配電架空線路故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

張敏逸 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司無錫供電分公司

新時期下，社會各行業(yè)領(lǐng)域?qū)╇娋W(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的要求也日益提高。數(shù)據(jù)顯示：95%的停電事故是配電網(wǎng)故障所致。配電線路的接線十分復(fù)雜，尤其是較為偏遠(yuǎn)的農(nóng)村，配電線路往往分支較多，供電范圍廣，發(fā)生故障時無法第一時間隔離，嚴(yán)重影響供電的可靠性。安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)后，能夠在故障發(fā)生后迅速排查和隔離，縮短了停電時間，提高了服務(wù)質(zhì)量。

一、配電架空線路故障在線監(jiān)測系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)共包含七部分：電纜型通信主機(jī)、系統(tǒng)軟件、電纜線路接地故障檢測終端、服務(wù)器、電纜線路短路故障檢測終端、通信交換機(jī)與面板指示器[1]。

在本系統(tǒng)中，檢測終端的部署位置大多選擇在電纜線路之上，負(fù)責(zé)收集負(fù)荷溫度、接地故障等信息，然后通過無線射頻的方式將這些信息傳送給電纜型通信主機(jī)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，電纜型通信主機(jī)再把信息傳送到通信交換機(jī)，最后進(jìn)入服務(wù)器。經(jīng)過系統(tǒng)特定的功能軟件運(yùn)算，會對處理好后的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展現(xiàn)，并進(jìn)行報(bào)警措施，按照要求發(fā)送報(bào)警短信。故障發(fā)生后，檢修人員根據(jù)報(bào)警短信第一時間達(dá)到現(xiàn)場，對故障問題進(jìn)行消缺，最大程度上降低用電損失的范圍，極大的減輕了檢修人員的勞動量，提高了配電架空線路的管理效率與自動化管理水平。

系統(tǒng)將單片機(jī)作為內(nèi)核，可達(dá)到500萬次/s的計(jì)算速度，能夠準(zhǔn)確測量出線路的電流。采用全數(shù)字的處理方式，無須將模擬電路作為判斷依據(jù)，精準(zhǔn)度高，不容易受到外界因素的干擾。對通信故障指示器的相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定之前，技術(shù)人員應(yīng)展開實(shí)地調(diào)查，對電纜線路的對地電容、線路長度及電壓進(jìn)行分析。而后根據(jù)分析所得出的結(jié)果設(shè)定最科學(xué)最準(zhǔn)確的啟動值。用突變時間、突變電流以及線路停電作為進(jìn)行電纜短路狀態(tài)監(jiān)測的一個判斷依據(jù)。若能夠最大程度上降低適用性問題帶來的不良影響，將避免由于配電價的繼電保護(hù)的整定值改變對后者用電負(fù)荷增加而影響監(jiān)測適用性的問題。

在一般情況下，相較于穩(wěn)態(tài)電容電流，架空線路的暫態(tài)電容電流及額度會高于其兩倍。而電纜線路的電容電流又是架空線路電容電流的20倍。如果在運(yùn)行的過程中出現(xiàn)了接地故障，這會導(dǎo)致四十公里長的架空線路產(chǎn)生3安培的暫態(tài)電容電流以及1安培的穩(wěn)態(tài)電流。這將直接導(dǎo)致接地監(jiān)測系統(tǒng)的電容電流啟動值會下降至1安培。也就是說，在同一母線的情況下，10kv的線路的長度若高于40公里，接地監(jiān)測系統(tǒng)便能正式產(chǎn)生效用。而傳統(tǒng)的接地監(jiān)測電容電流啟動值最低是十安培，其靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如前者。二者相較而言，該系統(tǒng)的范圍更廣，靈敏度都更高，準(zhǔn)確性更強(qiáng)。

