高校供電系統(tǒng)故障檢測(cè)與診斷方法的研究

李 新，黃樹文，符寶夏

（廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530226）

0 引言

保證高校穩(wěn)定的供電服務(wù)對(duì)于保持高校科研與教學(xué)工作平穩(wěn)運(yùn)行的意義重大，但考慮到高校用電具有特殊性，包括用電時(shí)間集中、用電季節(jié)性強(qiáng)以及用電性質(zhì)多樣等，上述問題都會(huì)增加供電系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。因此為解決上述問題，則需要尋找一種科學(xué)、可行的故障檢測(cè)與診斷方法，這也是本文研究的主要目的。

1 高校供電系統(tǒng)故障檢測(cè)與診斷方法的實(shí)現(xiàn)

1.1 基于脈沖法的供電系統(tǒng)故障檢測(cè)

從技術(shù)原理來看，電信號(hào)在無限長(zhǎng)且介質(zhì)均勻的傳輸線路中可保持恒定的傳輸速度，因此在持續(xù)性的電波傳輸中不會(huì)接收反射信號(hào)，但是在線路出現(xiàn)故障后則會(huì)導(dǎo)致線路的電波參數(shù)發(fā)生改變，相較于理想的電路狀態(tài)，故障線路下的行波電壓及電流之間的傳輸關(guān)系也會(huì)突變，最終導(dǎo)致電磁波出現(xiàn)反射與折射現(xiàn)象。

本文所介紹的脈沖法故障檢測(cè)與定位方法，可在短時(shí)間內(nèi)確定故障位置，一旦線路發(fā)生故障則會(huì)因?yàn)榫€路波阻抗值以及故障點(diǎn)的等效抗阻差值而出現(xiàn)不匹配現(xiàn)象。此時(shí)參照電磁波反射特性，一旦信號(hào)抵達(dá)故障點(diǎn)，則可通過識(shí)別接收反射信號(hào)與輸入信號(hào)之間的時(shí)間差，判斷時(shí)間t 與傳輸距離d 之間的配比，此時(shí)再計(jì)算脈沖信號(hào)的傳輸速度，就可以計(jì)算出故障點(diǎn)與脈沖輸入點(diǎn)的距離，實(shí)現(xiàn)故障定位與檢測(cè)。

1.2 故障檢測(cè)系統(tǒng)的總體構(gòu)成

本文介紹的高校故障系統(tǒng)故障檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的核心為高壓脈沖源模塊，該模塊采用220V 工頻交流電源，輸入交流電經(jīng)整流橋電路做濾波與整流后，將電流轉(zhuǎn)換為直流電。再在電壓傳導(dǎo)體系中增設(shè)導(dǎo)通二極管，并且在本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中創(chuàng)新性使用絕緣柵雙極型晶體管，該裝置經(jīng)集成驅(qū)動(dòng)模塊控制，所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)均由單片機(jī)控制模塊發(fā)出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)絕緣柵雙極型晶體管導(dǎo)通。該系統(tǒng)中的脈沖變幅模塊按照1:40 配比處理后，脈沖變幅模塊在二次端制造一個(gè)高壓脈沖信號(hào)并從測(cè)試端輸入電纜線路中。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的輸出模塊經(jīng)單片機(jī)控制，共包含5 個(gè)液晶管，顯示屏可以顯示輸電線路的高壓脈沖信號(hào)頻率與脈寬以及脈沖的發(fā)射狀態(tài)，并支持技術(shù)人員對(duì)故障檢測(cè)與定位的遠(yuǎn)程控制。

1.3 高壓脈沖源的功能

由于本次設(shè)計(jì)中采用脈沖法做功能定位，利用脈沖波在供電系統(tǒng)中的均速傳播則可以統(tǒng)計(jì)信號(hào)輸入與輸出中的差值，進(jìn)而計(jì)算故障點(diǎn)與測(cè)試端的間距。本次供電系統(tǒng)故障檢測(cè)中應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：①系統(tǒng)通過高壓脈沖輸入高壓脈沖后，系統(tǒng)可記錄脈沖信號(hào)并調(diào)節(jié)脈寬、頻率等關(guān)鍵參數(shù)。②在輸入與輸出功能設(shè)定中，系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求設(shè)置脈沖參數(shù)，并且系統(tǒng)支持運(yùn)行與停止等顯示操作的要求[1]。③可提供反射脈沖信號(hào)接收與后續(xù)數(shù)據(jù)處理要求等。

1.4 關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計(jì)方案

1.4.1 芯片選擇方案

本次供電系統(tǒng)故障檢測(cè)系統(tǒng)的主要功能依照AT89C52 芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片可提供故障檢測(cè)定位以及遠(yuǎn)程控制的相關(guān)功能。芯片的輸入電壓參數(shù)為5V，工作電流5mA，內(nèi)部布設(shè)32 個(gè)I/O 輸入輸出端口。

