線損業務場景仿真及故障定位系統的設計與實現

陳瑜， 趙寅生， 黨婷婷， 羅義釗， 程樹英， 柳玉鑾

(1.國網山西省電力公司，大同供電公司， 山西，大同 037006；2.大同大學，物理與電子科學學院,山西，大同 037009；3.福建網能科技開發有限責任公司， 福建，福州 350003)

0 引言

輸電線路受覆蓋范圍大、傳輸距離遠、區域地形復雜、設備老化、惡劣天氣等因素的影響很容易出現故障，而且瞬間故障又占比非常大，給故障的定位與排查造成了極大困難。但快速準確的故障定位在日常維護中具有極大的現實意義，既能縮短修復的時間，又可以提升供電質量，是降本增效的基礎。而通過線損統計分析計算也可獲取線損趨勢，為降損提供數據支持。

1 總體分析

1.1 線路故障研究現狀

目前行業內常采用的線路故障定位方法根據信號來源可以分為單端定位法和雙端定位法，區別在于行波信號來源于線路的兩端還是一端。根據原理進行劃分，主要包括以下三類。

(1) 阻抗法：故障發生時，單端供電系統中母線測量斷會得到故障發生點的阻抗值，與線路自身的單位阻抗相除即可獲得測量點到故障點之間的距離，可以分為單端阻抗、雙端阻抗。

(2) 行波法：故障發生時，故障點與地之間等同于多了個電源，會向線路兩端發出行波，行波包含了相關故障信息。可以分為單端A型測距、雙端D型測距[1]。

(3) 故障分析：故障發生時，在測量點獲取電壓值及電流值，通過計算獲取故障點位置。

1.2 行波定位原理

行波是指電流或電壓波在線路上隨時間傳播的波，但線路上不是正向行波與反向行波一直同時存在，有只包含正向行波的情況。電力系統正常運行時，節點電壓為相電壓，一旦發生故障，電壓為0，可以當做在故障節點增加了一個與原相電壓反方向的電壓源，行波以此電壓源作為行波源向兩端傳播，進而得到故障波形。

1.3 系統需求概述

線損計算系統首先要根據供電企業的理論線損計算的現狀提煉相關的需求，整體架構通常由采集終端、通訊協議、主站以及智能電表構成。采集終端用來實時監測并采集相關信息，與主站實時通信。通訊協議是主站與各個終端的橋梁，支持各類標準的通訊協議，實現數據傳輸。主站的功能需求需要包括基礎信息管理、各類線損指標考核管控、故障定位、線損多維度分析與展示以及賬戶權限管理，其中故障定位即可通過行波測距算法實現。

1.4 系統設計原則

系統設計功能包含線損管理的各個方面，為了確保設計的系統平穩運行且定位可靠，在設計過程中應遵從以下原則：

(1) 標準化：系統所用的各類通訊協議、網絡協議、操作系統、中間件需滿足行業內標準。

(2) 模塊化：體系架構采用多層模塊化體系，相對獨立，提升系統兼容性。

(3) 可擴展：為便于系統功能拓展以及新增功能接入，系統架構設計需要具備可擴展性，盡量避免二次開發。

(4) 實用性：功能易用、結果準確是線損及故障定位系統必須具備的特性，直接關乎軟件的最終質量。

(5) 安全性：需確保網絡安全、數據安全。

2 行波測距算法

2.1 單端A型測距

單端A型測距法利用行波從故障點到測量點的傳播時間來進行計算，行波到達測量點時會發生折反射，到達故障點會再次發生折反射，設第一次到達測量點時間為Ts1，第二次到達測量點的時間為Ts2，這個時間差即為一個來回所需的時間，根據行波的傳播速度v就可以計算出故障點距測量點的距離Xs=12vΔt=12v(Ts2-Ts1)。

