港口配電網單相接地故障定位系統設計

摘 要：通過配電網單相接地故障定位系統，能夠比較準確的定位配電網系統中的接地點，有效及時的對故障處理，避免了查找故障點所浪費的時間，為安全用電以及港口的正常生產提供了有力的保證。

關鍵詞：配電網 行波 故障定位

神華黃驊港的面積比較大，生產區和生活區在同一配電網，港口的設備主要是大功率電機、一些檢測開關和照明等電氣設備，這樣就需要橋架電纜、埋地電纜和架空電纜，并且電纜橋架內有6000伏的中壓電纜和一些低壓電纜，6000伏的中壓電纜一旦有接地故障，輕則影響部分區域的設備，重則全港停產，甚至出現安全事故，隨著神華黃驊港口三期工程的建設，對神華黃驊港口的配電網的可靠性提出了更高的要求，如何準確、快速定位配電網的單相接地故障，成為了一個熱點。

配電網單相接地故障定位原理及信號的選擇

1、配電網單相接地故障定位原理

行波法是提取故障電壓電流的高頻行波分量，進行數字信號處理，伴隨著現代數字信號采集技術和數字信號處理技術的發展，高頻行波法在電力系統故障定位中應用成為可能。本節主要介紹高頻行波法在配電網單相接地故障定位中的應用。

當電力線路上某點發生單相接地故障時，由于故障點的電壓突變為0，在線路上將出現暫態行波過程，可利用疊加原理進行分析。在故障發生瞬間，由于故障點由電壓U突降為0，這就相當于在故障點串聯了一個電壓大小為U，但是方向與U相反的虛擬電源，如圖1所示，在這一電壓的作用下，將產生有故障點向線路兩端以接近光速傳播的電流波和電壓波，稱為行波。

通過分析配電網的特點，以及故障行波在配電網系統中的傳播特性，確定出B行雙端行波故障測距方法，并且選擇母線端采集電流信號，供電的線路末端采集電壓信號的方法。

雙端行波故障測距是利用線路故障處產生的初始行波浪涌到達線路兩端的時間的差值計算故障點到兩端測量點之間的距離。如圖2所示為一條單相故障線路，設線路的總長度為L，故障點到A、B兩端的距離分別為LAC、LBC，有故障點C傳輸到A、B兩端的時間分別為TAC、TBC假設此線路為一均勻線路，行波在其中的傳播速度為V，則可得以下關系式：

公式1.2即是采用行波進行故障定位的基本方法，只要知道故障行波傳輸到兩端測量裝置的精確時間，以及線路的總長度和行波在線路中的傳播速度，可以通過式1.2精確的計算出故障點的位置。

2、線路兩端行波測量信號的選擇

對于配電系統的的母線端，變壓器的等效電感很大，而行波測距信號的頻率很高，一般在10-100kHz，根據電感通直流阻交流的特性，其交流阻抗很大，高頻信號是無法通過變壓器的，因此變壓器端可以看作處于開路狀態；配電線路母線端的波阻抗為母線和非故障支路處波阻抗的并聯。由于線路的波阻抗一般為幾百歐姆，母線處的分布電容一般為幾千皮法，因為波信號的頻率10-100kHz，又根據電容通交阻直流的特性，所以可以忽略母線分布電容C的影響，因此，母線處分支數的多少是影響母線處波阻抗的主要因素。

在線路的負荷端，通常是直接通過負荷變壓器直接給用戶供電，線圈的電感值L很大，而行波信號的頻率通常在在10-100kHz之間，因此，其交流阻抗值很大，線路負荷端的電流值很小。

根據前面介紹的行波在配電線路中的傳輸理論，當配電網發生接地故障時，配電網接地故障點所產生的行波從故障點傳輸到母線端時，由于母線處有分支線路很多為波阻抗不連續點，行波在到達母線端時會產生折射和反射。在配電網的負荷處，電壓行波和電流行波疊加形成故障線路的初始行波。

行波在線路斷點的反射有以下規律：對于母線出線較多的故障線路，母線端初始電流行波幅值較大，初始電壓行波幅值較小，當出線數超過一定數量時，將檢測不到電壓行波，而檢測到的電流行波更加明顯。

通過以上分析，結合我國配電網的主要特點，因母線端一般出線較多，在母線的測量端初始電流行波幅值較大，而初始電壓行波幅值較小，所以在母線端利用初始電流行波作為測距信號。線路的末端一般有交流電機等設備，這些設備的線圈的電感值較大，高頻行波信號交流阻抗很大，線路末端初始電流很小，因此，利用初始電壓行波作為測距信號。綜合以上所述，選擇母線端采集電流信號負荷端采集電壓信號的雙端模式用于配電網單相接地行波故障定位。