二、在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備的功能

（一）裝置管理

當(dāng)在線監(jiān)測系統(tǒng)在配電架空系統(tǒng)中成果上線并得以發(fā)揮作用后，該系統(tǒng)應(yīng)具備裝置管理的基本功能，從裝置管理的角度來分析，再進(jìn)一步細(xì)分以后，可分為資產(chǎn)管理、裝接管理等多個類型。因?yàn)榕潆娂芸站€路中構(gòu)成要素的復(fù)雜性，在開展資產(chǎn)管理時又包含了終端、指示器等資產(chǎn)管理、檔案批量檢索等基本內(nèi)容。裝接管理則以裝置安裝與拆除、轉(zhuǎn)換、調(diào)試為重點(diǎn)。裝置安裝的基本流程為：結(jié)合在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求和功能特點(diǎn)，進(jìn)行對應(yīng)的終端裝備配置，在此基礎(chǔ)上精準(zhǔn)定位安裝點(diǎn)，在終端裝置與安裝點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)有效關(guān)聯(lián)；關(guān)聯(lián)監(jiān)測設(shè)備與各個監(jiān)測點(diǎn)。裝置拆除指的是終端裝置的拆除作業(yè)，就是將終端裝置和安裝點(diǎn)之間所存在的關(guān)聯(lián)關(guān)系加以解除。裝置置換為新終端裝置與安裝點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系構(gòu)建；裝置調(diào)試是為了使得終端裝置可保持在穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)下[2]。

（二）數(shù)據(jù)管理

在線監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，監(jiān)測工作開展的同時會伴隨著大量的數(shù)據(jù)信息采集，監(jiān)測的過程也就是對這些數(shù)據(jù)信息的采集和管理過程。因此，數(shù)據(jù)管理也是在線監(jiān)測系統(tǒng)的一大突出功能，包含了任務(wù)編制、數(shù)據(jù)采集、終端裝置任務(wù)管理、漏點(diǎn)補(bǔ)充等基本內(nèi)容，但任務(wù)編制中又細(xì)分為任務(wù)模塊和裝接默認(rèn)任務(wù)，在任務(wù)模塊的設(shè)置上，要嚴(yán)格根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求、配電架空線路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來進(jìn)行。當(dāng)確定了任務(wù)模塊以后，根據(jù)不同任務(wù)的對接需求，進(jìn)行對應(yīng)的監(jiān)測裝置選擇和配置，獲得關(guān)于指示器和任務(wù)模塊之間的關(guān)系信息。

（三）運(yùn)行管理

運(yùn)行管理中以主站、設(shè)備和異常運(yùn)行管理作為核心性的工作，其中，主站運(yùn)行管理指的是監(jiān)測系統(tǒng)對主站運(yùn)行狀態(tài)、通信信道、操作日志的實(shí)時管控過程。設(shè)備運(yùn)行管理則為對終端裝置基本參數(shù)的設(shè)置過程，以通過參數(shù)的科學(xué)設(shè)置，將指示器服務(wù)地址與終端時鐘誤差控制在最小的范圍內(nèi)。異常運(yùn)行管理是對一切異常情況的監(jiān)測。

（四）統(tǒng)計(jì)分析

質(zhì)量查詢、數(shù)據(jù)查詢和報(bào)文查詢是在線監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析功能中的關(guān)鍵性內(nèi)容，在開展質(zhì)量查詢的過程中，可嚴(yán)格按照省級、市級、縣級等基本單位范圍，對電力企業(yè)的配網(wǎng)加以數(shù)據(jù)采集，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上進(jìn)行配網(wǎng)數(shù)據(jù)完成率和合格率等指標(biāo)的計(jì)算。數(shù)據(jù)查詢主要是提供配網(wǎng)線路基本的狀態(tài)和參數(shù)信息調(diào)取服務(wù)。

（五）系統(tǒng)權(quán)限管理

權(quán)限管理功能的存在使得在線監(jiān)測系統(tǒng)在配電架空線路的運(yùn)行中更為安全，因?yàn)樵谕暾臋?quán)限管理下，也就科學(xué)地劃分了每個操作人員的操作權(quán)限，避免了在線監(jiān)測系統(tǒng)中的異常入侵和訪問。

（六）終端升級

在線監(jiān)測系統(tǒng)還兼具終端升級的功能，進(jìn)一步細(xì)分以后，這一功能下又細(xì)分為終端版本召測、審計(jì)任務(wù)申請審批、升級文件管理、終端升級任務(wù)執(zhí)行，不同流程之間的高度配合使得在在線監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，能夠支持相應(yīng)的升級任務(wù)，滿足在線監(jiān)測系統(tǒng)的終端配置要求。

