基于無線傳感裝置的配電網故障定位與自愈系統研究

張學清，梁中會，張 瑩，叢志鵬，王成福

（1.國網山東省電力公司煙臺供電公司，山東 煙臺 264001；2.電網智能化調度與控制教育部重點實驗室（山東大學），山東 濟南 250061）

·電網技術·

基于無線傳感裝置的配電網故障定位與自愈系統研究

張學清1，梁中會1，張 瑩2，叢志鵬1，王成福2

（1.國網山東省電力公司煙臺供電公司，山東 煙臺 264001；2.電網智能化調度與控制教育部重點實驗室（山東大學），山東 濟南 250061）

當前的配電網故障分析中，依然存在接地故障選線不可靠、接地故障無法自動定位與隔離以及難以恢復非故障區段自動供電等問題。據此，提出了一種基于無線傳感裝置的配電網故障定位與自愈方法。該方法首先基于場感應原理設計了非接觸式的無線電壓、電流傳感裝置，該裝置具有較高的可靠性、靈活性與經濟性；其次提出可適應于含有多T接線路的基于雙端行波測距原理的故障選線與定位方法；最后將通信系統、GPS系統、GPRS系統與現有配電網自動化系統進行協調與配合，構成了配電網故障定位與自愈系統。研究分析表明，通過開發配電網故障定位與自愈系統，可有效提高配電網運行的可靠性，具有重要的理論與實際應用價值。

配電網；故障定位；自愈；行波法；故障選線

0 引言

隨著經濟社會的發展，電力系統的規模日益變得龐大、復雜，如何保證電網安全、穩定、可靠供電已成為目前電力研究人員和專家們重點研究的問題［1］。

配電網直接與多種多樣的電力用戶、供熱小火電、分布式電源等相連，使得網絡更為復雜，并具有自身的特點。在配電網絡中一旦有故障發生，如果未能及時定位并予以修復，將造成用戶經濟損失，嚴重時有可能發生大范圍的停電事故，造成更大的經濟損失；同時，在日常生產、生活中，對電能質量提出了越來越高的要求，這對于電網的可靠性和穩定性提出了更為嚴格的要求，必須保證重要電力設施可靠、穩定、高質量的供電。當系統發生故障時，運行調度人員需要及時從監控系統采集的大量信息數據中對電網故障進行定位，確定故障元件及類型，隔離線路故障區間，及時恢復非故障區段的供電，保證用戶持續穩定的電力供應；同時對故障元件及時制定搶修方案，在最短時間內將故障排除，恢復故障用戶的供電，減少用戶的財產損失。因此，如何能夠在故障發生后，及時對故障進行定位并恢復用戶供電成為當今關乎電網運行可靠性乃至國計民生的研究熱點［2］。

目前配網運行方式主要采用小電流接地方式，即主變中性點不接地、經消弧線圈接地或經中阻接地方式。由于系統發生故障時的主要特性是零序電壓、零序電流發生變化，因此，目前的故障選線通常采用圍繞零序電流的基波、諧波穩態相量或暫態量或者上述方法的綜合［3］。但基于穩態向量法的選線在實際運行中仍受到系統運行方式的影響；基于暫態法的選線受接地電阻大小及接地瞬間電壓過零點影響，致使集成于配電網自動化系統（DAS）可能存在故障選線不可靠的情況，從而迫使運行調度人員不得不重新回到依靠試斷開線路的方式進行故障選線，造成非故障用戶停電以及選線效率的下降，與當代電網高度自動化水平不相適應。同時，配電網線路短路故障發生時，配網自動化系統難以較準確地確定故障位置，需要運行調度人員依據DAS系統提供的相關信息通知相關單位人員進行故障巡線，造成事故處理效率低下。

