討。

關鍵詞：無線傳感器網絡；配電網線路；故障定位

配電網是發電系統、輸電系統與受電用戶的連接者，在輸送電能過程中處于最后環節，其運行狀況的好壞與用戶接受的電能質量息息相關，但故障是影響其正常運行的障礙之一。隨著科技的進步和發展，基于無線傳感器網絡的配電網線路故障定位技術廣受關注，且在實踐應用中發揮了應有的效用，因此加大對其的研究力度具有十分重要的現實意義。

1 基于無線傳感器網絡的配電網線路故障定位概述

1.1 無線傳感器網絡內涵

無線傳感器網絡集采集信息、處理數據、無線通信等多項功能于一體，不僅能迅速、有效的采集配電網線路中處于微弱狀態的故障信號，還可以準確且及時的判斷出故障所在位置，因此在電力行業中得以廣泛應用。

相比之下，無線傳感器網絡有著傳統故障定位系統不可比擬的優勢，其節點多而廣，信噪比大，具有較高的測距精度和更廣的測距區域；對環境的適應性較強，特別是在環境較為惡劣的區域以及偏遠地區；因其功能集成性較強，很大程度上簡化了布線和設備，因此性能高，成本低。

1.2 無線傳感器網絡故障定位的工作原理

基于無線傳感器網絡的配電網線路故障定位系統應快速性、準確性、可靠性和同步性要求，由于90%的電力系統配電網線路故障屬于單相接地故障類型，因此本文以此為研究對象展開分析，其工作原理如下：通過將無線傳感器節點安裝在配電網線路中，可獲取節點位置對應的電流信息，然后對比故障與非故障中各相鄰節點間的故障電流差實現準確定位故障點。單項接地故障的電流分布如圖1所示，當C相節點1和2之間的線路出現接地故障時，圖2 中的虛線則表示故障電流，陰影則為其在傳輸線路中的布局。

2 基于無線傳感器網絡的配電網線路故障定位方案

2.1 構建仿真模型

2.2 實施實驗測試

通過利用電力傳輸線路中無線傳感器網絡節點可監測故障點的電流信息，此時既可以經由網關將其傳送到控制中心加以處理，也可以直接在無線傳感器中對其實施分部式處理，在此通過實驗測試無線傳感器網絡在配電網線路故障定位中的性能。

本文采用的是新型傳感器節點IRIS，其中每個節點都由電池、數據采集板、電流傳感其、處理器組成，通過合理運用True Mesh原理實現X-mesh網絡的自動組建，以此達到彼此數據雙向傳遞的目的，然后所有節點所獲取的數據會在目的節點處得以匯聚，并經過網關將其與因特網、計算機、有線通信系統、無線通信系統等進行連接。實驗中的數據采集板允許輸入的最大電壓為2.5V，而電壓在經過電壓互感器后，其數值均在2.5V以下，故被采集的數據可以完全呈現在PC機上，同時還可以監測到數據傳輸延遲、系統的拓撲結構等。若某個節點的電源被關掉，網絡能在短短的幾秒中實現自動重組，而且依舊可以向PC機傳輸數據，其性能絲毫未被影響，可見，X-mesh無線傳感器網絡被應用于配電網線路故障定位的可行性很高。

2.3 分析實驗結果

一是快速性分析，這是配電網線路故障定位的基本要求，即故障出現時，節點應在最短時間內執行相關操作，且數據傳輸的延遲不得超過4ms。由于該故障定位系統中利用的是同步觸發裝置，節點可在極短時間內開始工作，故分析其延性性十分必要。通常節點匯聚時出現的延時主要為tp，tw，tt，tr，若通信量在網絡量中的比例為15%，數據包長為28個字節，其傳輸速度為150kbit/s，線路中節點的間距為50m，經計算得其延時最大值為3.34ms，處于規定范圍內，因此其符合快速性基本要求。二是準確性分析，其既是故障測距的基礎要求也是重要要求。在該定位系統中，節點間距是影響定位精度的重要因素，用l代表被監測的線長，D代表傳輸的最大半徑，r代表節點間距，δ代表相對誤差，當δ等于2%或者低于該值時符合要求。由于該系統中的傳感器節點MICA2的D處于500m到1000m范圍內，r一般取值為50m，只需保證l≥2500m即可，顯然中低壓配電系統符合該項要求，因此該定位系統的準確性有保證。三是可靠性分析，此時要求該定位系統只要處于運行狀態就能發現故障信息，且能可靠的將其傳輸到管理區域。通過在仿真模型中選取300個節點，在使其在長寬均為100m的范圍內分布的同時采用同種拓撲結構，通過逐漸增加信道差錯率，分析其不同路徑的故障信息監測質量和傳輸可靠性，實驗證明，無論差錯率固定還是變化，其可靠性均能滿足要求。四是同步性分析，為降低無線傳感器網絡的能耗，配電網線路故障定位系統中的節點通常處于休眠狀態，一旦出現故障，其就會及時捕捉行波信號，采集數據，若圖1中節點3和節點4之間發生了線路故障，則1，2，3捕捉信號時的時間為t1，t2，t3，此時相鄰節點的同步誤差為r/c，其中c為光速，經計算，其誤差最大值為1.67μs，明顯小于規定的0.05-0.10ms，因此滿足同步性要求。

3 結束語

總之，基于無線傳感器網絡的配電網線路故障定位系統可以快速、準確、可靠的定位故障點，且經濟合理，具有較強的實用性，因此要加強對其的研究力度，使其更好的服務于電力系統，從而創造良好效益。

參考文獻

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