2.2 雙端D型測距

雙端D型測距是利用行波到達兩端測量點的時間來進行計算，設到達一端S的時間為Ts，達到另一端R的時間為Tr，線路總長L，波速v，則故障點距離測量點S與R的距離為

Xs=[(Ts-Tr)v+L]/2

Xr=[(Tr-Ts)v+L]/2

2.3 對比分析

2.3.1 單端A型測距法優缺點

(1) 優點：成本低，不需要兩端數據同步的通信設備，更實用。

(2) 缺點：系統線路通常都會比較多，單端線路數量較少，而且由于線路交錯，經過連接點時也會發生折反射，導致行波會有所衰減，波頭到達時間難以準確獲取。

2.3.2 雙端D型測距法優缺點

(1) 優點：結果更精確，兩端都是測量第一次到達的行波即可，不受折反射影響，更容易識別且計算相對簡單。

(2) 缺點：成本稍高一些，對數據同步設備有所依賴，時間誤差會導致測得的距離誤差。

綜上所述并結合線損故障定位系統的實際需求，本文采用雙端D型測距法。

3 故障定位仿真研究

本文采用PSCAD/EMTDC軟件進行故障仿真，它交互界面友好，操作簡單，結果顯示直觀，通過仿真獲取相關故障的電流、電壓特征，為后續線損故障定位系統奠定分析基礎[2]。

3.1 工頻故障仿真

3.1.1 單相接地短路故障

單相接地短路是電網系統中最經常發生的故障，大約占故障總數的百分之八十。設故障發生時長0.2秒，持續0.2秒，整體仿真時間0.5秒，時間步長50微秒。經過仿真可得零序電流幅值為0.183191，與正常情況的零序電流相比，這個幅值較大。因此如果A相電流增大、電壓下降，B相和C相電流和電壓無變化，出現零序電流即可認為出現了A相接地短路。

3.1.2 兩相相間故障

兩相相間故障一般是兩相之間直接連接導致的，本文采用A、B相短路來仿真，假設值與單相相同，可以得到零序電流幅值基本小到可忽略。因此如果A、B相電壓下降、電流增大且反向，C相電流電壓均無變化，而且沒有出現零序電流，即可認為是A、B相相間短路故障。

3.1.3 兩相接地故障

兩相接地故障是指兩相連接并接地導致的故障，本文采用A、B相接地進行仿真分析，假設參數同上，可發現出現了零序電流。因此如果A、B相電壓下降、電流增大且反向，C相電流電壓無變化，但出現了零序電流，即可認為是A、B相兩相接地故障[3]。

3.1.4 三相短路故障

三相短路故障是指三相相連導致短路，假設參數同上，可發現未產生零序電流。因此如果三相電流增大、電壓下降，未出現零序電流，即可認為出現三相短路故障。

3.2 雷擊故障仿真

電力系統中，雷擊導致的線路故障占比也非常高，快速定位雷擊故障點也可以大幅降低工人的工作強度，節約搶修時間。

3.2.1 雷電繞擊

雷電繞機是指雷電繞過避雷線直接擊打到輸電線路導致的故障，本文采用多波阻抗模型假設雷電擊在A相線路進行仿真，將桿塔分為多個部分進行仿真，獲取波阻抗。仿真時間0.000 9 s，雷電流接通0.000 6 s，根據仿真結果，A相電流和電壓會驟增，B相、C相電壓也會增大，但電流無變化，且A相增幅遠遠大于其他兩相。

3.2.2 雷電反擊

雷電反擊是指擊打在桿塔或避雷線導致的故障。假設仿真參數同上，根據仿真結果，閃絡相波形會出現正負峰值，負向遠大于正向，其他兩相只能得到正向峰值，并且三相感應到的正向電流峰值的一樣的。

4 系統詳細設計

4.1 性能要求

(1) 用戶訪問時，頁面響應速度小于2 s。

(2) 支持多用戶(至少200人)并發訪問。

(3) 系統故障時解決時間不超過24小時。

(4) 具備數據備份、數據恢復預案。

(5) 確保可長期穩定不間斷運行。

4.2 整體結構

線損業務場景仿真及故障定位系統主要是通過采集終端進行實時狀態監控以及數據采集，利用標準通訊協議進行數據傳輸，將相關數據保存以便后續線損分析與故障定位，最終將分析結果進行直觀的可視化展示。系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構圖