針對以上問題，提出利用行波測距原理進行線路故障定位，同時對DAS故障選線不準確的問題，提出采用綜合法進行準確可靠的故障選線。基于專門的行波信息采集裝置，利用先進的感應式非接觸傳感器，基于GPS同步時鐘實現線路行波信息的量測；利用行波測距原理在線路故障發生后最短時間內實現故障定位，為調度員及時處理故障提供有效依據；在此基礎上，結合目前電網采用的配電自動化系統可實現非故障區間的及時恢復供電，全面提升了配網自動化系統的自愈能力，具有領先的技術創新性和應用可行性。

1 雙端行波測距理論

現代行波測距理論方法主要包括單端法、雙端法以及三端法，當前應用最為廣泛的是雙端法［4-8］。當輸電線路故障后，在故障點附加電源的作用下，線路上將出現接近于光速傳播的電壓和電流行波。其中，單端法主要根據初始波到達檢測母線的時間和來自于故障點反射波到達檢測母線的時間差構成單端行波故障定位；而雙端行波測距方法主要根據第一個初始行波信息到達兩端的時間差實現測距；三端法在基本原理上與雙端法相類似。本文主要采用雙端法原理進行研究分析，雙端行波測距原理為

式中：DMF為故障點到測距點間的距離；L為兩端測距間的線路長度；v為行波傳輸速度；tM1、tN1分別為兩端測距裝置檢測到行波波頭的時間。

由此可以看出，利用兩端行波測距裝置檢測到行波波頭的時間即可進行故障定位。相對傳統的阻抗測距方法或單端行波測距方法，利用雙端測距方法具有更高的測距精度與可靠性。

然而，實際雙端測距應用中，線路兩端的時間對標問題依然會影響到雙端法的測距精度，基于此，主要采用GPS方法實現線路兩端測距裝置的時間對標問題，據此分析兩端的故障行波測量數據，可保證兩端的時間誤差不到0.001ms，而產生的故障距離測量誤差精度可達150m以內。

2 無線傳感器信號檢測原理

依賴于微電子技術、光電半導體技術、光導纖維技術以及GPS同步時鐘技術的發展，感應式傳感器的應用與日俱增［9］。這種傳感器具有結構簡單、非接觸、高可靠性、高精度、可測參數多、反應快以及結構簡單等優點，在自動檢測技術中得到了廣泛應用。該技術在電力系統中的應用主要集中在發電機并網系統方面，而在輸、配網的故障定位技術中還鮮有提及。

在如圖1所示的三相架空輸電線結構中，將輸電線路視為無限長，根據畢奧-沙伐爾定律可推導得到架空輸電線路的工頻磁場與電流約束關系［10-11］。

在圖1所示的三相架空線路中，測量點位于B相下，設三相導線無限長且平行于地面，三相導線中的瞬時電流分別為ia、ib、ic，參考方向如圖1所示。在與三相導線垂直的平面內建立如圖1所示的坐標系統。

圖1 三相架空輸電線路磁場計算結構

圖 1中，ra、rb、rc分別表示為三相導線與該點的距離，由于測量點位于正下方，ra=rc；Ba、Bb、Bc分別表示三相電流ia、ib、ic單獨存在時在該點產生的磁感應強度；μ0為空氣的磁導率。

由圖2可得該點磁感應強度的水平與垂直分量分別為

基于上文所述的檢測原理，設計了一種非接觸、感應式的無線信號傳感系統，該系統包括電流、電壓無線感應測試裝置、全球定位系統（Global Positioning System，GPS）和通信系統，其原理如圖2所示。

圖2 無線傳感器的場檢測原理

圖2 中，首先根據三相交流線路在空間中形成的電磁場，利用電感線圈的電磁感應原理構成線路電流的無線感應測試裝置；繼而，依據線路對地電容構成的對地電場，可將其等效視為由分散電容構成的對地等效電容，由此根據不同位置間即不同電容間的電位差，實現線路對地電場間電位變化的感應測量；最終將不同端點間的電壓電流測量信息通過無線通信系統匯集即可實現準確、可靠的故障定位。該測距系統將內置分布式的GPS，使全系統故障數據的時標能夠統一，進一步提高故障測距精度與可靠性。

