物聯網在配電網故障定位中的應用

王世松

摘 ?要：該文首先介紹了物聯網技術在配電網故障定位中的發展現狀，然后分析了中性點不接地系統單相接地和諧振接地系統小電流故障兩種常見的配電網故障，最后根據物聯網技術和配電網結構的特點，設計了一個基于物聯網的配電網故障定位系統。試運行結果表明，該系統具有很好的應用效果，具有重要的應用推廣價值。

關鍵詞：物聯網 ?配電網 ?故障定位

中圖分類號：TP399 ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）03（b）-0016-02

智能電網是在傳統電網的基礎上增加各類智能化設備，使電網的運營管理實現自動化和智能化。由于電網中涉及到大量的狀態參數，如何采集并匯集這些數據成為一大難點。采用物聯網技術可以很好地解決這個問題，通過在電網線路中布設傳感器和網絡傳輸設備，即可實現電網設備的互連[1]。通過對數據的分析，可以高效識別配電網故障位置。考慮到我國配電網中的故障絕大多數是瞬時單相接地，因此該文也是以此為重點展開研究的。

1 ?國內外研究動態

智能電網是當前全球電網的重要發展方向，而物聯網則是近年興起的設備互連技術，兩者的融合發展成為必然的結果。世界各國都把智能電網和物聯網技術作為國家戰略來發展，部署了大量示范工程。為了進一步適應電網和其他應用領域的需求，不少學者提出了許多新的物聯網體系架構，通過對電力系統的多維采集實現了對智能電網的智能監控[2]。我國提出的堅強電網是一個具有中國特色的智能的電力系統，它與我國當前的電網實際相吻合，是電網發展的必然趨勢。物聯網的應用是實現堅強電網的技術保障，因此我國對物聯網技術在智能電網中的應用投入了大量的資金。目前，物聯網已經實現了高壓電力檢測、遠程抄表、智能家居、安防監控等一系列的應用，成為推動智能電網建設的強大動力。

配電網是電網系統的故障高發區域，因此配電網的故障定位技術一直是相關學者的研究焦點，目前已經提出了一系列的定位算法，初步形成了理論體系。例如小電流故障定位技術、在線故障定位技術，具體有行波法、信號注入法、故障指示器法等。隨著研究的深入，許多定位算法不斷得到改進，形成了神經網絡法、粗糙集等更加先進的故障定位理論，但這些方法由于理論上仍需要完善，因而未能實用化[3]。不同的國家和地區由于電網結構不同，其故障檢測方法也有所差異，很難找到一個統一的理論或方法進行故障定位。

2 ?配電網故障特征分析

2.1 中性點不接地系統單相接地故障

所謂中性點不接地系統，是指變壓器的中性點處于懸空狀態，不接任何導線，因此與大地之間是不存在電氣連接的，但是對地電容是有電流的。一般來說，可以認為電網三相對稱，在正常工作的情況下，三相線路的零電流均沒有零電流，即零電流是零。如果出現單相接地故障，電網三相的對稱性就被破壞，不平衡的電流流經各線路形成零電流。

在單相接地故障的狀態下，非對稱的三相電壓會表現了一個零序電壓，該電壓相應誘導出零序電流，并且可以根據正常線路來計算零序電流的大小，即求和后取相反數。零序電流是隨著距離的增加而不斷衰減的，以故障點為圓心，距離越大，零序電流越小。因此，可以根據這些特點來定位故障點的位置。由于零序電流和電壓的相位恰好是滯后或超前90°的關系，因此只要找到兩個相位的分界點，就可以判斷為故障點。

2.2 諧振接地系統小電流故障

在諧振接地系統小電流故障分析中，通常假設不存在弧光現象造成的干擾，因此可以將故障點流過的暫態故障電流分成兩部分：一部分是來自對地電容，另一部分是來自消弧線圈電感。這兩部分可以分別進行計算。在單相接地故障出現的情況下，非對稱電壓的會引發相應的故障電流，但這個暫態故障電流從產生到穩定需要一個過程。