三、配電架空線路故障監(jiān)測方法

（一）故障測距法

這是一種在線路端點(diǎn)位置測量故障距離的方式，測量方法有兩種：

1.阻抗法

配電架空線路故障發(fā)生后，通過技術(shù)手段對電壓與電流進(jìn)行計(jì)算，以此能夠得出故障回路的阻抗，線路的長度和阻抗之間為正比關(guān)系，可估算出故障距離。阻抗法的優(yōu)勢是成本較低，盡管我國通過故障分量電流法、最小二乘法等方式優(yōu)化了阻抗法的測量精度，但受到路徑阻抗、電源參數(shù)、線路負(fù)荷等各因素的影響，阻抗法并不能排除多分支配電線路的故障點(diǎn)，只能應(yīng)用于結(jié)構(gòu)比較簡單的配網(wǎng)架空線路。

2.行波法

根據(jù)行波從故障點(diǎn)傳送到檢測點(diǎn)和故障距離的時間之間正相關(guān)的基本原理，可根據(jù)這一原理將行波法分為五種類型：①A型：利用故障所產(chǎn)生的行波來定位單端。②B型：通過時間差來對雙端進(jìn)行定位，也就是在故障點(diǎn)位置生成的行波到達(dá)線路兩端的時間差值。③C型：通過信號注入的手段，在線路中任一位置注入信號，監(jiān)測注入點(diǎn)與故障點(diǎn)之間信號往返一次所需的時間，而后推算出故障的距離。④D型：根據(jù)故障暫態(tài)行波的雙端測距原理對現(xiàn)代行波故障距離進(jìn)行測算[3]。⑤E型：斷路器重合閘在故障線路時會產(chǎn)生暫態(tài)行波，因此，據(jù)此原理對暫態(tài)行波在故障點(diǎn)和永久性故障點(diǎn)之間往返一次消耗的時間進(jìn)行計(jì)算，從而推算出距離。

目前，行波法所用形態(tài)學(xué)法以及小波分析法都是常見的數(shù)據(jù)分析手段。盡管該方法有著良好的應(yīng)用效果，但配電架空線路的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，分支、折射和反射較多，因此直接導(dǎo)致行波的波形展現(xiàn)復(fù)雜多變，識別難度大，難以對故障點(diǎn)進(jìn)行定位，在應(yīng)用的過程中存在一定程度上的局限性。

（二）信號注入法

這是一種故障發(fā)生后，通過系統(tǒng)注入信號來定位故障的方法，主要有三種方式：

1. S注入法

故障發(fā)生后，將處于閑置狀態(tài)的電壓互感器進(jìn)行交流信號的注入，然后檢測故障線路中信號的路徑、特點(diǎn)，對故障進(jìn)行定位與測距。S注入法非常適用于線路上只安裝了兩相電流互感器的系統(tǒng)，但注入信號強(qiáng)度時，容易受到系統(tǒng)的限制，同時接地電阻比較大，產(chǎn)生的間歇性電弧會干擾檢測結(jié)果，還可能導(dǎo)致在系統(tǒng)二次接地，引起線路跳閘。

2.加信傳遞函數(shù)法

在故障發(fā)生的位置加入方波診斷信號，根據(jù)故障發(fā)生后電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化情況，再運(yùn)用頻域分析法給故障定位，完成單端測距。頻域傳遞函數(shù)是加信傳遞函數(shù)法的關(guān)鍵所在，在中性點(diǎn)不接地的系統(tǒng)中，其優(yōu)勢是測距效果不會受到負(fù)載參數(shù)變化的影響，但是要想完成從理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)化，還存在諸多困難，所以應(yīng)用并不廣泛。

3.端口故障診斷法

根據(jù)模擬電路斷口故障理論診斷線路故障，能夠減少工作量，在規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)中具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢，但無法確定故障的距離，而且對數(shù)據(jù)通信的要求較高，實(shí)用性略差。

四、配電架空線路故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

①在出現(xiàn)故障的導(dǎo)線中設(shè)置激光測距模塊，動態(tài)收集不同導(dǎo)線、不同區(qū)段的故障隱患點(diǎn)，然后將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)和信息傳送到后臺系統(tǒng)。

②在故障隱患的桿塔中配備攝像裝置，攝像機(jī)能夠多角度旋轉(zhuǎn)，可全程監(jiān)測線路四周環(huán)境，檢修人員可以從后方清晰、直觀、實(shí)時的觀看各個線路與設(shè)備周圍的視頻。

