配电线路故障在线监测系统的实施应用

周刚

（内蒙古东部电力有限公司 赤峰电业局，内蒙 赤峰 024000）

1 故障定位在线监测系统实施背景

赤峰市配电网不仅具有线路长、地理环境复杂的特点，而且线路分支较多，用电负荷大，故障发生率较高，导致线路巡查及故障排查相当困难。为此赤峰供电公司积极规划、调查研究本市电网布局特点、负荷规律，并依据对本市地理环境、气候条件、勘察分析的成果，建立一系列赤峰市电网实时管理系统，即配电网故障在线监测系统，使输、变、配、用电四方互动互通，实施了对供配电系统中的短路故障、接地故障、过流等的准确定位，迅速切除故障区域，缩小停电范围，提高供电可靠性以及电网智能巡检等功能，实现了智慧性的电力供给与配送。

2 配电线路故障在线监测系统

配电线路故障在线监测系统的KA2003-ZDL智能终端，可安装在架空的输配电线路上及城网的地埋电缆（适用电压等级：6～35 kV），用于在线监测电力线路运行及故障情况，是一套具有远程传输能力的可分布监控，集中管理，即时通知型的智能化故障管理系统。在系统中，故障检测系统可以实时监测线路运行情况，在电力线路出现短路故障、接地故障、过流、停送电等情况下，将采集的特征数据传送到主控制室。主控制室诊断系统发信息给相关管理人员，维护值班人员手机，并在计算机上显示故障位置[1]。

2.1 系统结构简介

本系统是一种基于套接式电缆CT配电网故障定位装置，该故障定位装置由监控主站、套接式电缆CT和终端3个部分组成，其中，套接式电缆CT安装在电缆分支箱的所有线路上，每条线路的A、C两相上各套接一个相CT，同时每条线路套接一个零序CT。所有线路相CT二次侧的相电流信号以及所有线路零序CT二次侧的零序电流信号输入至所述终端[2]。

终端安装在电缆分支箱内，其输入端接收相电流以及零序电流信号，并与主站通过光纤通信或者移动通信连接；终端包括顺次连接的电流变换器、A/D转换模块、CPU、移动通信模块。终端利用太阳能电池取电。

监控主站安装在变电站内或调度中心，包括光纤通信模块和移动通信模块，接收终端发送的信号。

正常运行时终端计算电流幅值，并将结果上传给主站，由主站显示；发生故障后，终端采用HHT、小波等算法对相电流和零序电流进行分析，将相电流和零序电流的突变信息发送给主站，主站根据所有终端的信息综合分析计算出故障区段。主站算法采用图论的深入优先搜索算法，首先从第一个终端开始分析，发现相电流或者零序电流越限就继续向下游搜寻；当出现2个分支点时，向相电流或者零序电流越限的终端所在分支继续搜寻；直至发现第n个终端电流越限，而第n+1个终端电流没有越限时，判断故障位于第n个终端和第n+1个终端之间[3]。

图1为10 kV玉龙线故障定位系统终端现场安装状况，表1为赤峰故障检测系统配置方案表。

2.2 系统特点

监控主站系统软件负责数据处理，使管理人员能够修改各种参数，直观地显示各种信息等。监控系统软件的监控界面总体概况如图2系统运行画面、图3系统设置界面、图4系统检测界面、图5短路故障报警界面、图6单相接地故障报警界面所示。能够给管理人员直观的视觉信息，使管理人员能够直观地掌控整个电力系统的情况，从而确保电力系统的安全运行。主要特点是：

