智能配網(wǎng)故障定位裝置的研究

李 哲，富 巍

(廈門理工學(xué)院 電氣工程與自動化學(xué)院，福建 廈門 361024)

智能配網(wǎng)故障定位裝置的研究

李 哲，富 巍

(廈門理工學(xué)院 電氣工程與自動化學(xué)院，福建 廈門 361024)

介紹了零序電流和對地電場的計(jì)算在故障定位中的判據(jù)應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種具有在線監(jiān)測和通信功能的新型故障指示終端。該故障指示終端分為采集單元和匯集單元兩部分，對其結(jié)構(gòu)做了詳細(xì)的分析，并介紹了兩者在配電線路的配置原則，采集單元將采集的數(shù)據(jù)及故障告警信息傳送給匯集單元，匯集單元處理數(shù)據(jù)并通過GPRS通信方式將數(shù)據(jù)上傳給監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能故障自動定位。

故障定位；采集單元；匯集單元；零序電流

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和電力市場的逐步放開，建設(shè)“自愈、安全、經(jīng)濟(jì)、清潔”的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，提供優(yōu)質(zhì)的電力與服務(wù)尤為重要。配電網(wǎng)是連接電力系統(tǒng)與客戶之間至關(guān)重要的一個部分，配網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性直接關(guān)系到千家萬戶的供電安全。近些年，國家為配網(wǎng)投入了大量資金對城網(wǎng)和農(nóng)網(wǎng)進(jìn)行改造，提升了配網(wǎng)的自動化水平,不過配網(wǎng)系統(tǒng)由于存在線路分支較多、運(yùn)行方式復(fù)雜、線路的管理維護(hù)工作量大、查詢故障費(fèi)時費(fèi)力等自身結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的運(yùn)行特點(diǎn)，使得配網(wǎng)架空線路仍存在配網(wǎng)線路運(yùn)行狀態(tài)無法及時掌握和線路故障查找難度大這兩大難題。

目前，一些配電線路故障檢測因?yàn)橹甘竞唵?、故障判?jù)簡單、自檢功能不完備等多種因素, 導(dǎo)致配電線路定位困難。而本文設(shè)計(jì)的智能配網(wǎng)故障定位裝置綜合運(yùn)用人工智能技術(shù)、信息通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能傳感器技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)[1-2]，面向配網(wǎng)自動化的運(yùn)行控制裝置，可監(jiān)測配電線路三相負(fù)荷電流、三相電場強(qiáng)度、短路和接地故障電流和裝置自身電源供電狀態(tài)并實(shí)時上報(bào)監(jiān)控中心；以實(shí)時采集在線電流方式對配電線路故障進(jìn)行全面監(jiān)控，故障判斷更加及時、準(zhǔn)確，大大提高短路故障檢測的準(zhǔn)確性；監(jiān)控中心圖形界面顯示故障位置，短信通知維護(hù)人員。本裝置的開發(fā)和應(yīng)用將大大提高故障判斷的準(zhǔn)確性和故障巡線的效率，縮短故障停電時間，很好地實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控，故障精確定位的目標(biāo)不需要改造任何一次設(shè)備，容易實(shí)施，實(shí)用化程度高，使電網(wǎng)更堅(jiān)強(qiáng)、更智能、更安全，為配電自動化探索出了一個新而且經(jīng)濟(jì)的實(shí)用化方向。

1 故障定位裝置

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

智能配網(wǎng)故障定位裝置主要由故障指示終端和監(jiān)控中心構(gòu)成。每套故障指示終端由3個采集單元和1個匯集單元所組成，監(jiān)控中心由通信交換機(jī)、服務(wù)器、客戶端等組成。采集單元與匯集單元之間通過433 MHz無線通信方式進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信，匯集單元用于將3個采集單元的報(bào)警信息匯總判斷后，通過GPRS通信方式傳輸給監(jiān)控中心。

智能配網(wǎng)故障定位裝置通過外掛在各配電線路區(qū)段的故障指示終端，實(shí)時監(jiān)測線路運(yùn)行情況，在配電線路出現(xiàn)短路故障、接地故障等故障情況時，將采集的數(shù)據(jù)信息傳送到監(jiān)控中心[3]。監(jiān)控結(jié)合線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或地理信息系統(tǒng)(GIS)對這些信息進(jìn)行分析處理，確定出故障位置區(qū)段，引導(dǎo)工作人員快速準(zhǔn)確找到故障點(diǎn)；同時故障信息將通過短信的方式發(fā)送到供電生產(chǎn)部門相關(guān)人的手機(jī)上，能有效提高配電線路故障檢測的自動化和現(xiàn)代化水平，更好、更高效地達(dá)到快速定位。其具體智能配網(wǎng)故障定位裝置架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 智能配網(wǎng)故障定位裝置架構(gòu)圖

1.2 采集單元設(shè)計(jì)

