智能配網故障定位裝置的研究

李 哲，富 巍

(廈門理工學院 電氣工程與自動化學院，福建 廈門 361024)

智能配網故障定位裝置的研究

李 哲，富 巍

(廈門理工學院 電氣工程與自動化學院，福建 廈門 361024)

介紹了零序電流和對地電場的計算在故障定位中的判據應用，在此基礎上設計了一種具有在線監測和通信功能的新型故障指示終端。該故障指示終端分為采集單元和匯集單元兩部分，對其結構做了詳細的分析，并介紹了兩者在配電線路的配置原則，采集單元將采集的數據及故障告警信息傳送給匯集單元，匯集單元處理數據并通過GPRS通信方式將數據上傳給監控中心，實現遠程監控和智能故障自動定位。

故障定位；采集單元；匯集單元；零序電流

0 引言

隨著社會經濟發展和電力市場的逐步放開，建設“自愈、安全、經濟、清潔”的堅強智能電網，提供優質的電力與服務尤為重要。配電網是連接電力系統與客戶之間至關重要的一個部分，配網的穩定性和安全性直接關系到千家萬戶的供電安全。近些年，國家為配網投入了大量資金對城網和農網進行改造，提升了配網的自動化水平,不過配網系統由于存在線路分支較多、運行方式復雜、線路的管理維護工作量大、查詢故障費時費力等自身結構和獨特的運行特點，使得配網架空線路仍存在配網線路運行狀態無法及時掌握和線路故障查找難度大這兩大難題。

目前，一些配電線路故障檢測因為指示簡單、故障判據簡單、自檢功能不完備等多種因素, 導致配電線路定位困難。而本文設計的智能配網故障定位裝置綜合運用人工智能技術、信息通信技術、計算機技術、智能傳感器技術等先進技術[1-2]，面向配網自動化的運行控制裝置，可監測配電線路三相負荷電流、三相電場強度、短路和接地故障電流和裝置自身電源供電狀態并實時上報監控中心；以實時采集在線電流方式對配電線路故障進行全面監控，故障判斷更加及時、準確，大大提高短路故障檢測的準確性；監控中心圖形界面顯示故障位置，短信通知維護人員。本裝置的開發和應用將大大提高故障判斷的準確性和故障巡線的效率，縮短故障停電時間，很好地實現狀態監控，故障精確定位的目標不需要改造任何一次設備，容易實施，實用化程度高，使電網更堅強、更智能、更安全，為配電自動化探索出了一個新而且經濟的實用化方向。

1 故障定位裝置

1.1 系統架構

智能配網故障定位裝置主要由故障指示終端和監控中心構成。每套故障指示終端由3個采集單元和1個匯集單元所組成，監控中心由通信交換機、服務器、客戶端等組成。采集單元與匯集單元之間通過433 MHz無線通信方式進行雙向數據通信，匯集單元用于將3個采集單元的報警信息匯總判斷后，通過GPRS通信方式傳輸給監控中心。

智能配網故障定位裝置通過外掛在各配電線路區段的故障指示終端，實時監測線路運行情況，在配電線路出現短路故障、接地故障等故障情況時，將采集的數據信息傳送到監控中心[3]。監控結合線路拓撲結構或地理信息系統(GIS)對這些信息進行分析處理，確定出故障位置區段，引導工作人員快速準確找到故障點；同時故障信息將通過短信的方式發送到供電生產部門相關人的手機上，能有效提高配電線路故障檢測的自動化和現代化水平，更好、更高效地達到快速定位。其具體智能配網故障定位裝置架構圖如圖1所示。

圖1 智能配網故障定位裝置架構圖

1.2 采集單元設計

智能配網故障定位裝置的采集單元通過采用高導磁材料的電流傳感器和數字信號技術對線路電流、電壓進行實時采樣，并通過433 MHz無線射頻與匯集單元進行雙向數據通信，采集單元的電源模塊采用線路取電、超級電容和鋰電池三級電源架構，能更好地取電和提高終端壽命，保證電路能正常工作。指示單元采用翻牌和LED閃耀顯示，直接、客觀、更加清晰地起到報警作用。采集單元可直接在線安裝和摘卸在電力線路上。

