配電線路故障指示器檢測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)

莊黎明 謝海寧 陸 建 尹建坤

（1、國(guó)網(wǎng)上海電力公司電力科學(xué)研究院，上海200437 2、科大智能電氣技術(shù)有限公司，安徽 合肥230088）

配電網(wǎng)線路與電力用戶直接相連，因此配電線路的分支比較多，一旦某個(gè)分支配電線路發(fā)生故障，對(duì)判斷故障線路需要大量的時(shí)間，對(duì)配電線路故障來(lái)說(shuō)多有不便，因此配電線路故障指示器檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用而生，該系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動(dòng)化的重要組成部分，只有實(shí)現(xiàn)智能化判斷配電線路的故障區(qū)段，才能提高配電線路檢修人員的工作效率、保障配電線路安全運(yùn)行。

1 配電線路故障指示器

1.1 功能

配電線路故障指示器具有遠(yuǎn)傳報(bào)警指示、故障報(bào)警復(fù)位、防止負(fù)荷波動(dòng)誤報(bào)警、帶電裝卸、重合閘識(shí)別等功能，提高了配電線路故障判斷的效率，降低了故障誤判的幾率，有效保障了配電線路的安全運(yùn)行。

1.2 特點(diǎn)

配電線路故障指示器具有識(shí)別故障能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高、準(zhǔn)確性高、實(shí)時(shí)性高以及故障報(bào)警方式多等特點(diǎn)。當(dāng)故障發(fā)生之后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)接到故障報(bào)警信息，如果故障位置比較偏僻，仍然可以從其他渠道上報(bào)故障信息，配電線路的安全性大大增加。

1.3 檢測(cè)方法

配電線路故障指示器自身的質(zhì)量對(duì)保障整個(gè)配電線路安全運(yùn)行具有重要作用，因此故障指示器不能出現(xiàn)任何問(wèn)題，否則影響配電線路的故障監(jiān)測(cè)效率對(duì)整個(gè)配電線路都會(huì)造成極大影響。常用的兩種檢測(cè)方法為模擬實(shí)驗(yàn)法，在配電線路現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模擬或者在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行模擬皆可。

1.4 意義

配電線路故障指示器能夠準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)現(xiàn)故障并上報(bào)，對(duì)配電線路的運(yùn)行來(lái)說(shuō)可以起到安全保障作用，當(dāng)故障發(fā)生之后可以在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行修復(fù)。電網(wǎng)用戶受到的影響比較小，電力公司也不會(huì)受到太大的經(jīng)濟(jì)損失。

2 配電線路故障指示器檢測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 故障指示器系統(tǒng)總體方案

配電線路故障指示器檢測(cè)系統(tǒng)可以分為三個(gè)部分，其中最為關(guān)鍵是綜合檢測(cè)裝置，其次是電壓電流輸出單元和上位機(jī)信息處理裝置，綜合檢測(cè)裝置主要負(fù)責(zé)對(duì)故障配電線路的區(qū)段準(zhǔn)確判斷，電壓電流輸出電源負(fù)責(zé)接收配電線路的數(shù)據(jù)，而上位機(jī)信息處理裝置則負(fù)責(zé)與綜合檢測(cè)裝置進(jìn)行信息交互。

2.2 綜合測(cè)控裝置

故障指示器綜合測(cè)控裝置在整個(gè)系統(tǒng)中占據(jù)主要地位，該裝置需要具備多種渠道通信的能力，還需要保持具備極高的運(yùn)算速度，否則無(wú)法與上位機(jī)及時(shí)進(jìn)行信息交互。

2.3 故障指示器檢測(cè)系統(tǒng)硬件

2.3.1 升壓升流裝置。升壓升流裝置主要分為四種，其中單相升壓裝置的型號(hào)為HSNY-10kVA、原理圖如圖1 所示；三相升壓裝置的型號(hào)為HSXNY- Ⅲ；單相升流裝置的型號(hào)為HSXSLQ-3000A、原理圖如圖2 所示；三相升流裝置的型號(hào)為HSXSLQ-H-3000A。

圖2 單相升流裝置

2.3.2 任意波形放大裝置。任意波形放大裝置可以分別對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行前置放大和功率放大，然后通過(guò)反饋信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)即可，本文選用HEA-1000 型功率放大器。2.3.3 可編程邏輯控制器和觸摸屏?？删幊踢壿嬁刂破骱陀|摸屏應(yīng)該同時(shí)選擇，防止編程指令和接口出現(xiàn)誤差。本文選擇的可編程邏輯控制器的型號(hào)為永宏FBs、觸摸屏的型號(hào)為MT4000。2.3.4 交流量輸入輸出單元。本文交流量輸入輸出單元設(shè)備的型號(hào)為USB-6341，該設(shè)備的16 位分辨率精度達(dá)到±10V，而16 路采樣率更是達(dá)到了500kS/s,因此該設(shè)備完全可以做到精確定位配電線路故障區(qū)段。2.3.5 其他硬件。本文還采用了負(fù)載電阻箱、散熱風(fēng)機(jī)等硬件設(shè)備。其中負(fù)載電阻箱選擇的過(guò)程中需要與功率放大器配合使用，因此該設(shè)備型號(hào)為RTU-5-5。而散熱風(fēng)機(jī)主要對(duì)內(nèi)部進(jìn)行散熱，因此風(fēng)機(jī)設(shè)備信號(hào)選擇AC220V 即可。