系統的整體設計與實現

對配電網故障定位系統的理論方案作了詳細的研究，確定采用雙端行波故障測距原理，并且采用母線端電流信號、負荷端電壓信號的雙端定位模式；以所述的配電網單相接地故障定位系統的理論為基礎，介紹配電網故障定位系統的設計方案以及硬件部分和軟件部分的構建。

1、配電網行波故障定位系統的設計方案

配電網單相接地故障定位系統是配電自動化的必要組成部分，迅速的定位出接地故障點的位置，盡快使整個配電網絡的供電正常。

首先是在母線端通過高精度電流互感器采集母線端電流信號、在負荷端通過高精度的電壓互感器采集負荷端電壓信號，并通過信號調理電路將強電壓電流信號轉化為弱電信號，將行波信號的大小調整到合適的電平范圍之內，使其滿足后面的A/D轉化模塊的輸入要求，將信號通過A/D轉化模塊，轉為數字信號，輸入到數字信號處理器單元，對信號進行處理，通過GPRS通信模塊無線傳送到上位機，對信號進行處理，因外此配電網接地故障測距系統采用的是雙端行波故障測距法，為了保證測距的精度，需要保證兩端裝置的精確同步，因此還需要將GPS模塊的時間信息傳送到處理器。

軟件部分主要是供電調度室的HMI畫面、及硬件部分的數據信息，識別出接地故障的位置，并將故障信息通過存儲模塊進行存儲、當發生故障的時候通過報警模塊進行報警顯示，并將GIS系統融合到顯示模塊中。

配電網行波故障定位系統的設計方案是主要包括硬件裝置、軟件部分：硬件裝置主要包括數據采集裝置、電壓電流調理電路、A/D轉換、數字信號處理器、通訊模塊；上位機軟件部分主要包括故障定位模塊、通訊模塊、數據庫存儲模塊、GIS模塊、報警模塊。

2、硬件部分設計

目前，我國實現配電網的故障定位一般是通過FTU裝置，上送信息實現定位，但是FTU裝置定位誤差比較大，主要原因是上送的信息的準確性和完備性受環境惡劣、電磁雷電干擾、通信方式分散、FTU本身誤判等的影響，因為上傳信息的失真以及FTU誤判等的影響，這種方法只能實現粗略的判斷，定位出故障區間。因此，本節根據雙端行波法故障定位原理，搭建硬件系統，從電壓互感器和電流互感器直接采集故障信號，將故障信號通過無線網絡傳送到上位機系統，從而能對該段線路進行精確的定位。

配電網雙端行波故障測距的行波信號是頻段為10-100kHz的連續信號，同時為了保證測距精度，行波數據采集裝置的采樣頻率應達到500kHz，這樣行波數據采集裝置的采樣頻率要高于500kHz，行波信號的采集從線路兩端的電壓互感器和電流互感器采集得到，經過信號調理電路和帶通濾波器，將故障信號轉化為0-10V的電壓信號，并且將低于1kHz和高于500kHz的信號進行低頻和高頻去噪，再經過數模轉換，將數據傳送到控制器進行動態緩存和處理。

硬件部分的核心是處理器，利用DSP高速的運行速度、良好的硬件結構、適合運算的硬件組成等優勢可以對行波信號進行可靠的采集和處理，此硬件裝置安裝在具有電壓互感器、電流互感器的線路末端，當發生故障的時候，需要將故障信息傳送到調度室的上位機，這樣硬件裝置與上位機之間需保證安全、可靠的數據通信。考慮到硬件裝置一般安裝在戶外，如果另外鋪架網線造價會相當高，因此，可以采用GPRS通用分組無線技術。

3、軟件系統設計

軟件設計的基本目標是操作性能好，結構要合理，具有一定的保護措施，提高程序的執行速度。接收配電網故障測距系統發送的數據，對數據進行存儲、并通過對數據進行處理來進行故障定位。定位算法的設計結合前面介紹的雙端行波法的原理判斷線路是否發生異常、以及根據行波的傳播速度、線路狀況等進行故障定位；配電網故障定位算法的設計由上位機Visual C++開發工具編程實現，接收硬件設備傳過來的數據，因為數據通過GPRS通用分組無線業務傳送到上位機，因此上位機采用ADSL與公網連接，采用公網動態IP+DNS解析服務，這樣就可以將數據傳送到上位機固定的端口，VC++編程再從固定的端口獲取硬件設備傳送來的數據；接收到數據以后一方面對接收到的數據進行存儲，另一方面判斷數據是否有異常，若有異常對數據進行小波變換算法去噪、支持向量機分類和小波算法尋找奇異點，這一步是VC++編程的核心部分，通過支持向量機識別出是永久故障還是瞬時擾動、通過尋找奇異點準確的判斷故障行波到達配電網兩端硬件設備的時間，另外結合行波法的測距原理對配電網故障進行定位。其定位過程的流程圖如圖3所示：