4.3 功能模塊

線損仿真及故障定位系統功能模塊構成如圖2所示。

圖2 系統功能模塊組成

(1) 基礎信息管理：包括線損計算相關的變電站、臺區、線路相關資料的編輯與查詢。

(2) 考核單元管理：包括線損指標管理、對單一輸電線路的基礎考核單元、對無法清晰區分有關聯關系的線路進行組合考核單元。

(3) 故障定位：包括參數動態采集、動態數據收發、定位算法分析等[4]。

(4) 線損分析計算：包括供電企業綜合統計、累計值統計、按時間、區域等維度的分析，故障原因統計、線損趨勢、超出設定閾值的線路查詢、異常臺區歸類等。

(5) 系統管理：用戶賬密及權限管理。

4.4 定位算法參數

系統最核心的功能是故障定位，相關參數的取值都會影響最終定位結果的精確程度，對各類參數設計如下。

(1) 三相電源：220 kV，50 Hz

(2) 波頭檢測：本文采用雙端D型測距法，關鍵是對行波波頭進行識別，如果未識別或識別有誤，都會影響最終測距結果，采用小波分析，將PSACD獲取的數據導入MATLAB即可對波形進行解析，得到波頭到達時間。

(3) 波速選擇：行波在輸電電路上的傳播速度也是測距的關鍵參數，受土壤電阻率以及線路分布參數都會產生影響，比較合適的是將不同地區的各類參數帶入計算波速或采用實際測量數據，不建議直接取光速300 000 km/s。

(4) 故障盲區：指的是發生區間故障很難被監測到，行波非常微小，此時可將雙端測距與常規的其他方法結合使用，盡量彌補誤差。

(5) 線路總長：實際場景中，線路總長的計算會存在誤差，桿塔之間的輸電線會有一定弧度，并非完全的直線，這種情況只能通過實地測量進行補充[5-6]。

4.5 故障定位流程

系統輸入界面錄入相關參數后，根據前文介紹的測距算法及波形仿真分析辦法，實現故障定位解析的流程如圖3所示。

圖3 故障定位流程圖

4.6 核心數據庫表設計

系統要實現線損分析及故障定位功能，需要采集的基礎元數據涉及供電企業、用戶、采集點、采集勘察信息以及故障信息，核心數據庫表設計如下。

(1) 供電企業表：主要字段包括編號、名稱、上級單位名稱、類別、排序序號等。

(2) 用戶信息表：主要字段包括人員編號、所屬部門、姓名、職位、工種、技術等級、聯系方式、服務等級、持證標識、定編標識、在崗狀態等。

(3) 線損采集點表：主要字段包括采集點編號、名稱、狀態、地址、GPS經緯度等。

(4) 線損采集信息表：主要字段包括采集點編號、終端安裝位置、通訊方式、通信上行場強、通信下行場強、安裝位置圖、走線位置圖、勘察人員等。

(5) 線損故障信息表：缺陷標識、采集點編號、故障上報人員、故障發生時間、填報時間、故障現象描述等[7]。

5 測試與驗證

為驗證本文設計系統與定位方法的準確性與實用性，在國內某省市兩級公司進行了搭建與部署，連續三個月不間斷運行，可承接500人同時訪問，頁面平均響應速度為1.6 s。以雷擊故障為例，對反擊故障、繞機未閃絡、繞機閃絡故障進行仿真，設監測點間距35 km，采樣頻率10 MHz，代入本文設計的系統之中，計算行波抵達監測點的時間，故障定位結果如表1所示。

表1 雷擊故障定位結果表

其中,R代表雷擊點右側發生閃絡，L代表雷擊點左側發生閃絡，由定位結果表可知，通過本文設計的模型對各類雷擊故障進行定位，誤差最大為43 m，具有較好的定位效果[8-9]。

6 總結

本文對工頻故障及雷擊故障進行了仿真分析，并基于雙端D性測距方法設計了線損仿真及故障定位系統，實現了線損分析計算與故障點位置的測距，但在實測波形精準度、測距方法優化以及噪聲數據剔除方面還有待改進，如果可以綜合考慮地形、天氣等影響因素，引進傳感器技術增加數據來源，最終定位誤差會更小。