③為了更好的對故障隱患發(fā)展的狀況進(jìn)行分析，及時進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)消缺和隱患控制，引入動態(tài)數(shù)據(jù)、趨勢分析法、歷史數(shù)據(jù)、現(xiàn)場視頻等方法功能。[4]

五、配電架空線路故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用與效果

（一）應(yīng)用

系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如下：10臺通信主機(jī)、10組故障檢測終端、1套電纜線路故障監(jiān)測系統(tǒng)。在線監(jiān)測10條10kV的電纜線路，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了四大功能：

①支持對接地故障的高效精準(zhǔn)定位；并可以對故障電流、負(fù)荷電流、導(dǎo)線溫度、異常溫度的動態(tài)監(jiān)測與實(shí)時上傳。

②通過短信、聲光等報(bào)警方式對接地故障、電纜溫度越限等故障進(jìn)行報(bào)警，同時還支持顯示故障的時間、類型，給故障定位。

③可以對各個分散的終端設(shè)備的時間進(jìn)行統(tǒng)一校準(zhǔn)，終端將在每天特定的時間進(jìn)行系統(tǒng)自檢，自檢內(nèi)容包括信息特征碼、沒有收到的自檢信息的終端編號以及通信主機(jī)的組號等，為終端的正常運(yùn)行提供保障。

④擁有信息查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)擴(kuò)展等一系列功能，還能分類和統(tǒng)計(jì)歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行分時統(tǒng)計(jì)、各種條件的組合查詢等，還可以和饋線自動化系統(tǒng)等其他子系統(tǒng)聯(lián)合使用，提高了線路故障判斷的準(zhǔn)確性，提高了故障的排查速度。

（二）檢測依據(jù)

①短路故障：在同時滿足It≥300A、I=0，0.02s≤△T≤3s條件的情況下，可判定為短路故障。It表示突變量電流值、I表示線路故障發(fā)生后的電流值、△T表示電流突變時間。

②接地故障：配電架空線路在接地相的電壓下降＞3KV，零序電流突變＞10A，分機(jī)通過無線射頻和主機(jī)完成數(shù)據(jù)通信，通過比較三相電流后計(jì)算出零序電流。

③過流或者負(fù)荷電流越限報(bào)警：線路瞬時的過流跳閘，但又能恢復(fù)正常供電，是判斷過流的重要依據(jù)。當(dāng)負(fù)荷電流超出設(shè)定值，系統(tǒng)處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)時，應(yīng)該立刻調(diào)整。

（三）效果

①為了提高電纜線路故障檢測的準(zhǔn)確性，引入突變電流與零序電流檢測等方法。

②本系統(tǒng)支持“二遙”，可以感應(yīng)取電，同時具備電纜通信、無線通信與光纖通信等功能，可以就地顯示出報(bào)警功能，能夠有效抗電磁干擾與勵磁涌流，顯著提高了電纜的自動化運(yùn)行程度。

③系統(tǒng)能夠在線實(shí)時監(jiān)測電力電纜的運(yùn)行狀況，并將監(jiān)測信息傳送到管理人員的手機(jī)上，對管理人員的工作難度進(jìn)行了簡化，減少了人力的投入，同時也對端點(diǎn)修復(fù)的時間進(jìn)行了縮短，提高了客戶的認(rèn)同和滿意度，也提高了管理和運(yùn)維的工作效率。

④在線監(jiān)測系統(tǒng)可以直觀的呈現(xiàn)數(shù)據(jù)信息，擁有報(bào)警、轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)警短信、分析數(shù)據(jù)、生成報(bào)表等多種功能。

⑤該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的兼容性和聯(lián)動性，支持與其他運(yùn)行管理系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，可以集成配電自動化系統(tǒng)、調(diào)度自動化系統(tǒng)以及GIS系統(tǒng)等軟件，允許多個部門使用故障監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過持續(xù)、深入的研究系統(tǒng)，能夠?yàn)楹罄m(xù)的自動化管理提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

六、結(jié)束語

隨著我國在電力科學(xué)上的研究和發(fā)展，信息化和自動化水平日益提高。在線監(jiān)測系統(tǒng)是一種能夠在配電架空線路故障中發(fā)揮重要作用的工具平臺，不僅具有診斷分析電路故障的功能，還能夠幫助電力企業(yè)簡化工作流程，構(gòu)建科學(xué)可靠的運(yùn)維體系。