無線傳感器網絡在配電線路故障定位中的應用

區偉斌

摘要：配網線路故障定位與查找是配網系統安全維護工作的重要組成部分，只有及時、精準地定位故障，解除故障問題，才能真正支持配網系統的安全運轉，發揮其應有的功能和作用。無線傳感器網絡作為一項新型技術，被應用于配網系統，發揮了有效的故障定位功能。文章分析了無線傳感器網絡在配電線路故障定位中的應用。

關鍵詞：無線傳感器網絡；配電線路；故障定位；故障查找；配網系統 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM734 文章編號：1009-2374（2016）06-0058-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.06.029

電力系統中故障定位研究已經取得了一定的成果，然而多數研究局限于高壓輸電線路，對于低壓配電線路的故障定位技術目前依然處于研究階段，這是因為高壓線路一般為大電流接地，線路構造較為單一，一旦發生故障問題，相關的故障信息能夠被及時地辨別提取。然而，對于低壓配網系統來說，故障發生時，由于其信息、信號比較弱小，這無疑為故障的排查帶來了巨大的難度，因此必須研究一套切實科學的故障排查方法。

1 無線傳感器網絡的性能分析

無線傳感器網絡是無線網絡系統的重要組成部分，主體由一組傳感器以AdHoc方式構成。其發展是建立在無限通訊技術、傳感器技術等基礎上。

該網絡系統的功能大體體現為：憑借對其所覆蓋的范圍空間內各種信息的感受、收集與處理來及時反饋被監測區域的故障信息，并將信息及時傳送至網絡管理員。近年來，無線傳感器網絡技術得到了發展與進步，并逐漸走向完善，將其應用到配電系統，體現出敏銳的感知力，計算也更為精確，通訊能力也超強。

隨著電力系統故障技術研究的深入，無線傳感器網絡在配電線路故障定位中得到了推廣與應用，發揮了對配網系統故障的定位、分析與監測功能，提高了配網線路故障處理效率，創造了預期的工作效果。

2 無線傳感器網絡故障定位的優勢

同以往的電力系統故障定位對比，無線傳感器網絡體現出以下的優點：（1）無線傳感器網絡屬于廣泛分布的規模性網絡系統，其節點分布較多、范圍較廣，部署也相對集中，可以采集來自于各個維度的信號，信噪比較大，能保證測距的精度，有效拓展測距范圍，不會出現測距盲區。（2）網絡中的節點集中分布，能夠保證多項功能的發揮。例如采集并處理信息數據、數據傳輸等，一個傳感器網絡系統發揮了多方功能，控制了其他設備的使用，而且因為是無線通訊，無需過于復雜的布線。總的來看其成本相對低廉，性價比較高。（3）適用范圍較廣。即便是地形復雜、條件惡劣的環境下，依然適合采用無線傳感器網絡，它依然能夠發揮配網系統故障定位功能，緊急狀態下發揮其特有的靈活、變通優勢。（4）故障定位模式獨特，一般為故障電流分量為采集對象，這樣就避免由于過度電阻所引發的測量精度問題。同時所采集的數據信息相對有限，也略去了更多計算、分析、數據處理等環節。更重要的是其所采用的是無線通訊模式，這樣就解除了以往的雙端法測距所導致的故障數據采集錯位、不同步的問題。

3 無線傳感器網絡在配電線路故障定位中的應用

3.1 故障定位原理

將無線傳感器節點設置于配網線路，就能夠及時收到來自于此節點所處線路的運行狀態信息，例如電流信息、電壓狀況等。具體的節點配置模式如圖1所示，其中將電流的流動方向假設同母線一致。

結合以往的故障類型來看，配網故障多為單相接地故障，以下單獨圍繞此類故障進行分析。

圖1 配網無線傳感器設置結構

其中小圓圈代表配置于輸電線路中的無線傳感器

節點。

根據中性點不接地的特征，同時根據中性點經消弧線圈接地的特點。如果依然采用舊式的零序電流分析法，故障定位效率低。此時選擇無線傳感器網絡系統進行故障定位，其主體功能體現為：依靠故障相路每兩個臨近節點之間的故障與非故障電流幅值差，二者之間對比的策略進行故障定位。

