电力线路多点式故障定位方法研究

朱成喜，韩晓新，于冬梅，邢绍邦

(江苏理工学院电气信息工程学院，江苏 常州 213001)

0 引言

当电力线路发生接地故障时，如不及时排除故障会产生很大的经济损失甚至导致电网的崩溃，所以需要准确地判定故障地点，及时修复故障线路，确保整个电网的安全运行。

现今的电力线路故障定位方法主要有两类[1]:一类是阻抗法，一类是行波法。阻抗法由于不能消除接地故障点存在的过渡电阻等参数的影响，所以此方法的故障定位精度低且不适合长距离输电。行波法是利用行波在输电线路上以一定速度传播的特性监测故障点，它不受线路参数的影响，可以实现精确的故障定位。但是现在提出的行波测距法由于行波波速的不确定性和需要GPS同步时间的原因，都存在精度不准或者成本较高的问题。

本文提出了一种多点式的行波故障测距，主要在电力线路中安装若干个检测装置，利用线路发生接地故障时电流行波在输电线路上传播的特性，各个检测点对故障行波达到装置的时间进行监测，然后通过后台计算，找出线路故障点位置。此方法可以消除线路参数以及行波波速未知的影响，不需要GPS同步，既降低了成本又提高了定位的精度。

1 多点式故障定位原理

输电线路在发生接地故障时，会产生故障电压和电流行波，并且在输电线路中传播。线路中的电流行波在沿着电力线路传播时，若遇到阻抗不连续处会发生折射和反射。本系统采用多点式故障测距，由输电线路上的若干个监测装置来检测线路电流行波的传输时间，利用故障电流行波及其反、折射波的波头到达装置的不同时间来获得波速信息，从而获得故障点离杆塔的距离[2]。故障定位原理如图1所示。

图1 多点式故障定位原理

电力线路发生接地故障时，由于故障电流行波的反、折射波到达各检测装置的时间各不相同，利用这些时间差可以消除输电线路参数和行波波速参数的影响，检测装置测得的数据则通过GSM/GPRS通信传回实验室，由后台电脑进行分析计算，准确的计算出故障点的位置。

2 系统的硬件设计

本系统主要由电源模块、CPU主控模块、电流数据采集模块、无线通信模块、GPRS/GSM通信模块五个部分组成。如图2所示。

图2 故障定位系统硬件框图

2.1 电源模块

电源模块采用特制取电线圈利用电磁感应的原理从电力线路上取电，同时配合锂电池的充放电特性给系统供电，保证系统24h不断电。在线路电流在40A到850A的范围内，供电装置可以稳定输出+4.2V的电压，保证了装置的稳定工作

2.2 CPU主控模块

本系统的CPU采用ARM7系列的LPC2292作为系统的控制芯片，实现对整个系统的控制，包括导线温度和电流数据的采集、行波到达时间的测定、故障点距离的计算、监测数据的汇总和与实验室后台的通信等。

2.3 电流数据采集模块

电流采集主要使用罗氏线圈[3]对输电线路上的电流进行采集。可分为常态电流采集电路和故障电流采集电路。

2.3.1 常态电流采集电路

本系统采用罗氏线圈对电力线路的常态电流进行采集。

电流采集电路又分为前端积分电路和后端电压偏置电路。前端积分电路如图3所示。

图3 前端积分电路

线路运行时，电力线路上经罗氏线圈输出的电压信号经过积分电路后，送入主控单元。由于主控单元的CPU采用ARM7系列的LPC2292，它内置的12位AD转换器，输入电压范围是0—3.3V，因此在输入信号前需加入电压偏置电路。电压偏置电路如图4所示。

图4 电压偏置电路

由于在测量电路的电流时，输出端信号波形中存在高次谐波干扰，因此在电路末端加入了RC滤波电路，用来滤去高频部分。

2.3.2 故障电流采集电路

高频故障电流采集单元是故障定位装置的核心部分，准确的故障数据采集是定位成功的基础。本装置采用自积分式罗氏线圈，采用CPLD配合芯片LPC2292以10M的采样频率采集故障电流数据。采集电路如图5所示。

电力线路发生接地故障时，短路电流包括两部分:周期分量和非周期分量。短路电流的周期分量与外加电源电势有相同的变化规律，是幅值恒定的正弦交流。短路电流的非周期分量与外加电源无关，它是按指数规律衰减的直流。我们通过选择特定参数的罗氏线圈，可以准确地测量故障脉冲电流的波形，让波形不会畸变，从而准确的监测到故障电流的到来。

2.4 无线通信模块

输电线路的三相线路安装好检测装置后，需要使用无线通信技术将测得的数据汇集起来进行处理，本系统采用了基于ZigBee技术的IP－Link 1223模块作为无线通信模块。无线通信原理如图6所示。

图5 故障电流采集电路

图6 无线通信原理

无线通信的原理如图6所示，三相线路上都配有IP－Link 1223模块，其中一相的模块配置为协调器，其余两相为子节点，模块在上电后可以组成一个Mesh网络。可以实现无线数据传输，具有很高的通信效率。

2.5 GPRS/GSM通信模块

由无线通信模块收集的数据最终将通过GPRS/GSM通信模块传送至实验室后台进行处理。本系统的通信模块选用Motorola G24作为主要的通信模块。GSM通信电路如图7所示。

图7 GSM通信电路

G24模块可以外接SIM卡，可以实现手机的短信通信功能，数据则是通过主控单元向G24发送命令和数据，实现相应的数据传输。G24模块可以设置一定时间频率向实验室主站发送短信息传送数据，而后台可以随时向G24发送短信召唤数据。

3 系统的软件设计

系统软件工作流程如图8所示。

图8 系统程序流程图

把三相线路上安装的3个检测装置分为1个主节点和2个子节点。系统每隔一段时间就让子节点通过无线通信发送一次监测数据至主节点处。在接收到实验室后台的数据召唤短信时，主节点开始采集导线温度数据和导线的电流数据，同时主节点通知两个子节点对另外两相线路也进行温度和电流采集，并将采集数据通过无线通信发送至主节点。主节点接受到数据后，把所以三相线路的检测数据通过GPRS通信的方式发送至实验室后台进行处理，从而计算出故障点的位置。

4 实验分析

本试验采用大电流发生器来模拟输电线路的状态。采集电流及温度数据如表1所示。

表1 采集的电流及温度数据

从表1可以看出，在40A到850A的范围内，电流测量的误差在2%以内，温度测量精度在2.5%之内，在设计的误差范围之内，可以准确的检测温度和电流信息。

按此设计的输电线路故障定位装置已经安装在山东省菏泽市电力线路杆塔上，到目前为止运行稳定，通过短信接收的监测数据可以时刻监测输电线路的状态，保证输电线路的稳定运行。

5 结语

本文在传统的行波定位法的基础上提出了多点式行波故障定位法，由输电线路上的若干个监测装置来检测线路电流行波的传输时间，利用故障电流行波及其反、折射波的波头到达时间不同获得波速信息，从而获得故障点离杆塔的距离，实现精确检测输电线路故障点的目的。

[1]邵庆祝，盛戈皞.分布式输电线路故障定位装置的研制[J].电气自动化，2011，33(2):79－81.

[2]陈铮，苏进喜，吴欣荣，等，基于分布参数模型的高压输电线路故障定位算法[J].电网技术.2000，24(11):31－32.

[3]李伟，尹项根.基于Rogowski线圈的电子式电流互感器暂态特性的研究[J].电力自动化设备.2008，18(10):34－37.