1.4.2 絕緣柵雙極型晶體管設(shè)計(jì)

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）電子元件具有強(qiáng)大的電流信號(hào)處理能力，并且與常規(guī)裝置相比，絕緣柵雙極型晶體管還具有反應(yīng)速度快、驅(qū)動(dòng)過程簡(jiǎn)易、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。本文所選擇的絕緣柵雙極型晶體管裝置具有施加?xùn)艠O電壓控制的功能，元件參數(shù)為300A/1200V，內(nèi)部電路為續(xù)流二極管且可以反向并聯(lián)于絕緣柵雙極型晶體管元件的連接方式。上述特殊結(jié)構(gòu)使裝置具有強(qiáng)大的電流反向恢復(fù)性能。

在該裝置選擇期間，格柵部分的驅(qū)動(dòng)電壓值是用于評(píng)價(jià)功能的重要依據(jù)，并且隨著驅(qū)動(dòng)電壓值的增加，導(dǎo)致裝置傳導(dǎo)阻抗降低，相應(yīng)的電能損耗值也會(huì)明顯下降。并且應(yīng)注意的是，在正向驅(qū)動(dòng)作用下所產(chǎn)生的電壓大于元件承受的臨界值時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致元件內(nèi)發(fā)生短路，導(dǎo)致門電路不能正常工作甚至?xí)鹪膿舸┖蛽p壞。

1.4.3 定時(shí)器軟件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)中使用的阮詩琪軟件由時(shí)空單片機(jī)控制，該裝置可通過定時(shí)器的開啟或者中斷等動(dòng)作控制時(shí)間間隔數(shù)值。在本次功能設(shè)定中，定時(shí)器T0 可以記錄按鍵與液晶管掃描以及數(shù)字屏幕輸出功能；為滿足系統(tǒng)檢測(cè)與功能處理要求，在本次設(shè)計(jì)中設(shè)定的電纜故障檢測(cè)定位的掃描間隔為1ms。

系統(tǒng)中脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與輸出則可以借助T1 與T2 定時(shí)器實(shí)現(xiàn)其控制功能。其中定時(shí)器T1 工作置于高電平方式1，其計(jì)時(shí)功能利用多個(gè)功能位點(diǎn)實(shí)現(xiàn)；定時(shí)器T2 則采用捕獲運(yùn)行方式（16bit 定時(shí)/計(jì)數(shù)方式）。在上述結(jié)構(gòu)下T1 的計(jì)時(shí)功能可以判斷絕緣柵雙極型晶體管軟件是否處于短路狀態(tài)，此時(shí)以脈沖電平變化的周期間隔為最終的定時(shí)時(shí)間，此時(shí)當(dāng)T1 定時(shí)器檢測(cè)結(jié)果證實(shí)脈沖發(fā)射數(shù)量滿足設(shè)計(jì)要求并停止發(fā)射；而在固定時(shí)間內(nèi)沒有完成脈沖發(fā)射，則可啟動(dòng)T2 計(jì)數(shù)器進(jìn)入計(jì)時(shí)狀態(tài)。

1.4.4 故障信號(hào)接收模塊

連接故障電纜與信號(hào)接收裝置后，系統(tǒng)的故障信號(hào)可先由能夠耐高壓的整流電路整流，再接入光隔離器進(jìn)行電氣隔離。上述設(shè)計(jì)方案的目的是有效降低輸出信號(hào)電壓值，避免因?yàn)樾盘?hào)電壓值偏高而造成后方裝置損壞。為確保單片機(jī)可單獨(dú)中斷及時(shí)，海旭對(duì)輸出信號(hào)的方波進(jìn)行處理，本文采取整形電路方法，該裝置的輸出將作為外部中斷源輸入單片機(jī)當(dāng)中。

1.4.5 輸入與輸出模塊設(shè)計(jì)

顯示模塊的功能是顯示高壓脈沖信號(hào)的相關(guān)參數(shù)值以及脈沖源運(yùn)行情況等，工作人員也可以根據(jù)顯示模塊記錄的信息分別調(diào)控脈沖寬度、周期長(zhǎng)度與脈沖發(fā)射個(gè)數(shù)等[2]。為實(shí)現(xiàn)上述功能，在本次設(shè)計(jì)中選擇5個(gè)7 段共陰極數(shù)碼管，所有數(shù)碼管經(jīng)ULN2003 型液晶管驅(qū)動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)觀察結(jié)果證實(shí)整個(gè)模塊的顯示效果滿意。在輸入按鍵功能設(shè)計(jì)中，按鍵鍵盤直接介入系統(tǒng)電路，上方安裝5 個(gè)按鍵，每個(gè)按鍵的功能介紹如表1 所示。