圖2是一個單相接地故障電流分布的圖示，如果C相節點1與節點2之間出現接地故障，那么故障電流將出現，如虛線部分所展示，圖2（a）為中性點不接地的情況，圖2（b）則為中性點經消弧線圈接地的情況。其中陰影部分代表故障電流于不同相線路中的分布情況。

（a）為中性點不接地

（b）中性點經消弧線圈接地

圖2

用i0mj代表節點j故障前m相的采樣電流。Imj代表節點j出現故障問題時，m相的采樣電流。各個節點故障電流，能夠得出其幅值：ΔImj=Imj-I0mj，因此能算出各個節點的故障電流差值。

3.2 故障定位的準確性與快速性

3.2.1 精準性。故障測距最為關鍵、核心的規定為保證故障定位的精準性，這樣才意味著測距成功。因此，無線傳感器網絡可否發揮作用，第一步應該確保其可以精準地找到故障位置。該系統內部，故障能否被精準地定位，同節點的配置間隔關系很大，選擇相對誤差δ，其值要小于2%，l代表被檢測線路的總長度，r則為節點的配置間隔，D為節點傳輸半徑的高極值。要想確保故障測距精度，就要滿足δ≤r/l≤D/l。

假設現實配網中引入MICA2傳感器節點，則D值最大為500～1000m，現實操作過程中，r通常取50m，l值則要在2.5km以上，這樣才能真正達到精準度的標準，其可以滿足中低壓配網的故障定位需求。

3.2.2 快速性仿真分析。快速切除屬于一項重要故障定位的方法，適合于配網系統中的應用。具體表現為：配網故障出現，節點立即投入運轉，故障信號在4ms內傳輸完畢。以無線傳感器網絡為依托的配網故障定位通常引入了同步觸發設備，故障出現時，節點能夠飛速地進入運行，從而以最快的速度切除故障。

數據在匯聚過程中可能出現延時現象，具體涵蓋數據處理、發送等的延時以及數據從發送處至匯聚處的傳輸過程中所耗費的時間等，各個線路中節點之間相距50米。然而，對于無線傳感器網絡來說，將其應用于配網線路，經過統計計算風險，在網絡量為15%的狀態下，匯聚演示能夠達到規定要求，僅為3.34ms，這一點就說明了無線傳感器網絡系統的特殊功能與作用，能夠達到配網線路故障及時定位、查找的標準。

3.3 故障定位的可靠性分析

將無線傳感器網絡設置于配網系統內部，發揮故障排查與定位，能夠達到一定的可靠性，具體體現在以下方面：

3.3.1 配網出現故障問題后，無線傳感器節點可以及時、有效地監測到故障信號；同時，中下層節點的相關信息能夠確保安全、合理地傳送到不同部位節點，最終傳輸到控制中心。

3.3.2 因為傳感器節點選擇了特殊的設備進行數據收集，也就是常用的行波觸發設備。因此，節點能夠適時地查看到故障相關的數據、信息。而且該傳感器網絡系統也能將所收集的信息及時地傳送出去，為控制中心所接收，這樣就保證了配網故障定位的高效性、及時性與準確性。

3.4 無線傳感器網絡能量優化分析

現實的故障定位、分析與運轉過程中，能量約束為最大的問題之一，傳感器節點中有各種模塊可以消耗能量，具體涵蓋傳感器模塊、無線通訊模塊等。當前，由于集成電路技術的發展與優化，傳感器模塊自身的功率消耗也逐漸降低，更多的能量都集中被損耗于無線通訊模塊，這就為傳感器網絡系統的研究帶來了全新的課題，問題研究集中在怎樣能讓無線通訊模塊耗費最少的能量，從而從整體上優化能量的消耗。

4 結語

配網線路故障定位與查找是配網系統安全維護工作的重要組成部分，只有及時、精準地定位故障，解除故障問題，才能真正支持配網系統的安全運轉，發揮其應有的功能和作用。無線傳感器網絡作為一項新型技術，被應用于配網系統，發揮了有效的故障定位功能。

參考文獻

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（責任編輯：陳 潔）