图1 信号变送系统（现场）Fig. 1 Signal transmitting system wiring（live）

表1 赤峰故障检测系统配置方案表Tab. 1 Chifeng fault detection system configuration scheme

图2 系统运行总概况Fig. 2 The whole system running state

图3 系统设置界面Fig. 3 The interface of system setup

图4 系统检测界面Fig. 4 The system testing interface

1）能够准确确定短路故障和单相接地故障所在区段。

2）能够准确测量零序电流，能够有效解决单相接地情况下的定位问题。

3）可以在带单相接地故障运行情况下定位，提高系统运行的可靠性。

4）技术成熟、可靠性高，适用于3～35 kV中性点不接地或中性点经消弧线圈接地的配电网，适用于金属性接地，经电弧接地，经过渡电阻接地等多种故障情况。

5）在计算机界面上即时显示当前的网络状态。

6）可辅助管理人员完成电网故障的报警日志管理工作。

图5 短路故障报警界面Fig. 5 Short circuit fault alarm interface

图6 单相接地故障报警界面Fig. 6 Single-phase earth fault alarm interface

7）可利用系统的信息联络功能。

8）人性化界面，操作方便简单。

2.3 故障定位方法

电缆CT为开口铁磁式结构，可以打开分为两半套接在电缆上，避免了将电缆断开的施工难度；CT精度达到1级，充分保证了测量的准确性。每个检测点需要在所有线路的A、C两相上安装2个相CT，以及所有线路上各安装一个零序CT[4]。

终端为适用于户外使用的微机型装置，安装于电缆分支箱内，与安装在各条线路上的相CT及零序CT配合使用。终端用于测量相电流和零序电流信号及向主站发送故障信息，由电流变换器、A/D、CPU、移动通信模块组成[4]。

主站为1台工业控制计算机，安装于变电站内或者调度中心，用于接收终端的信息，并进行故障定位运算，由光纤通信模块、移动通信模块组成[4]。

正常运行时终端计算电流幅值，并将结果上传给主站，由主站显示；发生故障后，终端采用HHT、小波等算法对相电流和零序电流进行分析，将相电流和零序电流的突变信息发送给主站，主站根据所有终端的信息综合分析计算出故障区段。主站算法采用图论的深入优先搜索算法，首先从第一个终端开始分析，发现相电流或者零序电流越限就继续向下游搜寻；当出现2个分支点时，向相电流或者零序电流越限的终端所在分支继续搜寻；直至发现第n个终端电流越限，而第n+1个终端电流没有越限时，判断故障位于第n个终端和第n+1个终端之间[4]。

2.4 故障检测定位原理

配电网故障定位装置，其原理是利用具有套接式结构的高精度电缆CT实时准确测量电缆的相电流和零序电流，当发生短路故障后，定位装置根据相电流信息确定故障区段；当发生单相接地故障后，定位装置根据零序电流信息确定故障区段。

基于本实用新型研制的定位装置由套接式电缆CT、终端和主站3个部分组成。所述的套接式电缆CT为开口铁磁式结构，可以打开分为两半套接在电缆上，避免了将电缆断开的施工难度；CT精度达到1级，充分保证了测量的准确性。每个检测点需要在所有线路的A、C两相上安装2个相CT，以及所有线路上各安装一个零序CT。

终端为适用于户外使用的微机型装置，安装于电缆分支箱内，与安装在各条线路上的相CT及零序CT配合使用。终端用于测量相电流和零序电流信号，及向主站发送故障信息，由电流变换器、A/D、CPU、移动通信模块组成。正常运行时终端计算电流幅值并将结果上传给主站，由主站显示；发生故障后，终端采用HHT、小波等算法对相电流和零序电流进行分析，将相电流和零序电流的突变信息发送给主站，主站根据所有终端的信息综合分析计算出故障区段。

主站为一台工业控制计算机，安装于变电站内或者调度中心，用于接收终端的信息，并进行故障定位运算，由光纤通信模块、移动通信模块组成。主站算法采用图论的深入优先搜索算法，首先从第一个终端开始分析，发现相电流或者零序电流越限就继续向下游搜寻；当出现2个分支点时，向相电流或者零序电流越限的终端所在分支继续搜寻；直至发现第n个终端电流越限而第n+1个终端电流没有越限时，判断故障位于第n个终端和第n+1个终端之间。

