基于无线传感装置的配电网故障定位与自愈系统研究

张学清，梁中会，张 莹，丛志鹏，王成福

（1.国网山东省电力公司烟台供电公司，山东 烟台 264001；2.电网智能化调度与控制教育部重点实验室（山东大学），山东 济南 250061）

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基于无线传感装置的配电网故障定位与自愈系统研究

张学清1，梁中会1，张 莹2，丛志鹏1，王成福2

（1.国网山东省电力公司烟台供电公司，山东 烟台 264001；2.电网智能化调度与控制教育部重点实验室（山东大学），山东 济南 250061）

当前的配电网故障分析中，依然存在接地故障选线不可靠、接地故障无法自动定位与隔离以及难以恢复非故障区段自动供电等问题。据此，提出了一种基于无线传感装置的配电网故障定位与自愈方法。该方法首先基于场感应原理设计了非接触式的无线电压、电流传感装置，该装置具有较高的可靠性、灵活性与经济性；其次提出可适应于含有多T接线路的基于双端行波测距原理的故障选线与定位方法；最后将通信系统、GPS系统、GPRS系统与现有配电网自动化系统进行协调与配合，构成了配电网故障定位与自愈系统。研究分析表明，通过开发配电网故障定位与自愈系统，可有效提高配电网运行的可靠性，具有重要的理论与实际应用价值。

配电网；故障定位；自愈；行波法；故障选线

0 引言

随着经济社会的发展，电力系统的规模日益变得庞大、复杂，如何保证电网安全、稳定、可靠供电已成为目前电力研究人员和专家们重点研究的问题［1］。

配电网直接与多种多样的电力用户、供热小火电、分布式电源等相连，使得网络更为复杂，并具有自身的特点。在配电网络中一旦有故障发生，如果未能及时定位并予以修复，将造成用户经济损失，严重时有可能发生大范围的停电事故，造成更大的经济损失；同时，在日常生产、生活中，对电能质量提出了越来越高的要求，这对于电网的可靠性和稳定性提出了更为严格的要求，必须保证重要电力设施可靠、稳定、高质量的供电。当系统发生故障时，运行调度人员需要及时从监控系统采集的大量信息数据中对电网故障进行定位，确定故障元件及类型，隔离线路故障区间，及时恢复非故障区段的供电，保证用户持续稳定的电力供应；同时对故障元件及时制定抢修方案，在最短时间内将故障排除，恢复故障用户的供电，减少用户的财产损失。因此，如何能够在故障发生后，及时对故障进行定位并恢复用户供电成为当今关乎电网运行可靠性乃至国计民生的研究热点［2］。

目前配网运行方式主要采用小电流接地方式，即主变中性点不接地、经消弧线圈接地或经中阻接地方式。由于系统发生故障时的主要特性是零序电压、零序电流发生变化，因此，目前的故障选线通常采用围绕零序电流的基波、谐波稳态相量或暂态量或者上述方法的综合［3］。但基于稳态向量法的选线在实际运行中仍受到系统运行方式的影响；基于暂态法的选线受接地电阻大小及接地瞬间电压过零点影响，致使集成于配电网自动化系统（DAS）可能存在故障选线不可靠的情况，从而迫使运行调度人员不得不重新回到依靠试断开线路的方式进行故障选线，造成非故障用户停电以及选线效率的下降，与当代电网高度自动化水平不相适应。同时，配电网线路短路故障发生时，配网自动化系统难以较准确地确定故障位置，需要运行调度人员依据DAS系统提供的相关信息通知相关单位人员进行故障巡线，造成事故处理效率低下。

针对以上问题，提出利用行波测距原理进行线路故障定位，同时对DAS故障选线不准确的问题，提出采用综合法进行准确可靠的故障选线。基于专门的行波信息采集装置，利用先进的感应式非接触传感器，基于GPS同步时钟实现线路行波信息的量测；利用行波测距原理在线路故障发生后最短时间内实现故障定位，为调度员及时处理故障提供有效依据；在此基础上，结合目前电网采用的配电自动化系统可实现非故障区间的及时恢复供电，全面提升了配网自动化系统的自愈能力，具有领先的技术创新性和应用可行性。

1 双端行波测距理论

现代行波测距理论方法主要包括单端法、双端法以及三端法，当前应用最为广泛的是双端法［4-8］。当输电线路故障后，在故障点附加电源的作用下，线路上将出现接近于光速传播的电压和电流行波。其中，单端法主要根据初始波到达检测母线的时间和来自于故障点反射波到达检测母线的时间差构成单端行波故障定位；而双端行波测距方法主要根据第一个初始行波信息到达两端的时间差实现测距；三端法在基本原理上与双端法相类似。本文主要采用双端法原理进行研究分析，双端行波测距原理为

