智能配网故障定位装置的研究

李 哲，富 巍

(厦门理工学院 电气工程与自动化学院，福建 厦门 361024)

智能配网故障定位装置的研究

李 哲，富 巍

(厦门理工学院 电气工程与自动化学院，福建 厦门 361024)

介绍了零序电流和对地电场的计算在故障定位中的判据应用，在此基础上设计了一种具有在线监测和通信功能的新型故障指示终端。该故障指示终端分为采集单元和汇集单元两部分，对其结构做了详细的分析，并介绍了两者在配电线路的配置原则，采集单元将采集的数据及故障告警信息传送给汇集单元，汇集单元处理数据并通过GPRS通信方式将数据上传给监控中心，实现远程监控和智能故障自动定位。

故障定位；采集单元；汇集单元；零序电流

0 引言

随着社会经济发展和电力市场的逐步放开，建设“自愈、安全、经济、清洁”的坚强智能电网，提供优质的电力与服务尤为重要。配电网是连接电力系统与客户之间至关重要的一个部分，配网的稳定性和安全性直接关系到千家万户的供电安全。近些年，国家为配网投入了大量资金对城网和农网进行改造，提升了配网的自动化水平,不过配网系统由于存在线路分支较多、运行方式复杂、线路的管理维护工作量大、查询故障费时费力等自身结构和独特的运行特点，使得配网架空线路仍存在配网线路运行状态无法及时掌握和线路故障查找难度大这两大难题。

目前，一些配电线路故障检测因为指示简单、故障判据简单、自检功能不完备等多种因素, 导致配电线路定位困难。而本文设计的智能配网故障定位装置综合运用人工智能技术、信息通信技术、计算机技术、智能传感器技术等先进技术[1-2]，面向配网自动化的运行控制装置，可监测配电线路三相负荷电流、三相电场强度、短路和接地故障电流和装置自身电源供电状态并实时上报监控中心；以实时采集在线电流方式对配电线路故障进行全面监控，故障判断更加及时、准确，大大提高短路故障检测的准确性；监控中心图形界面显示故障位置，短信通知维护人员。本装置的开发和应用将大大提高故障判断的准确性和故障巡线的效率，缩短故障停电时间，很好地实现状态监控，故障精确定位的目标不需要改造任何一次设备，容易实施，实用化程度高，使电网更坚强、更智能、更安全，为配电自动化探索出了一个新而且经济的实用化方向。

1 故障定位装置

1.1 系统架构

智能配网故障定位装置主要由故障指示终端和监控中心构成。每套故障指示终端由3个采集单元和1个汇集单元所组成，监控中心由通信交换机、服务器、客户端等组成。采集单元与汇集单元之间通过433 MHz无线通信方式进行双向数据通信，汇集单元用于将3个采集单元的报警信息汇总判断后，通过GPRS通信方式传输给监控中心。

智能配网故障定位装置通过外挂在各配电线路区段的故障指示终端，实时监测线路运行情况，在配电线路出现短路故障、接地故障等故障情况时，将采集的数据信息传送到监控中心[3]。监控结合线路拓扑结构或地理信息系统(GIS)对这些信息进行分析处理，确定出故障位置区段，引导工作人员快速准确找到故障点；同时故障信息将通过短信的方式发送到供电生产部门相关人的手机上，能有效提高配电线路故障检测的自动化和现代化水平，更好、更高效地达到快速定位。其具体智能配网故障定位装置架构图如图1所示。

图1 智能配网故障定位装置架构图

1.2 采集单元设计

智能配网故障定位装置的采集单元通过采用高导磁材料的电流传感器和数字信号技术对线路电流、电压进行实时采样，并通过433 MHz无线射频与汇集单元进行双向数据通信，采集单元的电源模块采用线路取电、超级电容和锂电池三级电源架构，能更好地取电和提高终端寿命，保证电路能正常工作。指示单元采用翻牌和LED闪耀显示，直接、客观、更加清晰地起到报警作用。采集单元可直接在线安装和摘卸在电力线路上。