表1 按鍵功能介紹

1.5 軟件功能設(shè)計(jì)

1.5.1 故障狀態(tài)判定

（1）判定系統(tǒng)的短路故障。在系統(tǒng)啟動(dòng)后為避免因?yàn)檎Ｋ碗姞顟B(tài)下的電流量變化而導(dǎo)致故障診斷結(jié)果失真，在軟件功能設(shè)計(jì)中所設(shè)定的故障檢測(cè)方案為：系統(tǒng)先記錄線路的預(yù)設(shè)閾值，先做線路故障狀態(tài)評(píng)估，此時(shí)當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)線路的電流變化率超過設(shè)定值時(shí)，可自動(dòng)延時(shí)l 時(shí)長(zhǎng)（此時(shí)的l 時(shí)長(zhǎng)應(yīng)大于線路前方開關(guān)重合閘時(shí)間），之后再次判斷電流量是否為零，此時(shí)若發(fā)現(xiàn)不為零，即可認(rèn)為線路存在過流情況或者瞬間短路故障；但如果系統(tǒng)顯示電壓值為零，即可判斷線路停電。

（2）單相接地故障判定方案。本系統(tǒng)通過檢測(cè)高校輸電線路的電流尖峰值判斷有無單相接地故障情況，同樣為避免正常條件下因?yàn)殡娏鞑▌?dòng)而造成的誤判，本文選擇在暫態(tài)電流下實(shí)施檢測(cè)，根據(jù)系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果判斷是否存在接地故障。

整個(gè)檢測(cè)流程如下：系統(tǒng)先識(shí)別線路運(yùn)行狀態(tài)，若檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)線路的電壓值大于等于預(yù)設(shè)閾值，即可認(rèn)定線路無異常；若發(fā)現(xiàn)暫態(tài)電容電流大于設(shè)定值后，系統(tǒng)需先觀察電壓是否有逐漸降低的發(fā)展趨勢(shì)，若變化量低于預(yù)設(shè)值時(shí)需先判斷線路是否可維持正常供電（這是因?yàn)橄到y(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時(shí)，若線路未產(chǎn)生保護(hù)動(dòng)作，系統(tǒng)可能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間），若發(fā)現(xiàn)線路依然有電流，即可認(rèn)為線路下游存在單相接地等故障[3]。

1.5.2 數(shù)據(jù)采集器通信軟件設(shè)計(jì)

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所采用的數(shù)據(jù)采集器通信軟件主要包括兩個(gè)通信部分，分別為Si4432 模塊與GRPS 模塊。其中，Si4432 模塊的軟件設(shè)計(jì)與定位終端通信部分軟件設(shè)計(jì)相同，而GPRS 模塊內(nèi)部則布設(shè)了可以專門執(zhí)行特殊操作指令的內(nèi)嵌活動(dòng)棧，其目的是在網(wǎng)絡(luò)條件差或者轉(zhuǎn)接延時(shí)等情況下依然可以快速傳輸供電系統(tǒng)電路資料，方便相關(guān)人員第一時(shí)間抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)解決問題。

1.5.3 后臺(tái)主系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

后臺(tái)主系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、后臺(tái)數(shù)據(jù)處理模塊、可視化程度3 個(gè)部分組成，其中的數(shù)據(jù)處理模塊以及可視化程序均由VB 軟件編譯而成，并在編寫過程中最大限度上利用電網(wǎng)公司現(xiàn)有配網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源，達(dá)到降低工作量的效果，支持復(fù)雜條件下的信息查詢與記錄功能[4]。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以用于存儲(chǔ)、管理整個(gè)供電故障檢測(cè)系統(tǒng)的所有信息，采用SQL2000軟件開發(fā)，提供XML 支持，且在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中展現(xiàn)出良好的可用性與安全性功能。

該后臺(tái)主系統(tǒng)可支持多個(gè)功能，后臺(tái)主系統(tǒng)功能如表2 所示。

表2 后臺(tái)主系統(tǒng)功能

1.6 系統(tǒng)故障集中控制

為降低故障對(duì)整個(gè)高校供電系統(tǒng)造成的破壞，在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用集中控制方式，即通過傳感裝置采集現(xiàn)場(chǎng)故障信息后，再將故障檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)邏輯通道發(fā)送至控制中心，由控制中心按照開關(guān)器件的狀態(tài)以及故障檢測(cè)結(jié)果、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析，判斷故障區(qū)的故障數(shù)據(jù)狀態(tài)，工作人員即可下達(dá)遙控指令，經(jīng)遠(yuǎn)程控制方法直接跳開故障區(qū)兩側(cè)的開關(guān)器件并重合出線位置的開關(guān)器件，達(dá)到器件閉合狀態(tài)。