與傳統的通過電壓、電流互感器這類接觸式電壓、電流采集方式不同，所提出的電壓電流采集裝置不再與電力系統的一次側直接接觸，而是通過無接觸式的場檢測方式實現，具有安裝維護方便的優點。

在上述適用行波測距原理的無線傳感技術實現中，行波測距原理依據的是電壓、電流行波波頭的信號及其精準的檢測時間，因此，有兩方面關鍵性因素是其得以實現的基礎。首先，測距方法只要求波頭的準確到達時間，而對于信號的檢測值即幅值與相角沒有精度的要求，因此，在滿足波頭狀態要求的前提下，可以根據裝置安裝現場的實際情況選擇具體安裝點，具有較好的靈活性與較強的適應性；其次，在行波測距方法中，其時間精度與測距數度直接相關，必須準確實現對時，而GPS時鐘信號的引入是保障高精度時間同步的基礎，也是實現高精度測距的基礎。

據此，通過雙端行波故障測距原理與感應式無線傳感裝置即可構成配電網故障分析與自愈系統的基礎。

3 配電網故障定位與自愈系統架構

配電網作為連接電網與客戶之間的樞紐，在供用電關系中發揮著至關重要的作用。及時發現并排除配電設備故障，提高搶修效率，降低安全風險，提高服務質量，最大限度地保證客戶的用電安全，是配電網調控工作面臨的重要問題。

為了滿足配網調度和生產指揮的需要，建設新一代配電自動化系統，實現對配電網內核心區域的配電線路監視與控制，有效提高配電網供電可靠性和服務質量，是配電自動化系統的核心要求。

然而，在配電自動化系統中，特別是在保護相關聯的許多方面，依然存在諸多問題，例如，接地故障選線不可靠、故障定位精度不高、無法自動確定故障線路與故障點并及時自動切除恢復供電等的問題。

據此，在前述故障信號檢測與測距方法的研究基礎上，提出多T接線路下的選線與定位原理以及配電網自愈系統構架。

3.1 多T接線路下的選線與定位原理

基于雙端行波測距原理以及依托無線信號感應測量傳感器的支持，可以利用多T接線路情景中的故障選線與定位原理與方法，基本原理如圖3所示。

圖3 多T接線路下的選線與定位原理

如圖3所示，圓形藍色點即為傳感器安裝位置，無線信號傳感器的安裝原則即保障每一個線路T接點均具有至少一臺信號測量裝置，另外，在線路的兩端各裝設一臺信號檢測裝置，故只需要在配網線路各FTU處裝設傳感器即可。本裝置主要利用電磁感應原理，常規保護需要接入線路采集電壓和電流信息，而本系統只需要采集故障發生時的電場和磁場，一經感應場（包括電場與磁場）的強度發生變化，立即觸發行波信號裝置。

當線路的任意一點發生故障后，距離故障點最近的一臺或者兩臺無線信號檢測裝置將會接收到故障信號，在接收到故障信號的第一時間將會給出故障線路信息，實現故障選線［12］；隨后由故障信息分析系統對帶有時標的故障信息進行集中分析與計算，給出準確的故障位置結果，實現故障定位。

3.2 系統架構

在實現故障選線與定位基礎上，結合通信系統、GPS系統、GPRS系統以及與現有配電網自動化系統間的協調與配合，則可構成配電網故障定位與自愈系統，其基本構架可如圖4所示。

在配電網故障定位與自愈系統中，主要包括分散與線路各處的無線傳統裝置、GPS定位信息、基于GPRS的無線信息傳輸系統、信息采集裝置、故障分析與自愈系統及其與配網自動化系統間的協調與銜接系統。

圖4 配網故障定位與自愈系統架構

通過無線信息采集與傳輸，可以進行故障分析；通過與配電網自動化系統間的協調，則可進一步實現在故障發生后的自愈控制。

4 主要功能與系統優勢

4.1 主要功能

基于行波測距原理與無線故障信號采集裝置為基礎的配電網故障定位與自愈系統的主要功能包括3個方面。

故障選線。通過感應式傳感器的配置，對于未能裝配有小電流接地選線裝置的配電網出線端口，可以實現準確的故障選線，結合對TTU的改進，可以在環網柜處故障選線判定及故障線路切除。