采集单元主要具有如下功能：

(1)实时检测线路三相电流、对地电场强度；

(2)能监测电源供电状态，具备电池电压自诊断功能，检测自身的电池电压，当电池电压低于一定限值时，上送低电压告警信息；

(3)判断和上报线路故障(包括短路、接地、断线等故障)；

(4)判断和上报线路状态(包括过流、停电等)。

采集单元功能框图如图2所示。

1.3 汇集单元设计

汇集单元主要负责与采集单元进行数据通信及故障的汇总综合分析处理判断，一个汇集单元可以接收6个以上由采集单元发送过来的信息，但一般一个汇集单元与3个采集单元组成一组终端装置使用，通信距离不低于50 m。汇集单元电源取电采用太阳能供电和铅酸电池取电相结合的方式取电。

其主要功能有：

(1)双向实时与采集单元进行交互通信；

(2)采用GPRS通信方式与监控中心远程通信，预留了RS485模块，可以通过RS485将故障信息上传到远端；

(3)具备定时自检、电源供电状态及设备状态自检、设备通信质量自检等自检技术；

(4)支持远程程序更新、远程参数设置及调整；

(5)支持GPS定位信息与GIS定位系统实现信息对接；

(6)集成电力远动规约DL634.5.101-2002 / DL634.5.104-2002；

(7)支持设备状态监控。

汇集单元功能框图如图3所示。

2 故障定位原理

2.1 线路故障定位原理

配电线路出现故障时，故障点到变电站出线口线路的故障指示终端会以各种形式指示故障，运行人员按照故障指示状态下的故障指示终端所构成的故障路线找到故障点，而故障点之后的故障指示终端不会指示故障。

图4为线路故障判断原路示意图。图中，线路指示终端的采集单元白色为正常状态，灰色为故障状态。在采集单元5和6之间的线路区间发生故障时，配电线路上的采集单元1、2、3、4、5均会检测到故障信息，并将故障信息通过无线通信方式传送给其配对的汇集信息，1、2、3、4、5上配对的汇集单元将会通过GPRS通信方式发送故障信息给监控中心[3]，监控中心结合该配电线路的拓扑结构和采集单元的位置信息判断出线路故障位于采集单元5和采集单元6这段线路区间内。

图2 采集单元结构示意图

图3 汇集单元结构示意图

图4 线路故障判断原路示意图

2.2 短路故障判据

本装置结合实际经验采用自适应负荷电流的过流突变判据[1-2]来判断短路故障，可根据线路负载电流突变情况自动判断故障类型。方法如下：

(1)线路正常运行30 s以上；

(2)故障时，线路电流会突然升高，配电线路中出现100 A以上的突变电流，突变电流持续时间为0.02 s≤ΔT≤10 s之间；

(3)10 s后线路处于停电状态。

满足以上三条时，故障指示终端才能够判断线路出现短路故障。

线路故障电流变化图如图5所示。

图5 线路故障电流变化示意图

2.3 接地故障判据

目前，关于单相接地故障的原理问题百出，有的原理理论性可行，但实用性不行，有的实用性可行，但需增加额外的设备，增加了成本。而现如今主要的检测原理有信号注入法、首半波法、有功分量法、暂态极性比较法、五次谐波法和零序电流法等。查阅大量资料并根据试验分析后，选用以下判据。

接地故障判断通过实时采集三相电流、每相对地电场、三相无线同步计算零序电流等方法进行综合性的判断。

(1)电流实时采集

电流采集通过采样技术实时采集电流，采样频率为600 Hz，并对采集的电流作傅里叶计算，准确得到线路的实时在线电流值，且能实时捕获小于一个周波(20 ms)的电流突变信息，并对故障线路突变电流进行实时分析。

(2)电场检测

我国配网系统大多采用的是中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统，当配电线路发生接地故障时，根据理论分析可知，故障线路相对地电压会降低，非故障线路相对地电压会升高，则可根据此特征来判断接地故障。由于电压不易直接测量，则可根据测得每相对地电场强度的变化来转化判断。

