配電線路故障檢測與定位技術(shù)的應(yīng)用研究

吳 偉

（國網(wǎng)紫陽縣供電公司，陜西 安康 725300）

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化和智能化發(fā)展，對電能傳輸?shù)囊笤絹碓礁摺Ｅ潆娋€路作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，其正常運(yùn)行對于維持整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。然而受各種外部和內(nèi)部因素的影響，配電線路可能發(fā)生各種故障，包括短路、斷路等。如果不能及時發(fā)現(xiàn)和處理這些故障，將對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，甚至導(dǎo)致停電事故的發(fā)生[1]。因此，開展配電線路故障檢測與定位技術(shù)的應(yīng)用研究，對于提高電力系統(tǒng)的安全性和可靠性具有重要的實(shí)際意義。

1 配電線路故障類型與特征分析

1.1 配電線路常見故障類型

配電線路常見的故障類型主要涵蓋接地故障、相間短路及接地相間短路，如表1 所示。

表1 配電線路常見故障類型

1.2 故障特征及其對電網(wǎng)的影響

故障特征及其對電網(wǎng)的影響是配電線路故障分析的關(guān)鍵內(nèi)容。不同類型的故障在表現(xiàn)上具有獨(dú)特的特征，如接地故障可能表現(xiàn)為電流泄漏，而相間短路可能引發(fā)電流異常。這些特征對于故障的及時診斷和定位至關(guān)重要。接地故障在不引起跳閘的情況下會發(fā)送接地信號，持續(xù)時間過長可能損害其他兩相絕緣[2]。相間短路則可能導(dǎo)致電壓波動、電流過載等，影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。此外，故障還可能對電網(wǎng)設(shè)備造成損壞，進(jìn)而影響電網(wǎng)的可靠性和安全性。

2 傳感器網(wǎng)絡(luò)在配電線路監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 傳感器類型與選擇

在配電線路監(jiān)測中，傳感器的類型與選擇至關(guān)重要。為確保不同故障類型的敏感性和準(zhǔn)確性，需要綜合考慮多種傳感器的應(yīng)用。溫度傳感器能夠監(jiān)測線路溫度的異常波動，提示潛在故障點(diǎn)；電流傳感器用于實(shí)時監(jiān)測電流的變化，對相間短路等故障類型具有高度敏感性；振動傳感器可用于檢測設(shè)備的振動情況，為設(shè)備松動或異物干擾等情況的診斷提供有力支持。通過綜合利用不同類型傳感器，可構(gòu)建多層次、多角度的監(jiān)測體系，提高故障檢測的全面性和可靠性。

2.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)布局與數(shù)據(jù)采集

在配電線路監(jiān)測中，合理的傳感器網(wǎng)絡(luò)布局和高效的數(shù)據(jù)采集是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。一方面，在配電線路的不同部位，合理地布置電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器。電流傳感器廣泛分布在主要供電節(jié)點(diǎn)和電纜連接點(diǎn)，實(shí)時監(jiān)測電流的變化，以便及時發(fā)現(xiàn)過載或短路等異常情況。電壓傳感器分布在不同的電纜段和變電站，用于監(jiān)測電壓的穩(wěn)定性和質(zhì)量。溫度傳感器被部署在線路連接器和設(shè)備接口處，用于檢測溫度異常情況，預(yù)防因過熱引發(fā)的故障。

另一方面，傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集涵蓋多個方面。通過電流傳感器實(shí)時采集電流數(shù)值，并記錄過載時的電流波形。電壓傳感器提供各節(jié)點(diǎn)的電壓數(shù)據(jù)，便于分析供電質(zhì)量和電壓穩(wěn)定性。溫度傳感器實(shí)時監(jiān)測連接器和設(shè)備的溫度狀況，為溫度異常判斷提供實(shí)時數(shù)據(jù)支持。這些采集的數(shù)據(jù)通過高效的通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)測中心，為系統(tǒng)的智能監(jiān)測和預(yù)警提供了科學(xué)可靠的基礎(chǔ)[3]。通過這一合理且細(xì)致的傳感器網(wǎng)絡(luò)布局和數(shù)據(jù)采集方案，全面掌握配電線路的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對潛在問題的早期發(fā)現(xiàn)和精準(zhǔn)處理，確保配電系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

2.3 配電線路實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的建立

配電線路實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)采用分層分布式設(shè)計，主要包括站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層以及現(xiàn)場設(shè)備層，如圖1 所示。站控管理層作為核心統(tǒng)籌全局，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析以及指令下發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)對整個配電線路的集中監(jiān)控與管理。網(wǎng)絡(luò)通信層扮演著橋梁的角色，采用高效可靠的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，確保信息的實(shí)時、準(zhǔn)確傳遞[4]。現(xiàn)場設(shè)備層是系統(tǒng)的感知觸角，通過安裝各類傳感器和智能裝置，實(shí)現(xiàn)對線路狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集。