如图7所示，定位装置由套接式电缆CTC（由于检测点的数量不止一个，而且每个检测点处的分支线路也不止一个，因此第一个检测点的第一条分支线路CT表示为C-1-1，第一个检测点的第二条分支线路CT表示为C-1-2，其他线路以此类推）、终端B（由于检测点的数量不止一个，多个终端分别使用B-1，B-2，…，B-n表示）和主站A 3个部分组成，其中电缆CT和终端配合使用，在线路的多个位置进行安装。电缆CT为开口铁磁式结构，可以打开分为两半套接在电缆上，避免了将电缆断开的施工难度；CT精度达到1级，充分保证了测量的准确性。终端为适用于户外使用的低功耗微机型装置，安装于电缆分支箱内，与安装在各条线路上的相CT及零序CT配合使用。终端用于测量相电流和零序电流信号及向主站发送故障信息，由电流变换器、A/D、CPU、移动通信模块。主站为一台工业控制计算机，安装于变电站内或者调度中心，用于接收终端的信息，并进行故障定位运算，由光纤通信模块、移动通信模块组成。

图7 故障定位装置Fig. 7 Fault location devices

短路故障时短路电流的等值电路如图8所示，线路由主干线和支线构成。其中U为线电压，I为故障短路电流[5]。由于短路故障时短路电流从电源流入短路点，因此从电源至短路点之间的路径上将会流过幅值很大的短路电流，而非故障的路径上（包括部分主干线和支线）将不会检测到短路电流。因此，通过判断各个终端检测到的相电流，就可以判断故障所在区段。主站算法采用图论的深入优先搜索算法，首先从第一个终端开始分析，发现相电流越限就继续向下游搜寻；当出现2个分支点时，向相电流越限的终端所在分支继续搜寻；直至发现第n个终端相电流越限而第n+1个终端相电流没有越限时，判断故障位于第n个终端和第n+1个终端之间。

图8 短路故障时等值电路Fig. 8 Equivalent circuit when short circuit

故障时零序回路的等值电路如图9所示。其中U0为零序电压，I为零序电流的有功分量。零序电流的方向都是从故障点流向母线及线路的末端。虽然单相接地故障时在各个分支上都有零序电流，但是多数情况下从母线至接地点之间的路径上的零序电流为最大，而非故障的路径上（包括部分主干线和支线）检测到的零序电流很小[6]。因此通过判断各个终端检测到的零序电流电流就可以判断故障所在区段。主站算法采用图论的深入优先搜索算法，首先从第一个终端开始分析，发现零序电流越限就继续向下游搜寻；当出现2个分支点时，向零序电流越限的终端所在分支继续搜寻；直至发现第n个终端零序电流越限而第n+1个终端零序电流没有越限时，判断故障位于第n个终端和第n+1个终端之间。

图9 故障时零序回路的等值电路Fig. 9 Equivalent circuit of zero sequence circuit when fault

电缆相CT和零序CT的安装位置图如图10所示。A、C表示A、C两相CT，安装在电缆末端分叉处；O表示零序CT，安装在电缆分叉之前。

图10 电缆相CT和零序CT的安装位置Fig. 10 Cable phase CT and zero sequence CT installation locations

终端的原理如图11所示，由CPU、电流变换器、A/D、CPU、移动通信模块、光纤收发模块组成。由小电流互感器和电阻Rz构成电流变换器将输电线电流变换为交流0到5 V信号，交流0到5 V信号输入到输入运算放大器OP07中，OP07、基准电压源AD584以及电阻R1、R2、Rf构成比例加法器。输入运算放大器OP07输出接到8051F120的P1.0管脚上，8051F120内部含有ADC和附加基准电压源，对模拟信号进行AD采样，采样后CPU计算出信号特征[7]。8051F120通过P4和P5这2个I/O口中的P4.0-P4.7和P5.0-P5.6接点分别与移动通信模块M1206的Sub HD Pin15端口的15个接点一一对应相连，用于驱动移动通信模块M1206，采用移动通信方式向主站发送特征数据。HFBR14为光纤发送模块，HFBR24为光纤接收模块，8051F120芯片通过UART0连接到光纤收发模块，采用光纤通信方式向主站发送特征数据。