采集單元主要具有如下功能：

(1)實時檢測線路三相電流、對地電場強度；

(2)能監測電源供電狀態，具備電池電壓自診斷功能，檢測自身的電池電壓，當電池電壓低于一定限值時，上送低電壓告警信息；

(3)判斷和上報線路故障(包括短路、接地、斷線等故障)；

(4)判斷和上報線路狀態(包括過流、停電等)。

采集單元功能框圖如圖2所示。

1.3 匯集單元設計

匯集單元主要負責與采集單元進行數據通信及故障的匯總綜合分析處理判斷，一個匯集單元可以接收6個以上由采集單元發送過來的信息，但一般一個匯集單元與3個采集單元組成一組終端裝置使用，通信距離不低于50 m。匯集單元電源取電采用太陽能供電和鉛酸電池取電相結合的方式取電。

其主要功能有：

(1)雙向實時與采集單元進行交互通信；

(2)采用GPRS通信方式與監控中心遠程通信，預留了RS485模塊，可以通過RS485將故障信息上傳到遠端；

(3)具備定時自檢、電源供電狀態及設備狀態自檢、設備通信質量自檢等自檢技術；

(4)支持遠程程序更新、遠程參數設置及調整；

(5)支持GPS定位信息與GIS定位系統實現信息對接；

(6)集成電力遠動規約DL634.5.101-2002 / DL634.5.104-2002；

(7)支持設備狀態監控。

匯集單元功能框圖如圖3所示。

2 故障定位原理

2.1 線路故障定位原理

配電線路出現故障時，故障點到變電站出線口線路的故障指示終端會以各種形式指示故障，運行人員按照故障指示狀態下的故障指示終端所構成的故障路線找到故障點，而故障點之后的故障指示終端不會指示故障。

圖4為線路故障判斷原路示意圖。圖中，線路指示終端的采集單元白色為正常狀態，灰色為故障狀態。在采集單元5和6之間的線路區間發生故障時，配電線路上的采集單元1、2、3、4、5均會檢測到故障信息，并將故障信息通過無線通信方式傳送給其配對的匯集信息，1、2、3、4、5上配對的匯集單元將會通過GPRS通信方式發送故障信息給監控中心[3]，監控中心結合該配電線路的拓撲結構和采集單元的位置信息判斷出線路故障位于采集單元5和采集單元6這段線路區間內。

圖2 采集單元結構示意圖

圖3 匯集單元結構示意圖

圖4 線路故障判斷原路示意圖

2.2 短路故障判據

本裝置結合實際經驗采用自適應負荷電流的過流突變判據[1-2]來判斷短路故障，可根據線路負載電流突變情況自動判斷故障類型。方法如下：

(1)線路正常運行30 s以上；

(2)故障時，線路電流會突然升高，配電線路中出現100 A以上的突變電流，突變電流持續時間為0.02 s≤ΔT≤10 s之間；

(3)10 s后線路處于停電狀態。

滿足以上三條時，故障指示終端才能夠判斷線路出現短路故障。

線路故障電流變化圖如圖5所示。

圖5 線路故障電流變化示意圖

2.3 接地故障判據

目前，關于單相接地故障的原理問題百出，有的原理理論性可行，但實用性不行，有的實用性可行，但需增加額外的設備，增加了成本。而現如今主要的檢測原理有信號注入法、首半波法、有功分量法、暫態極性比較法、五次諧波法和零序電流法等。查閱大量資料并根據試驗分析后，選用以下判據。

接地故障判斷通過實時采集三相電流、每相對地電場、三相無線同步計算零序電流等方法進行綜合性的判斷。

(1)電流實時采集

電流采集通過采樣技術實時采集電流，采樣頻率為600 Hz，并對采集的電流作傅里葉計算，準確得到線路的實時在線電流值，且能實時捕獲小于一個周波(20 ms)的電流突變信息，并對故障線路突變電流進行實時分析。

(2)電場檢測

我國配網系統大多采用的是中性點不接地系統和中性點經消弧線圈接地系統，當配電線路發生接地故障時，根據理論分析可知，故障線路相對地電壓會降低，非故障線路相對地電壓會升高，則可根據此特征來判斷接地故障。由于電壓不易直接測量，則可根據測得每相對地電場強度的變化來轉化判斷。

