10 kV智能配网故障定位系统研究

高赟，郭琪

(西安科技大学 电气与控制工程学院，陕西 西安 710054)

基金项目:陕西省科技厅计划项目(2015GY049)

0 引 言

经济的发展与人民生活品质的提高对配电网建设提出了更高层次的要求，配网智能化则是提高供电可靠性的重要手段之一[1-2]。近年来随着人为和自然因素的综合作用，配电线路发生故障的几率也越来越高。其中排查最为困难的是接地故障，因为有很强的隐性特性，给故障的抢修带来了很大困难，这也是现如今故障定位的一个难题所在。因此，配网故障定位系统智能化、准确化和高效化对于运维人员第一时间掌握故障点的类型和位置，及时恢复供电有着十分重要的作用和意义[3]。

1 配网线路特征

我国配电网结构错综复杂，同时受到环境和气候的综合影响，对配电系统安全可靠性运行提出了更高要求。配电线路作为输电线路的末端和配电线路的始端，担负着十分艰巨的用户供电任务，具有地域分布广泛、运行条件复杂、易受自然环境影响和外力破坏、巡检维护工作量大等特点，因此以智能配电网系统为发展目标，利用先进的控制技术实现线路安全化的运行。

2 智能配网系统构成

智能配网故障定位系统主要由故障指示器、故障采集器和主站系统(系统运行后台)所构成。故障指示器可以检测线路短路、接地等信息，并给出闪灯和翻牌指示实现在线监测的作用，该装置可通过短距离无线通信方式将检测到的数据信息传送给系统的下一级接收系统[4]。故障采集器扮演着故障检测、信息传输的角色，它通过ZigBee通信方式对故障指示器进行数据信息采集汇总，同时它还充当了和主站系统数据交换的媒介，两者采用GPRS方式与后台网管系统保持通信。主站系统在智能配网中充当了核心处理器的功能，它实时处理故障采集器上传的信息，通过后台的应用程序对采集的信息作出快速处理判断，并在人机界面上给出相应的处理结果，同时还会引起故障报警系统的响应在第一时间让运维人员掌握故障信息。智能配网故障定位系统拓扑如图1所示。

图1 智能配网故障定位系统拓扑示意图

2.1 故障指示器

故障指示器是指安装在配电线路不同位置的最末端传感器，该设备采集配电线路A、B和C三相的电流信息，通过近距离无线通信方式将采集到的实时电流信息发送给指示器下一级的采集器装置。故障指示器安装位置如图2所示，由图可知每一个安装点由三个故障指示器和一个故障采集器构成，它可以实现导线自取电，设备正常运行时无需单独提供供电系统，维护方便可靠[5]。当线路发生故障后，运维人员可凭借手机短信或者登录手机客户端，迅速定位故障区段找出故障点，同时还能实时监测线路运行状态，比如过流、缺相和断电等。

对于中性点不接地或者经消弧线圈接地的低压线路，指示器均能准确检测线路故障信息同时给出闪灯以及翻牌指示，与带有通信功能的故障采集器组网，可以实现电网在线故障检测、定位、在线监测以及配网自动化等功能[6]。主站系统通过调用故障指示器可以实时采集或捕捉线路上相应的数据信息[7]，此外还可人工辅助决策，监测和查看线路的瞬时性或间歇性接地故障等数据信息，为线路的整改优化提供相应的数据支持服务。

2.2 故障采集器

数据故障采集器采用短距离无线通信方式实时采集上一级故障指示器的运行状态信息，然后将数据打包通过GPRS网络上传至配网主站系统进行数据分析和处理。故障采集器的最大特点就是能在一个局部范围内管理和协同各类配电线路状态监测指示器，汇集状态监测指示器的数据，并替代各类状态监测指示器与后台网管系统进行安全的双向数据通信，实现在配电线路环境下各类状态监测指示器的标准化接入、安全接入和智能化接入。采集器以太阳能做供电电源，能提供稳定、持续的电压供系统工作，防止电网电压突变给系统带来的影响，系统运行过程如图3所示。

图2 故障指示器位置示意图

图3 故障采集器工作原理

2.3 主站系统

主站系统集中了数据收集、处理等数据库、数据服务及线路中所有的状态传感终端的管理控制功能。根据各个采集器上报的信息结合不同的故障判据进行数据的实时处理，管理员可以在PC或手机客户端登陆网管系统查看线路实时状态，为现场巡检维护人员提供实时参考。此外主站系统还能统计每个地区的各条线路发生故障的总次数以及故障发生的类型等，为后期线路整改提供准确的参考依据，图4为主站系统示意图。