2.4 故障指示器測(cè)試

配電線路故障指示器分別對(duì)短路故障和接地故障兩種情況下的故障上報(bào)和功能復(fù)位進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明短路故障和接地故障時(shí)均可以發(fā)出故障報(bào)警并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位。而帶電裝卸過(guò)程中并沒(méi)有發(fā)出故障報(bào)警，可見故障指示器的帶電裝卸功能完好。

3 配電線路故障指示器檢測(cè)系統(tǒng)綜合檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

3.1 核心控制單元可編程邏輯控制器

3.1.1 硬件連接?？删幊炭刂破餍枰c接觸屏、三相電壓和電流輸出裝置、單相電壓與電流輸出裝置、上位機(jī)等硬件設(shè)備進(jìn)行連接，但是選擇的可編程控制器接口（port）數(shù)量不足，因此本文選擇加入一個(gè)通信擴(kuò)展板設(shè)備作為輔助硬件連接設(shè)備。

3.1.2 可編程邏輯控制器軟件。可編程控制其軟件需要與上位機(jī)完成信息交互同時(shí)執(zhí)行其命令、與升壓升流裝置進(jìn)行信息交互并且控制該設(shè)備、與觸摸屏進(jìn)行實(shí)時(shí)通信、解析通信控制指令。為了方便后續(xù)對(duì)軟件的功能進(jìn)行增改，本文采用模塊設(shè)計(jì)方法將整個(gè)軟件拆分成控制模塊和執(zhí)行模塊。按照軟件控制流程進(jìn)行細(xì)分可以將其分成初始模塊、單項(xiàng)檢測(cè)模塊、三相檢測(cè)模塊以及上位機(jī)模塊。其中上位機(jī)模塊的通信、單相檢測(cè)模塊的短路故障檢測(cè)、可編程邏輯控制器軟件的控制指令和定時(shí)查詢分別按照各自的流程工作。

3.2 交流量輸入輸出單元

配電線路故障指示器檢測(cè)系統(tǒng)交流量輸入輸出單元需要選用微型電壓傳感器、閉環(huán)霍爾電流傳感器、直流電壓轉(zhuǎn)換器等設(shè)備。

3.3 觸摸屏界面

配電線路故障指示器檢測(cè)系統(tǒng)觸摸屏界面需要包含故障指示器檢測(cè)、配電自動(dòng)化演示以及參數(shù)設(shè)置三大模塊，故障指示器檢測(cè)模塊中會(huì)需要包含升流、升壓設(shè)備操作、短路試驗(yàn)、帶電裝卸試驗(yàn)、重合閘識(shí)別、防誤動(dòng)等模塊，參數(shù)設(shè)置模塊包括電流突變倍數(shù)、正常負(fù)荷電流值、初始電壓值、正常負(fù)荷持續(xù)時(shí)間、故障電流持續(xù)時(shí)間等參數(shù)。

4 配電線路故障指示器檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

4.1 總體設(shè)計(jì)

4.1.1 設(shè)計(jì)原則。配電線路故障指示器檢測(cè)系統(tǒng)必須遵循實(shí)用、可靠、可擴(kuò)展、先進(jìn)、易操作等設(shè)計(jì)原則，保證系統(tǒng)操作人員經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)之后即可直接通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)完成對(duì)配電線路故障的查找和判斷。4.1.2 開發(fā)工具。配電線路故障指示器檢測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)開發(fā)工具選擇LabVIEW（G 語(yǔ)言），該工具的優(yōu)勢(shì)可以模擬虛擬的仿真開發(fā)環(huán)境，使用圖形替代代碼。4.1.3總體設(shè)計(jì)。配電線路故障指示器檢測(cè)系統(tǒng)需要包含升流、升壓設(shè)備操作、短路試驗(yàn)、帶電裝卸試驗(yàn)、重合閘識(shí)別、防誤動(dòng)等功能模塊，總體設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)可以采用V 模型區(qū)分設(shè)計(jì)重點(diǎn)，檢測(cè)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)分為用戶層、控制層和通信層。

4.2 模塊設(shè)計(jì)