架空配電線路下方的工頻電場由配電導線上的電荷產生，以鏡像法為基礎，采用等效電荷法進行計算，計算公式[4]如下：

式中，[U]為各導線對地電壓，[Q]為各導線上等效電荷密度，[λ]為各導線自電位系數和互電位系數。

其中：

λij=λji

空間任意一點(x,y)的電場強度可表達為：

(3)零序電流計算

A、B、C三相采集單元每周波實時采樣12點，故障時，以電流突變來觸發同步算法，將三相電流合成為零序電流，該相采集單元通過無線通信技術433 MHz請求匯集單元進行零序同步算法。

①故障時，該相線路采集單元發送同步請求于匯集單元，實時通知A、B、C三相采集單元進入同步接收狀態；

②采集單元接收到命令后進入等待同步采樣計時狀態；

③匯集單元確認A、B、C三相采集單元進入同步等待狀態；

④匯集單元發送開始命令于A、B、C三相采集單元，命令其同步進行若干個周波的采樣；

⑤同步時間結束后，匯集單元收集三相采集單元的采樣點信息；

⑥通過零序同步算法[5]進行當前零序電流計算。

圖6為零序電流合成示意圖。

圖6 零序電流合成示意圖

通過判斷故障后零序電流大小來判斷接地故障信息。

3 采集單元和匯集單元配置原則

采集單元和匯集單元的配置關乎系統的安全性和經濟性，合理的配置原則能夠降低安裝運行成本，避免過多的設備安裝數量。對其配置，筆者做了大量分析研究，提出如下配置原則[6]，可使其在合理的安裝位置實現效益的最大化。配置原則如下：

(1)變電站饋線出口處第一基桿塔處配置一組故障指示終端，目的是判明站內或站外故障，合理安排巡線任務。

(2)為縮小故障區段，主干線路采取差異化配置故障指示終端，對于一般情況，每間隔2～3 km安裝一組故障指示終端。

(3)對于故障率較高的地區線路因地制宜，對故障指示終端配置間隔的距離進行調整，但間隔的距離不宜低于1 km。

(4)對于承擔重要負荷或者線路長度超過3 km的分支線路，需用故障指示終端進行線路故障分支指示。

(5) 分支點需安裝兩組故障指示終端：主干線和分支線各需配置一組故障指示終端。

4 結論

本文設計的裝置適用于6～35 kV配電線路，實現對架空線路及電纜線路故障點的自動定位，通過檢測零序電流和對地電場，利用GPRS通信網絡將故障指示終端所采集到的故障信息和數據上傳，在監控中心實現故障快速自動定位,大大提高了電力系統的工作運行效率和效果。分析了故障指示終端在配電線路的配置原則，更好地為配電網故障定位提供了一個安全可靠、經濟可行的方案。

[1] 王曉浜. 配電網故障快速定位與隔離方法研究[J]. 技術與市場, 2015, 22(12):19-20.

[2] 張興鵬, 肖本賢. 基于CC430單片機的故障指示器設計研究[J]. 微型機與應用, 2012, 31(6):16-18.

[3] 劉智瑋, 畢克, 李慕峰. 基于神經網絡的配電線路故障智能監測系統研究[C]. 2012電力行業信息化年會優秀論文專輯, 2012：59-63.

[4] 王曉暉. 500kV同塔四回路電磁場生態環境影響分析[D]. 沈陽:沈陽工業大學, 2007.

[5] 孫玉華, 馬開波, 張啟平. 智能配電網故障監測與錄波系統[J]. 中國電業:技術版, 2015(10): 23-25.

[6] 鄒路. 輸配電線路之故障指示器探析[J]. 科技與企業, 2012(16):152.

Research on fault location device of intelligent distribution network

Li Zhe, Fu Wei

(School of Electrical Engineering and Automation, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China)

This paper introduces the application of the zero sequence current and the calculation of the geoelectric field in the fault location, and designs a new fault indication terminal with on-line monitoring and communication functions. The fault indication terminal is divided into acquisition unit and collecting unit. And the principle of configuration of the two is introduced in the paper. The acquisition unit sends the collected data and fault alarm information to the collection unit. The data of the collection unit are processed and uploaded to the monitoring center by GPRS communication, achieving remote monitoring and intelligent fault automatic positioning.

fault location; acquisition unit; collection unit; zero sequence current

TU856

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.16.025

李哲，富巍.智能配網故障定位裝置的研究[J].微型機與應用，2017,36(16)：88-91.

2017-02-23)

李哲(1990-)，男，碩士， 主要研究方向：電器智能化技術及應用。

富巍(1963-)，男，教授，主要研究方向：智能控制、模式識別、圖像處理、特種機器人。