根據(jù)現(xiàn)有的成功經(jīng)驗(yàn)，在高校供電系統(tǒng)作為子站，可與主站之間實(shí)現(xiàn)故障定位與隔離、恢復(fù)供電等功能，在子站系統(tǒng)中增設(shè)故障檢測(cè)（FDIR）系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)所轄范圍內(nèi)的故障定位與隔離，此時(shí)當(dāng)配電網(wǎng)中的多個(gè)子站同時(shí)出現(xiàn)故障時(shí)，需要啟動(dòng)主站內(nèi)的故障檢測(cè)裝置，此時(shí)FDIR 系統(tǒng)的功能主要包括：①做故障自動(dòng)定位，系統(tǒng)記錄開關(guān)跳閘狀態(tài)信息后快速判斷故障區(qū)域。②自動(dòng)隔離故障，將供電系統(tǒng)故障影響范圍控制在最小狀態(tài)，系統(tǒng)經(jīng)人機(jī)交互或者自動(dòng)解決等方法實(shí)現(xiàn)故障區(qū)域的自動(dòng)隔離[5]。③快速恢復(fù)上游停電區(qū)的正常供電，即系統(tǒng)經(jīng)檢測(cè)后判斷故障區(qū)段是否與已經(jīng)跳閘的開關(guān)器件直接連接，如果沒有連接，則會(huì)要求進(jìn)行合閉，因此可在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)上游區(qū)域正常供電。

2 應(yīng)用實(shí)例評(píng)價(jià)

為綜合評(píng)估基于脈沖法供電系統(tǒng)故障檢測(cè)與診斷方法的應(yīng)用價(jià)值，本文將結(jié)合某高校的實(shí)際情況展開判斷。

2.1 單相接地故障評(píng)估

某高校內(nèi)部有多條10kV 分支線路，因?yàn)榫€路的分布廣且人力資源不足，導(dǎo)致故障排除難度大。

之后經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘查以及技術(shù)可行性評(píng)估，決定在線路上安裝10 組故障定位終端，其中主干線上2 組，其余分散安裝在支線段與分叉位置。在2022 年8 月某日，當(dāng)?shù)卮笥辏瑢?dǎo)致變電站10kV 母線發(fā)生單相失地現(xiàn)象，調(diào)度通過查詢站內(nèi)選線裝置信號(hào)，確定單相接地故障發(fā)生在高校10kV 配電網(wǎng)上。之后運(yùn)維人員隨即到主站臺(tái)了解故障數(shù)據(jù)，根據(jù)故障定位結(jié)果顯示，故障出現(xiàn)在線路#31 桿與#37 桿之間，為B 相故障。運(yùn)維根據(jù)系統(tǒng)反饋結(jié)果立即拉#31 桿開關(guān)，有效解決故障，同時(shí)后臺(tái)主站的實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)也證明故障消失。在本次故障處理中，故障從發(fā)生至消失的整個(gè)過程大約需要半個(gè)小時(shí)。最后根據(jù)運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)觀察，最終確定了故障點(diǎn)為#33 號(hào)桿。

2.2 短路故障應(yīng)用實(shí)例

短路是高校供電系統(tǒng)運(yùn)維管理中的常見問題，本系統(tǒng)的應(yīng)用可顯著降低短路故障發(fā)生率，例如根據(jù)某高校2022 年7 月某次降雨天為例，因?yàn)榻涤陮?dǎo)致供電系統(tǒng)短路故障，變電站跳閘。根據(jù)運(yùn)維人員觀察發(fā)現(xiàn)，高校直線#5 至#13 號(hào)桿之間存在故障，之后立即拉開對(duì)應(yīng)的分段開關(guān)，隔離故障線路后申請(qǐng)?jiān)囁妥冸娬荆Y(jié)果顯示非故障線路恢復(fù)正常。最后根據(jù)檢查觀察發(fā)現(xiàn)，本次故障是因?yàn)閺?qiáng)風(fēng)降雨導(dǎo)致樹木折斷而破壞輸電線桿所致。

3 結(jié)語

根據(jù)應(yīng)用實(shí)例的成功經(jīng)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，本文所介紹的供電系統(tǒng)故障檢測(cè)與診斷方法充分發(fā)揮脈沖法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具有響應(yīng)速度快、數(shù)據(jù)精度高等優(yōu)勢(shì)，可精準(zhǔn)評(píng)估故障的位置，對(duì)于保證高校正常用電的意義重大，是一種科學(xué)方法，可顯著提升高校用電服務(wù)水平，值得做進(jìn)一步推廣。