圖1 配電線路實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)

3 配電線路故障檢測技術(shù)

3.1 傳統(tǒng)故障檢測方法回顧

在配電線路故障檢測領(lǐng)域，過去常用的傳統(tǒng)故障檢測方法正在經(jīng)歷回顧與反思的階段。傳統(tǒng)方法主要包括基于經(jīng)驗的手動巡檢和基于固定閾值的自動報警系統(tǒng)[5]。手動巡檢存在效率低、周期長、依賴人工經(jīng)驗等問題，而基于固定閾值的自動報警系統(tǒng)易受環(huán)境變化和設(shè)備老化的影響，導(dǎo)致誤報或漏報的情況經(jīng)常出現(xiàn)。

近年來出現(xiàn)了一系列基于先進(jìn)技術(shù)的故障檢測手段，如機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等。這些新方法通過對大量歷史故障數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，能夠更準(zhǔn)確地識別和定位配電線路的各類故障，大幅提高檢測的精度和實(shí)時性。

3.2 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的故障檢測算法

基于機(jī)器學(xué)習(xí)的故障檢測算法是一種先進(jìn)且高效的方法，通過對大量數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和模型訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)對配電線路故障的準(zhǔn)確檢測。其中，常用的算法之一是支持向量機(jī)（Support Vector Machines，SVM），通過構(gòu)建一個高維空間中的超平面，將不同類別的數(shù)據(jù)點(diǎn)分隔開，從而實(shí)現(xiàn)對故障的分類。其決策函數(shù)可表示為

式中：w為超平面的法向量；x為輸入數(shù)據(jù)特征向量；b為偏置項。

另一種常用的算法是深度學(xué)習(xí)中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Network，CNN）。CNN 通過卷積層、池化層等結(jié)構(gòu)，自動提取數(shù)據(jù)的空間層次特征，從而實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜數(shù)據(jù)的高效處理。其基本計算過程包括卷積運(yùn)算、非線性激活及池化操作，計算公式為

式中：wi為卷積核；xi為輸入數(shù)據(jù)；σ為激活函數(shù)。

這些機(jī)器學(xué)習(xí)算法在故障檢測中展現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確性和泛化能力，為提高配電線路監(jiān)測的智能化水平提供了可行方案。

3.3 智能傳感器在故障檢測中的作用

在配電線路故障檢測中，智能傳感器至關(guān)重要。通過高度集成的傳感器技術(shù)，系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲取多維度的電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)。這樣不僅實(shí)現(xiàn)了對配電線路工作狀態(tài)的精準(zhǔn)監(jiān)測，如對異常電流波動和設(shè)備溫度變化的敏感捕捉，還能通過實(shí)時分析識別電壓異常、頻率偏移等故障特征。智能傳感器的信息采集不僅為監(jiān)控系統(tǒng)提供了及時的故障反饋，還通過通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)的聯(lián)動控制，如切斷故障區(qū)域的電源。綜合而言，智能傳感器通過高效、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時監(jiān)測，顯著提升了配電線路故障檢測的智能化水平，為系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

4 配電線路故障定位技術(shù)

4.1 故障定位的基本原理

配電線路故障定位技術(shù)的基本原理涉及電氣信號傳播速度的測量，通常使用電氣距離定位法。該方法基于電信號在線路上的傳播速度，通過測量故障點(diǎn)到監(jiān)測點(diǎn)的信號傳播時間，可以計算出故障點(diǎn)到監(jiān)測點(diǎn)之間的距離，從而實(shí)現(xiàn)故障定位。

故障定位的基本原理可以表示為

式中：D為故障點(diǎn)到監(jiān)測點(diǎn)的距離；V為電信號在線路上的傳播速度；t為信號傳播的時間。

4.2 時序測量與相位分析

配電線路故障定位技術(shù)中的時序測量與相位分析是通過對電流或電壓信號進(jìn)行時間上的測量和相位分析來確定故障位置的方法。時序測量涉及測量信號的到達(dá)時間，通常使用微秒或納秒的時間單位。相位分析則關(guān)注信號波形的相位差異，通過對比不同位置上的信號相位，可以確定故障點(diǎn)的位置。

這2 個方面的原理可以表示為

式中：t1和t2分別為信號在2 個不同位置上的到達(dá)時間。

5 結(jié) 論

在配電線路故障檢測與定位技術(shù)的研究中，通過深入分析配電線路常見故障類型及其特征，結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)測中的應(yīng)用，以及傳統(tǒng)和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的故障檢測方法的回顧，成功建立了一套完整的故障監(jiān)測與定位體系。通過這一系統(tǒng)的綜合應(yīng)用，不僅有效提高了配電線路的安全性和穩(wěn)定性，還為今后類似電力系統(tǒng)的故障監(jiān)測與定位提供了有益的經(jīng)驗。