智能配網(wǎng)故障定位裝置的采集單元通過采用高導(dǎo)磁材料的電流傳感器和數(shù)字信號技術(shù)對線路電流、電壓進(jìn)行實(shí)時采樣，并通過433 MHz無線射頻與匯集單元進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信，采集單元的電源模塊采用線路取電、超級電容和鋰電池三級電源架構(gòu)，能更好地取電和提高終端壽命，保證電路能正常工作。指示單元采用翻牌和LED閃耀顯示，直接、客觀、更加清晰地起到報(bào)警作用。采集單元可直接在線安裝和摘卸在電力線路上。

采集單元主要具有如下功能：

(1)實(shí)時檢測線路三相電流、對地電場強(qiáng)度；

(2)能監(jiān)測電源供電狀態(tài)，具備電池電壓自診斷功能，檢測自身的電池電壓，當(dāng)電池電壓低于一定限值時，上送低電壓告警信息；

(3)判斷和上報(bào)線路故障(包括短路、接地、斷線等故障)；

(4)判斷和上報(bào)線路狀態(tài)(包括過流、停電等)。

采集單元功能框圖如圖2所示。

1.3 匯集單元設(shè)計(jì)

匯集單元主要負(fù)責(zé)與采集單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通信及故障的匯總綜合分析處理判斷，一個匯集單元可以接收6個以上由采集單元發(fā)送過來的信息，但一般一個匯集單元與3個采集單元組成一組終端裝置使用，通信距離不低于50 m。匯集單元電源取電采用太陽能供電和鉛酸電池取電相結(jié)合的方式取電。

其主要功能有：

(1)雙向?qū)崟r與采集單元進(jìn)行交互通信；

(2)采用GPRS通信方式與監(jiān)控中心遠(yuǎn)程通信，預(yù)留了RS485模塊，可以通過RS485將故障信息上傳到遠(yuǎn)端；

(3)具備定時自檢、電源供電狀態(tài)及設(shè)備狀態(tài)自檢、設(shè)備通信質(zhì)量自檢等自檢技術(shù)；

(4)支持遠(yuǎn)程程序更新、遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置及調(diào)整；

(5)支持GPS定位信息與GIS定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息對接；

(6)集成電力遠(yuǎn)動規(guī)約DL634.5.101-2002 / DL634.5.104-2002；

(7)支持設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控。

匯集單元功能框圖如圖3所示。

2 故障定位原理

2.1 線路故障定位原理

配電線路出現(xiàn)故障時，故障點(diǎn)到變電站出線口線路的故障指示終端會以各種形式指示故障，運(yùn)行人員按照故障指示狀態(tài)下的故障指示終端所構(gòu)成的故障路線找到故障點(diǎn)，而故障點(diǎn)之后的故障指示終端不會指示故障。

圖4為線路故障判斷原路示意圖。圖中，線路指示終端的采集單元白色為正常狀態(tài)，灰色為故障狀態(tài)。在采集單元5和6之間的線路區(qū)間發(fā)生故障時，配電線路上的采集單元1、2、3、4、5均會檢測到故障信息，并將故障信息通過無線通信方式傳送給其配對的匯集信息，1、2、3、4、5上配對的匯集單元將會通過GPRS通信方式發(fā)送故障信息給監(jiān)控中心[3]，監(jiān)控中心結(jié)合該配電線路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和采集單元的位置信息判斷出線路故障位于采集單元5和采集單元6這段線路區(qū)間內(nèi)。

圖2 采集單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 匯集單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 線路故障判斷原路示意圖

2.2 短路故障判據(jù)

本裝置結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)采用自適應(yīng)負(fù)荷電流的過流突變判據(jù)[1-2]來判斷短路故障，可根據(jù)線路負(fù)載電流突變情況自動判斷故障類型。方法如下：

(1)線路正常運(yùn)行30 s以上；

(2)故障時，線路電流會突然升高，配電線路中出現(xiàn)100 A以上的突變電流，突變電流持續(xù)時間為0.02 s≤ΔT≤10 s之間；

(3)10 s后線路處于停電狀態(tài)。

滿足以上三條時，故障指示終端才能夠判斷線路出現(xiàn)短路故障。

線路故障電流變化圖如圖5所示。

圖5 線路故障電流變化示意圖

2.3 接地故障判據(jù)

目前，關(guān)于單相接地故障的原理問題百出，有的原理理論性可行，但實(shí)用性不行，有的實(shí)用性可行，但需增加額外的設(shè)備，增加了成本。而現(xiàn)如今主要的檢測原理有信號注入法、首半波法、有功分量法、暫態(tài)極性比較法、五次諧波法和零序電流法等。查閱大量資料并根據(jù)試驗(yàn)分析后，選用以下判據(jù)。

接地故障判斷通過實(shí)時采集三相電流、每相對地電場、三相無線同步計(jì)算零序電流等方法進(jìn)行綜合性的判斷。

(1)電流實(shí)時采集

電流采集通過采樣技術(shù)實(shí)時采集電流，采樣頻率為600 Hz，并對采集的電流作傅里葉計(jì)算，準(zhǔn)確得到線路的實(shí)時在線電流值，且能實(shí)時捕獲小于一個周波(20 ms)的電流突變信息，并對故障線路突變電流進(jìn)行實(shí)時分析。