4.2.1 串行通信模塊。串行通信模塊通過(guò)發(fā)送幀經(jīng)VISA 寫入串口對(duì)收到的幀是否完整進(jìn)行判斷，其VISI 寫入和讀取的圖標(biāo)和端口定義不同，寫入開始之后經(jīng)過(guò)程序確認(rèn)寫入信息，然后從進(jìn)去緩沖區(qū)循環(huán)，最后解碼接收到的數(shù)據(jù)幀之后退出循環(huán)。4.2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)選用上位機(jī)操作系統(tǒng)中的ini 文件，數(shù)據(jù)寫入過(guò)程中根據(jù)文件是否同名判斷具體為幾次存儲(chǔ)，寫入與保存數(shù)據(jù)采用FOR 循環(huán)待寫入或保存完畢后關(guān)閉ini 文件即可。4.2.3 錄波模塊。錄波模塊首先需要生成錄波文件，然后驗(yàn)證文件真實(shí)性之后寫入TDMS 文件，再按照TDMS 屬性將獲得的錄波數(shù)據(jù)寫入節(jié)點(diǎn)，最后清空緩存結(jié)束任務(wù)即可。但是采集錄波數(shù)據(jù)的過(guò)程中需要應(yīng)用DAQ 助手，通過(guò)該物理通道和虛擬通道的匹配可以將錄波數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)到TDMS 文件中。4.2.4 仿真波形輸出模塊。G 語(yǔ)言與DAQ 助手結(jié)合模擬輸出信號(hào)可以得到Matlab 仿真Excel 工作表，然后利用函數(shù)調(diào)用工作表讀取仿真波形信息，最后處理波形數(shù)據(jù)之后即可輸出仿真波形圖。4.2.5圖像獲取模塊。配電線路故障指示器檢測(cè)系統(tǒng)軟件的圖像獲取模塊是為了更好地觀測(cè)配電自動(dòng)化演示結(jié)果，圖片獲取模塊通過(guò)攝像頭對(duì)配電線路的現(xiàn)場(chǎng)圖片進(jìn)行拍攝，根據(jù)連續(xù)圖像的預(yù)處理和后處理功能即可得到圖像分析結(jié)果。

4.3 軟件測(cè)試

配電線路故障指示器檢測(cè)系統(tǒng)軟件測(cè)試應(yīng)該按照各個(gè)模塊進(jìn)行功能測(cè)試，最后根據(jù)輸出仿真波形的正確性校驗(yàn)結(jié)果即可得到模塊功能的檢測(cè)結(jié)果。

5 配電線路故障指示器檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)

5.1 故障指示器介紹

本文在研發(fā)配電器線路故障指示器檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)共選擇ZY_F10 和KLD2-A 兩種類型的故障指示器進(jìn)行試驗(yàn)，其中ZY_F10 故障指示器具備遙信、遙測(cè)和遙調(diào)功能，而KLD2-A 故障指示器不具備遙調(diào)的功能。

5.2 故障指示器檢測(cè)

配電線路故障指示器帶電裝卸試驗(yàn)、重合閘試驗(yàn)、故障報(bào)警與復(fù)位試驗(yàn)、電氣性能試驗(yàn)等檢測(cè)方法都需要通過(guò)該檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)的檢測(cè)模塊進(jìn)行試驗(yàn)，每次試驗(yàn)檢測(cè)之前輸入對(duì)應(yīng)的參數(shù)即可。

5.3 三相線路仿真

配電線路故障指示器檢測(cè)系統(tǒng)三相線路仿真采用三相四線星型接法，根據(jù)三相仿真綜合控制平臺(tái)即可進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)升流升壓裝置的參數(shù)設(shè)置即可在上位機(jī)軟件中模擬三相線路的仿真過(guò)負(fù)荷實(shí)驗(yàn)，查看故障指示器在過(guò)負(fù)荷狀態(tài)下是否照常發(fā)出報(bào)警。

6 結(jié)論

綜上所述，配電線路故障指示器檢測(cè)系統(tǒng)可以根據(jù)電流電壓檢測(cè)結(jié)果對(duì)故障類型進(jìn)行判斷，故障指示器可以對(duì)故障發(fā)生的位置進(jìn)行確認(rèn)，對(duì)線路檢修和維護(hù)人員來(lái)說(shuō)可以極大地提高工作效率和質(zhì)量。因此配電線路故障指示器檢測(cè)系統(tǒng)具有提高配電線路穩(wěn)定性、安全性的作用，但是配電線路故障指示器的類型比較復(fù)雜，不同種類的故障指示器無(wú)法進(jìn)行全自動(dòng)檢測(cè)，未來(lái)故障指示器檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)還應(yīng)該進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，將各種類型的故障指示器進(jìn)行整合并推動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的可視化，智能化和可視化是配電線路指示器檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展方向。