图4 主站系统示意图

3 系统工作原理

用户可参照配电线路图结合实际的地形地貌选择设备的安装点，故障定位精度与设备投入的数量和设计规划的安装位置有很大关系。一般来说故障指示器在主线和分支线上均需合理布置，由变电站出线侧的1#杆塔开始投入设备来检测界内或者界外的故障，后续的设备应隔一定距离进行安装，来提高定位的精度和准确性。结合图5和图6进行智能故障定位的工作原理分析。

图5为接地故障原理图。系统正常运行时所有指示器均正常运行不动作、也不翻牌和闪灯。当C相的分支线发生单相故障接地时，指示器会把当前线路信息上传给采集器，采集器进而再将数据信息传输至后台主站进行实时分析判断，按照相应的接地判据原理来锁定故障发生点，同时会把相应线路上变电站出口至故障点区间上所有指示器进行故障状态显示，而故障点至线路末端的指示器正常状态不改变，即可根据指示器的不同运行状态来缩短故障点的范围，提高故障抢险的效率。例如C相的9#指示器之前全为故障状态而12#指示器之后均为正常状态，即可判定位置D处发生接地故障。

图5 接地故障原理图

图6为短路故障原理图(以两相短路为例)。线路正常运行时指示器不翻牌均工作于正常状态。有短路故障出现时指示器会检测到线路上的故障电流发生急剧突变，当系统检测到满足短路判据的条件时即发生短路故障告警。进而线路上相应的指示器会翻牌显示并闪灯，同时系统还能明确提示是哪两相发生短路故障，给运维人员提供高效的故障点定位信息，降低寻线时间。例如B相指示器的8#和C相的9#之前全部显示故障状态，而11#、12#之后指示器为正常状态，进而可定位故障点为D处。

图6 短路故障原理图

3.1 接地故障检测原理

目前常采用首半波法和信号注入法对小电流接地系统的单相接地故障进行分析。但两种方法均存在一定的缺点，首半波法有误动的情况发生，信号注入法由于设备成本投入高、安装不便捷等因素发展受到限制。智能配网故障定位系统采取线路电压测量法以及接地瞬间首半波尖峰电流相结合作为接地故障判据，通过采集器将各个监测点的信息汇总到后台主站，让主站系统进行智能决策判断，接地故障检测原理如图7所示。其判据条件如下[8]:

图7 接地故障电压电流波形

(1)线路单相接地时，相电压对地电场突然下降[9]。一般可预设故障指示器采集到的电压降低30%左右是接地故障造成的(可根据实际线路信息进行调整)。

(2)发生接地的故障点会有突变电流流过，其值大小与线路电压、频率和线路的长度因素有关。首半波尖峰电流突变量可设为32 A左右，也可结合线路实际情况在线设定。

(3)此外接地故障还需参考充电时间、故障持续时间、接地相电压持续下降时间和线路不停电等因素。

该判据能够实时在线监测线路电流、电压的变化情况，还能根据系统要求远程修改前端设备各项参数。为了防止人工合分闸等操作带来的单相暂态涌流导致的误动情况发生，系统还增添了“充电时间”判据，即系统正常运行若干秒后才开始故障检测，此外还增加了“不停电”判据，只有检测到线路不停电状态后才会给出接地故障报警，准确性有大幅度提高。图8为三相接地故障时电流波形，由图可知在19∶26左右发生接地，系统历史曲线反映了该接地判据的准确性。

图8 三相接地电流波形

3.2 短路故障监测原理

目前大部分指示器采用电流突变法来判定短路故障，其判据条件如下[10]：

(1)线路电流突变值。线路出现短路故障时，电流值会急剧变大，此时指示器就会检测到突变的电流，当该值大于系统中设定的指令电流时，即可认为有突变电流。

(2)电流突变时间、线路“有电”时间和“停电”时间，三者综合考虑来判定是正常停电还是故障原因引起的停电。

满足上述条件时故障指示器才会给出短路报警故障，但该方法存在线路短路时电流逐渐变大，当短路电流达不到系统检测的最小阈值时会出现拒动的情形。其次在某些短路情况下，当线路带有容性或感性负载时会出现反馈送电的情况，使系统出现误动。

根据上述判据的特点，智能配网故障定位系统采用过流速断法。该方法不论是接地短路还是农网过流故障指示器均能检测到故障并给出状态指示。此外为了防止非故障线路因重合闸涌流导致的误动，系统还通过“充电”判据和“停电”判据作为参考条件之一[11]，其检测原理如图9所示。

图9 短路故障电压、电流波形图

图10为A相短路故障时电流波形，由图可知在18∶34左右发生接地，系统历史曲线反映了该短路判据的准确性。

图10 A相短路电流波形

4 结束语

10 kV智能配网故障定位系统能够实现线路的实时监测和故障诊断，能准确、快速定位出故障的类型、地点和时间。同时还能将故障信息通过通信网络传输至主站系统，并在后台网管软件和手机APP上进行直观显示，方便运维人员对故障点的快速查找和抢修，提高故障处理的工作效率。