(2)電場檢測

我國配網(wǎng)系統(tǒng)大多采用的是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，當(dāng)配電線路發(fā)生接地故障時，根據(jù)理論分析可知，故障線路相對地電壓會降低，非故障線路相對地電壓會升高，則可根據(jù)此特征來判斷接地故障。由于電壓不易直接測量，則可根據(jù)測得每相對地電場強(qiáng)度的變化來轉(zhuǎn)化判斷。

架空配電線路下方的工頻電場由配電導(dǎo)線上的電荷產(chǎn)生，以鏡像法為基礎(chǔ)，采用等效電荷法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式[4]如下：

式中，[U]為各導(dǎo)線對地電壓，[Q]為各導(dǎo)線上等效電荷密度，[λ]為各導(dǎo)線自電位系數(shù)和互電位系數(shù)。

其中：

λij=λji

空間任意一點(diǎn)(x,y)的電場強(qiáng)度可表達(dá)為：

(3)零序電流計(jì)算

A、B、C三相采集單元每周波實(shí)時采樣12點(diǎn)，故障時，以電流突變來觸發(fā)同步算法，將三相電流合成為零序電流，該相采集單元通過無線通信技術(shù)433 MHz請求匯集單元進(jìn)行零序同步算法。

①故障時，該相線路采集單元發(fā)送同步請求于匯集單元，實(shí)時通知A、B、C三相采集單元進(jìn)入同步接收狀態(tài)；

②采集單元接收到命令后進(jìn)入等待同步采樣計(jì)時狀態(tài)；

③匯集單元確認(rèn)A、B、C三相采集單元進(jìn)入同步等待狀態(tài)；

④匯集單元發(fā)送開始命令于A、B、C三相采集單元，命令其同步進(jìn)行若干個周波的采樣；

⑤同步時間結(jié)束后，匯集單元收集三相采集單元的采樣點(diǎn)信息；

⑥通過零序同步算法[5]進(jìn)行當(dāng)前零序電流計(jì)算。

圖6為零序電流合成示意圖。

圖6 零序電流合成示意圖

通過判斷故障后零序電流大小來判斷接地故障信息。

3 采集單元和匯集單元配置原則

采集單元和匯集單元的配置關(guān)乎系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，合理的配置原則能夠降低安裝運(yùn)行成本，避免過多的設(shè)備安裝數(shù)量。對其配置，筆者做了大量分析研究，提出如下配置原則[6]，可使其在合理的安裝位置實(shí)現(xiàn)效益的最大化。配置原則如下：

(1)變電站饋線出口處第一基桿塔處配置一組故障指示終端，目的是判明站內(nèi)或站外故障，合理安排巡線任務(wù)。

(2)為縮小故障區(qū)段，主干線路采取差異化配置故障指示終端，對于一般情況，每間隔2～3 km安裝一組故障指示終端。

(3)對于故障率較高的地區(qū)線路因地制宜，對故障指示終端配置間隔的距離進(jìn)行調(diào)整，但間隔的距離不宜低于1 km。

(4)對于承擔(dān)重要負(fù)荷或者線路長度超過3 km的分支線路，需用故障指示終端進(jìn)行線路故障分支指示。

(5) 分支點(diǎn)需安裝兩組故障指示終端：主干線和分支線各需配置一組故障指示終端。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的裝置適用于6～35 kV配電線路，實(shí)現(xiàn)對架空線路及電纜線路故障點(diǎn)的自動定位，通過檢測零序電流和對地電場，利用GPRS通信網(wǎng)絡(luò)將故障指示終端所采集到的故障信息和數(shù)據(jù)上傳，在監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)故障快速自動定位,大大提高了電力系統(tǒng)的工作運(yùn)行效率和效果。分析了故障指示終端在配電線路的配置原則，更好地為配電網(wǎng)故障定位提供了一個安全可靠、經(jīng)濟(jì)可行的方案。

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Research on fault location device of intelligent distribution network

Li Zhe, Fu Wei

(School of Electrical Engineering and Automation, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China)

This paper introduces the application of the zero sequence current and the calculation of the geoelectric field in the fault location, and designs a new fault indication terminal with on-line monitoring and communication functions. The fault indication terminal is divided into acquisition unit and collecting unit. And the principle of configuration of the two is introduced in the paper. The acquisition unit sends the collected data and fault alarm information to the collection unit. The data of the collection unit are processed and uploaded to the monitoring center by GPRS communication, achieving remote monitoring and intelligent fault automatic positioning.

fault location; acquisition unit; collection unit; zero sequence current

TU856

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.16.025

李哲，富巍.智能配網(wǎng)故障定位裝置的研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(16)：88-91.

2017-02-23)

李哲(1990-)，男，碩士， 主要研究方向：電器智能化技術(shù)及應(yīng)用。

富巍(1963-)，男，教授，主要研究方向：智能控制、模式識別、圖像處理、特種機(jī)器人。