式中：DMF为故障点到测距点间的距离；L为两端测距间的线路长度；v为行波传输速度；tM1、tN1分别为两端测距装置检测到行波波头的时间。

由此可以看出，利用两端行波测距装置检测到行波波头的时间即可进行故障定位。相对传统的阻抗测距方法或单端行波测距方法，利用双端测距方法具有更高的测距精度与可靠性。

然而，实际双端测距应用中，线路两端的时间对标问题依然会影响到双端法的测距精度，基于此，主要采用GPS方法实现线路两端测距装置的时间对标问题，据此分析两端的故障行波测量数据，可保证两端的时间误差不到0.001ms，而产生的故障距离测量误差精度可达150m以内。

2 无线传感器信号检测原理

依赖于微电子技术、光电半导体技术、光导纤维技术以及GPS同步时钟技术的发展，感应式传感器的应用与日俱增［9］。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用。该技术在电力系统中的应用主要集中在发电机并网系统方面，而在输、配网的故障定位技术中还鲜有提及。

在如图1所示的三相架空输电线结构中，将输电线路视为无限长，根据毕奥-沙伐尔定律可推导得到架空输电线路的工频磁场与电流约束关系［10-11］。

在图1所示的三相架空线路中，测量点位于B相下，设三相导线无限长且平行于地面，三相导线中的瞬时电流分别为ia、ib、ic，参考方向如图1所示。在与三相导线垂直的平面内建立如图1所示的坐标系统。

图1 三相架空输电线路磁场计算结构

图 1中，ra、rb、rc分别表示为三相导线与该点的距离，由于测量点位于正下方，ra=rc；Ba、Bb、Bc分别表示三相电流ia、ib、ic单独存在时在该点产生的磁感应强度；μ0为空气的磁导率。

由图2可得该点磁感应强度的水平与垂直分量分别为

基于上文所述的检测原理，设计了一种非接触、感应式的无线信号传感系统，该系统包括电流、电压无线感应测试装置、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）和通信系统，其原理如图2所示。

图2 无线传感器的场检测原理

图2 中，首先根据三相交流线路在空间中形成的电磁场，利用电感线圈的电磁感应原理构成线路电流的无线感应测试装置；继而，依据线路对地电容构成的对地电场，可将其等效视为由分散电容构成的对地等效电容，由此根据不同位置间即不同电容间的电位差，实现线路对地电场间电位变化的感应测量；最终将不同端点间的电压电流测量信息通过无线通信系统汇集即可实现准确、可靠的故障定位。该测距系统将内置分布式的GPS，使全系统故障数据的时标能够统一，进一步提高故障测距精度与可靠性。

与传统的通过电压、电流互感器这类接触式电压、电流采集方式不同，所提出的电压电流采集装置不再与电力系统的一次侧直接接触，而是通过无接触式的场检测方式实现，具有安装维护方便的优点。

在上述适用行波测距原理的无线传感技术实现中，行波测距原理依据的是电压、电流行波波头的信号及其精准的检测时间，因此，有两方面关键性因素是其得以实现的基础。首先，测距方法只要求波头的准确到达时间，而对于信号的检测值即幅值与相角没有精度的要求，因此，在满足波头状态要求的前提下，可以根据装置安装现场的实际情况选择具体安装点，具有较好的灵活性与较强的适应性；其次，在行波测距方法中，其时间精度与测距数度直接相关，必须准确实现对时，而GPS时钟信号的引入是保障高精度时间同步的基础，也是实现高精度测距的基础。

据此，通过双端行波故障测距原理与感应式无线传感装置即可构成配电网故障分析与自愈系统的基础。

3 配电网故障定位与自愈系统架构

配电网作为连接电网与客户之间的枢纽，在供用电关系中发挥着至关重要的作用。及时发现并排除配电设备故障，提高抢修效率，降低安全风险，提高服务质量，最大限度地保证客户的用电安全，是配电网调控工作面临的重要问题。

为了满足配网调度和生产指挥的需要，建设新一代配电自动化系统，实现对配电网内核心区域的配电线路监视与控制，有效提高配电网供电可靠性和服务质量，是配电自动化系统的核心要求。

然而，在配电自动化系统中，特别是在保护相关联的许多方面，依然存在诸多问题，例如，接地故障选线不可靠、故障定位精度不高、无法自动确定故障线路与故障点并及时自动切除恢复供电等的问题。

据此，在前述故障信号检测与测距方法的研究基础上，提出多T接线路下的选线与定位原理以及配电网自愈系统构架。

3.1 多T接线路下的选线与定位原理

基于双端行波测距原理以及依托无线信号感应测量传感器的支持，可以利用多T接线路情景中的故障选线与定位原理与方法，基本原理如图3所示。

图3 多T接线路下的选线与定位原理

如图3所示，圆形蓝色点即为传感器安装位置，无线信号传感器的安装原则即保障每一个线路T接点均具有至少一台信号测量装置，另外，在线路的两端各装设一台信号检测装置，故只需要在配网线路各FTU处装设传感器即可。本装置主要利用电磁感应原理，常规保护需要接入线路采集电压和电流信息，而本系统只需要采集故障发生时的电场和磁场，一经感应场（包括电场与磁场）的强度发生变化，立即触发行波信号装置。