故障定位。對于低電壓配電網絡，通過研發的感應式無線傳感器的配置，不僅可實現上述故障選線，同時，可以準確、快速地分析出故障的發生位置，實現低壓配電網的故障定位。

配電網自愈。根據故障選線與故障定位技術的實施，實現對故障線路或者區域快速、準確隔離，并可進一步實現對非故障區域供電的快速轉供，實現配電網的自愈，有效提高供電的可靠性。

4.2 系統優勢

傳感器安裝方便。無需線路停電，只要在各FTU處或者線路T接點附近安裝即可，通過感應式非接觸傳感器，基于GPS同步時鐘技術實現行波信息采集分析裝置的數據挖掘和分析。

接地故障選線可靠。避免了目前故障選線通常采用圍繞零序電流的基波、諧波穩態相量或暫態量的選線不準的缺陷，選線可靠性高，滿足配電網迅速恢復非故障區段的供電的需要。

故障定位準確。基于行波測距原理，采集精度高，對于任何T接線路在故障第一時間都能迅速定位，滿足配電網故障監測與搶修的需要。

基于配網自動化系統實現自愈功能。開發與DAS系統相應的借口模塊程序，在故障定位的基礎上，實現接地故障的非故障區段自動轉供，通過與配電網自動化系統間的銜接與協調，使故障選線與定位實現自動化，具有自愈能力，提高了供電可靠性。

5 結語

針對配電網中且含多T接線路情況下的故障選線與定位問題，基于無線傳感裝置與雙端行波測距原理，針對配電網的故障定位與自愈系統進行研究。該研究利用先進的非接觸式無線感應式傳感器獲取海量數據，通過行波信息采集分析裝置進行數據挖掘提取有效信息；依據行波故障測距原理實現配網線路故障點有效選線與定位；在此基礎上，通過與現行的配電自動化系統有效配合，實現配網的故障迅速隔離和非故障區段及時恢復供電，可有效提升配網供電可靠性，避免傳統配電網事故處理線路試拉對電網造成的影響以及對用戶停電造成的損失，從而提高配電網的智能化水平。

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Research on Fault Location and Self-healing Method of Power Distribution Network Based on Wireless Sensing Device

ZHANG Xueqing1，LIANG Zhonghui1，ZHANG Ying2，CONG Zhipeng1，WANG Chengfu2
（1．State Grid Yantai Power Supply Company，Yantai 264001，China；2.Key Laboratory of Power System Intelligent Dispatch and Control（Shandong University），Jinan 250061，China）

There are still many problems in present fault analysis of power distribution network，such as unreliable fault line identification，poor automatic location and isolation for grounded faults and complex power restoration for non-fault section.Hence，a fault location and self-healing method for power distribution network based on wireless sensors is proposed in this paper.The specific content includes three aspects.Firstly，based on the principle of field induction，contactless voltage and current sensing device are designed which offered high flexibility，cost effectiveness and good reliability.Secondly，a fault line identification and location method based on two-end traveling wave fault location algorithm，adaptive to transmission network containing multipleT-connections is proposed.Thirdly，by combining the coordinate communication system，GPS system，GPRS system and existing distribution system，an automatic system for fault location and self-healing for power distribution network is realized.The research and analysis show that the reliability of the distribution system operation can be improved through the fault location and self-healing system for power distribution network，which has important theoretical and practical value.

power distribution network；fault location；self-healing；traveling wave method；fault line selection

TM727.2；TM744

：A

：1007－9904（2017）07－0001－05

2017-02-09

張學清（1982），男，工程師，從事電力系統運行與控制工作。

國家自然科學基金項目（51177091）；國網山東電力公司2016年科技項目（SGSDYT00FCJS1600572）