架空配电线路下方的工频电场由配电导线上的电荷产生，以镜像法为基础，采用等效电荷法进行计算，计算公式[4]如下：

式中，[U]为各导线对地电压，[Q]为各导线上等效电荷密度，[λ]为各导线自电位系数和互电位系数。

其中：

λij=λji

空间任意一点(x,y)的电场强度可表达为：

(3)零序电流计算

A、B、C三相采集单元每周波实时采样12点，故障时，以电流突变来触发同步算法，将三相电流合成为零序电流，该相采集单元通过无线通信技术433 MHz请求汇集单元进行零序同步算法。

①故障时，该相线路采集单元发送同步请求于汇集单元，实时通知A、B、C三相采集单元进入同步接收状态；

②采集单元接收到命令后进入等待同步采样计时状态；

③汇集单元确认A、B、C三相采集单元进入同步等待状态；

④汇集单元发送开始命令于A、B、C三相采集单元，命令其同步进行若干个周波的采样；

⑤同步时间结束后，汇集单元收集三相采集单元的采样点信息；

⑥通过零序同步算法[5]进行当前零序电流计算。

图6为零序电流合成示意图。

图6 零序电流合成示意图

通过判断故障后零序电流大小来判断接地故障信息。

3 采集单元和汇集单元配置原则

采集单元和汇集单元的配置关乎系统的安全性和经济性，合理的配置原则能够降低安装运行成本，避免过多的设备安装数量。对其配置，笔者做了大量分析研究，提出如下配置原则[6]，可使其在合理的安装位置实现效益的最大化。配置原则如下：

(1)变电站馈线出口处第一基杆塔处配置一组故障指示终端，目的是判明站内或站外故障，合理安排巡线任务。

(2)为缩小故障区段，主干线路采取差异化配置故障指示终端，对于一般情况，每间隔2～3 km安装一组故障指示终端。

(3)对于故障率较高的地区线路因地制宜，对故障指示终端配置间隔的距离进行调整，但间隔的距离不宜低于1 km。

(4)对于承担重要负荷或者线路长度超过3 km的分支线路，需用故障指示终端进行线路故障分支指示。

(5) 分支点需安装两组故障指示终端：主干线和分支线各需配置一组故障指示终端。

4 结论

本文设计的装置适用于6～35 kV配电线路，实现对架空线路及电缆线路故障点的自动定位，通过检测零序电流和对地电场，利用GPRS通信网络将故障指示终端所采集到的故障信息和数据上传，在监控中心实现故障快速自动定位,大大提高了电力系统的工作运行效率和效果。分析了故障指示终端在配电线路的配置原则，更好地为配电网故障定位提供了一个安全可靠、经济可行的方案。

[1] 王晓浜. 配电网故障快速定位与隔离方法研究[J]. 技术与市场, 2015, 22(12):19-20.

[2] 张兴鹏, 肖本贤. 基于CC430单片机的故障指示器设计研究[J]. 微型机与应用, 2012, 31(6):16-18.

[3] 刘智玮, 毕克, 李慕峰. 基于神经网络的配电线路故障智能监测系统研究[C]. 2012电力行业信息化年会优秀论文专辑, 2012：59-63.

[4] 王晓晖. 500kV同塔四回路电磁场生态环境影响分析[D]. 沈阳:沈阳工业大学, 2007.

[5] 孙玉华, 马开波, 张啟平. 智能配电网故障监测与录波系统[J]. 中国电业:技术版, 2015(10): 23-25.

[6] 邹路. 输配电线路之故障指示器探析[J]. 科技与企业, 2012(16):152.

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.智能配网故障定位装置的研究[J].微型机与应用，2017,36(16)：88-91.

2017-02-23)

李哲(1990-)，男，硕士， 主要研究方向：电器智能化技术及应用。

富巍(1963-)，男，教授，主要研究方向：智能控制、模式识别、图像处理、特种机器人。