当线路的任意一点发生故障后，距离故障点最近的一台或者两台无线信号检测装置将会接收到故障信号，在接收到故障信号的第一时间将会给出故障线路信息，实现故障选线［12］；随后由故障信息分析系统对带有时标的故障信息进行集中分析与计算，给出准确的故障位置结果，实现故障定位。

3.2 系统架构

在实现故障选线与定位基础上，结合通信系统、GPS系统、GPRS系统以及与现有配电网自动化系统间的协调与配合，则可构成配电网故障定位与自愈系统，其基本构架可如图4所示。

在配电网故障定位与自愈系统中，主要包括分散与线路各处的无线传统装置、GPS定位信息、基于GPRS的无线信息传输系统、信息采集装置、故障分析与自愈系统及其与配网自动化系统间的协调与衔接系统。

图4 配网故障定位与自愈系统架构

通过无线信息采集与传输，可以进行故障分析；通过与配电网自动化系统间的协调，则可进一步实现在故障发生后的自愈控制。

4 主要功能与系统优势

4.1 主要功能

基于行波测距原理与无线故障信号采集装置为基础的配电网故障定位与自愈系统的主要功能包括3个方面。

故障选线。通过感应式传感器的配置，对于未能装配有小电流接地选线装置的配电网出线端口，可以实现准确的故障选线，结合对TTU的改进，可以在环网柜处故障选线判定及故障线路切除。

故障定位。对于低电压配电网络，通过研发的感应式无线传感器的配置，不仅可实现上述故障选线，同时，可以准确、快速地分析出故障的发生位置，实现低压配电网的故障定位。

配电网自愈。根据故障选线与故障定位技术的实施，实现对故障线路或者区域快速、准确隔离，并可进一步实现对非故障区域供电的快速转供，实现配电网的自愈，有效提高供电的可靠性。

4.2 系统优势

传感器安装方便。无需线路停电，只要在各FTU处或者线路T接点附近安装即可，通过感应式非接触传感器，基于GPS同步时钟技术实现行波信息采集分析装置的数据挖掘和分析。

接地故障选线可靠。避免了目前故障选线通常采用围绕零序电流的基波、谐波稳态相量或暂态量的选线不准的缺陷，选线可靠性高，满足配电网迅速恢复非故障区段的供电的需要。

故障定位准确。基于行波测距原理，采集精度高，对于任何T接线路在故障第一时间都能迅速定位，满足配电网故障监测与抢修的需要。

基于配网自动化系统实现自愈功能。开发与DAS系统相应的借口模块程序，在故障定位的基础上，实现接地故障的非故障区段自动转供，通过与配电网自动化系统间的衔接与协调，使故障选线与定位实现自动化，具有自愈能力，提高了供电可靠性。

5 结语

针对配电网中且含多T接线路情况下的故障选线与定位问题，基于无线传感装置与双端行波测距原理，针对配电网的故障定位与自愈系统进行研究。该研究利用先进的非接触式无线感应式传感器获取海量数据，通过行波信息采集分析装置进行数据挖掘提取有效信息；依据行波故障测距原理实现配网线路故障点有效选线与定位；在此基础上，通过与现行的配电自动化系统有效配合，实现配网的故障迅速隔离和非故障区段及时恢复供电，可有效提升配网供电可靠性，避免传统配电网事故处理线路试拉对电网造成的影响以及对用户停电造成的损失，从而提高配电网的智能化水平。

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Research on Fault Location and Self-healing Method of Power Distribution Network Based on Wireless Sensing Device

ZHANG Xueqing1，LIANG Zhonghui1，ZHANG Ying2，CONG Zhipeng1，WANG Chengfu2
（1．State Grid Yantai Power Supply Company，Yantai 264001，China；2.Key Laboratory of Power System Intelligent Dispatch and Control（Shandong University），Jinan 250061，China）

There are still many problems in present fault analysis of power distribution network，such as unreliable fault line identification，poor automatic location and isolation for grounded faults and complex power restoration for non-fault section.Hence，a fault location and self-healing method for power distribution network based on wireless sensors is proposed in this paper.The specific content includes three aspects.Firstly，based on the principle of field induction，contactless voltage and current sensing device are designed which offered high flexibility，cost effectiveness and good reliability.Secondly，a fault line identification and location method based on two-end traveling wave fault location algorithm，adaptive to transmission network containing multipleT-connections is proposed.Thirdly，by combining the coordinate communication system，GPS system，GPRS system and existing distribution system，an automatic system for fault location and self-healing for power distribution network is realized.The research and analysis show that the reliability of the distribution system operation can be improved through the fault location and self-healing system for power distribution network，which has important theoretical and practical value.

power distribution network；fault location；self-healing；traveling wave method；fault line selection

TM727.2；TM744

：A

：1007－9904（2017）07－0001－05

2017-02-09

张学清（1982），男，工程师，从事电力系统运行与控制工作。

国家自然科学基金项目（51177091）；国网山东电力公司2016年科技项目（SGSDYT00FCJS1600572）