目前一些變壓器的中性點并非不接地，但也不是直接接地，而是在中性點與地之間串聯一個消弧線圈，這會引入一定的補償效應而無法直接識別零序電流。但如果對消弧線圈的電抗值進行調控，即可在一定的范圍內改變中性點電壓，盡管正常線路的對地電容與調控前的電流不一致，但調控后的值在當量上是相等的。因此，如果檢測到零序電流當量變化與補償電流一致的測點時，即可判定出現了單相永久接地故障。

3 ?故障定位統設計分析

3.1 系統總體結構

基于物聯網技術的配電網故障定位系統主要由兩大部分構成，分別為監控中心和監控終端。其中，監控中心又包括各種服務器，可以完成通信、數據存儲和處理分析等任務;監控終端由大量的傳感器構成，由無線網絡實現互連，并將采集到的數據發送給監控中心。傳感器的布設應根據線路的區段劃分來確定，可根據經驗在故障率較高的區段加密布設。一旦線路某區段發生故障，采集到的信號會立即通過網絡傳輸至監控中心，監控中心的應用服務器收到數據后根據判據進行分析，同時將故障點顯示出來，實現故障點的定位。

3.2 時鐘同步方案

時間差是故障定位的重要參數之一，但不同的設備之間的內部時鐘總是會有誤差的，因為每個設備都有著獨立的晶體振蕩單元，這些晶體振蕩頻率不可能完全一致，經過長期的積累后必然會造成明顯的時鐘誤差。另外，設備的工作溫度也對時鐘精度有較大的影響。因此，為了實現配電網中的故障定位，必須對時鐘進行同步校準。該文采用的方案是在通信報文中加入一個單獨的字段用于標記時間戳，應用服務器在收到報文會根據設備之間的時間差對各設備進行定期校準。

3.3 數據同步采集方案

所謂數據的同步采集，顯然要求做好兩個方面的工作，即同步和傳輸。目前在物聯網領域中常用的同步采集方案有GPS和WSN，但無論哪種方案都不是萬能的，都有著不同的優缺點。為了提高同步采集的精度，該文根據配電網區段定位的特征，采取了多級同步的設計方案。在區段比較大的位置，由于傳感器布設間隔較大，可采集高精度GPS作為同步信號源;對于區段較小的節點，由于傳感器布設較密集，誤差范圍相對較小，因此采用WSN時間同步協議進行同步即可滿足定位精度，降低能耗和硬件投資成本。

4 ?故障定位統的應用

為了檢驗該系統的有效性，在某10kV配電網中進行了試運行。配電網采用了標準380V三相電源，升壓得到10kV電壓，與安裝了傳感器的母線直接相連，零序電壓檢測器接在傳感器的末端。目標線路上布設了多個測點，采用零序電流檢測器分別進行測量。依次讓每個區段出現單相接地故障，傳感器可以及時準確地采集故障信號，應用服務器響應及時，預警和定位準確。盡管信號中帶了明顯的隨機噪聲，但其諧波相位不大，對故障定位的影響不大。

5 ?結語

智能電網的應用是電網發展的必然趨勢，而物聯網技術的發展使智能電網的管理不再困難。但配電網故障定位的準確性是建立在高質量算法基礎之上的，當前的定位算法雖然可以滿足一些常規的故障分析需求，但對于大型配電網和更加精確的故障定位，這些算法仍需進行不斷的改進。隨著物聯網技術的發展，配電網故障定位技術也將不斷完善，成為配電網日常管理的重要輔助手段。

參考文獻

[1] 廖登偉.配網自動化故障定位的問題研究及應用[J].通訊世界，2019，26（8）：253-254.

[2] 時慶賓.基于PMS和GIS系統的10kV配電網故障快速定位方法研究[J].電子制作，2016（17）：81-82.

[3] 江博，王秋杰，梅李鵬，等.分布式發電系統廣域保護和故障定位技術研究[J].通信電源技術，2016，33（2）：25-29，33.