图11 终端原理图Fig. 11 Terminal schematic diagram

3 效益分析

3.1 直接经济效益

2013年2—12月份，10 kV玉龙线包括干线及各分支线在内共查出故障21次，与安装故障定位系统前相比，假设平均每次减少查找故障时间约为2 h，平均负荷为10 000 kV·A，功率因数按0.9计算，将累计增加售电量378 000 kW·h，电价按内蒙古1～10 kV商业平均电价按0.718元/kW时计算，直接经济效益为27.14元[8]。

3.2 间接经济效益

该项目实施后，对运行中配电线路的故障点能进行有效地监测，不需要人工巡查。能够对配电线路故障点进行准确判断，可以节省大量的人力物力资源。减少以往要求的带电监测、传统方法带来的繁琐操作及老的工作程序带来的不安全因素，达到了增产、增效。大大提高了配电线路的运营水平[8]。

当线路发生接地故障时，通过中心值守人员查看监控计算机或维护运行人员查看手机短信，便准确知道故障线路，大大缩短了故障判别时间，减少了现场值班员处理故障分析时间，可以抽出时间处理别的事务，减轻了值班调度员的工作劳动强度；由于直接得出故障线路，减少了故障线路及非故障线路断路器的切断故障电流的动作次数，提高断路器的使用寿命，同时避免同母线其他线路因寻找故障线路而短时停电，提高供电可靠性。

4 结论

本系统具有远程传输能力，是可实现分布监控，集中管理，即时通报型的智能化故障报警系统；它通过对故障、电压、电流等参数的有效检测，实现对电力线路的快捷控制和管理；极大地提高了电力线路供电的可靠性和安全性。在当今的信息时代，电脑和无线通讯技术的应用，使人们足不出户则可以知晓天下事。本系统的推广应用，既可以减轻维护人员的劳动强度，及时掌握相关工作人员状态，又可以缩短停电时间，减少停电损失，大大提高输配电网运营水平，有着可观的经济效益和社会效益。

[1] 叶亮. 配电线路故障在线监测系统的研发及应用[J]. 云南电业，2009（4）: 22-25.YE Liang. Distribution circuit fault on-line monitoring system of research and application[J]. Journal of Yunnan Electric Power，2009（4）: 22-25（in Chinese）.

[2] 蔡渊，林道鸿，李砚，等.一种基于套接式电缆CT的配电网故障定位装置：中国，201220378989[P]. 2013-02-06.

[3] 赵志斌. 电力线路架空地线分流电流的计算[J]. 华北电力大学学报，2002，29（10）：103-107.ZHAO Zhibin. Power lines overhead ground wire partial current calculation[J].Journal of North China Electric Power University，2002，29（10）：103-107（in Chinese）.

[4] 李明华，闰春江，严璋. 高压电缆故障测距及定位方法[J]. 高压电器，2002（6）：45-48.LI Minghua，RUN Chunjiang，YAN Zhang. High voltage cable fault location and positioning methods[J]. High Voltage Electric Equipment，2002（6）：45-48（in Chinese）.

[5] 盛明良. 网孔等值法在电力系统短路电流计算中的应用[J]. 电网技术，1997（10）：35-41.CHENG Mingliang. Mesh equivalence method in the application of the power system short circuit current calculation[J]. Journal of Grid Technology，1997（10）：35-41（in Chinese）.

[6] 陈昊. 单相接地故障零序电流增益分析[J]. 现代电力，2013，30（5）：85-89.CHEN Hao. Single phase grounding fault zero sequence current gain analysis[J]. Journal of Modern Electric Power，2013，30（5）：85-89（in Chinese）.

[7] 付金龙. 电压/电流转换器原理及应用[J]. 电测与仪表，2000（1）：51-54.FU Jinlong. The principle and application of voltage/current converter[J]. Electric Measurement and Instrumentation，2000（1）：51-54（in Chinese）.

[8] 黄小雄. 供电线损管理的经济效益分析[J]. 广东科技，

2013（18）：105，119.HUANG Xiaoxiong. The economic benefit of the power supply line loss management analysis[J]. Guangdong Science and Technology，2013（18）：105，119（in Chinese）.