物联网在配电网故障定位中的应用

王世松

摘  要：该文首先介绍了物联网技术在配电网故障定位中的发展现状，然后分析了中性点不接地系统单相接地和谐振接地系统小电流故障两种常见的配电网故障，最后根据物联网技术和配电网结构的特点，设计了一个基于物联网的配电网故障定位系统。试运行结果表明，该系统具有很好的应用效果，具有重要的应用推广价值。

关键词：物联网  配电网  故障定位

中图分类号：TP399   文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）03（b）-0016-02

智能电网是在传统电网的基础上增加各类智能化设备，使电网的运营管理实现自动化和智能化。由于电网中涉及到大量的状态参数，如何采集并汇集这些数据成为一大难点。采用物联网技术可以很好地解决这个问题，通过在电网线路中布设传感器和网络传输设备，即可实现电网设备的互连[1]。通过对数据的分析，可以高效识别配电网故障位置。考虑到我国配电网中的故障绝大多数是瞬时单相接地，因此该文也是以此为重点展开研究的。

1  国内外研究动态

智能电网是当前全球电网的重要发展方向，而物联网则是近年兴起的设备互连技术，两者的融合发展成为必然的结果。世界各国都把智能电网和物联网技术作为国家战略来发展，部署了大量示范工程。为了进一步适应电网和其他应用领域的需求，不少学者提出了许多新的物联网体系架构，通过对电力系统的多维采集实现了对智能电网的智能监控[2]。我国提出的坚强电网是一个具有中国特色的智能的电力系统，它与我国当前的电网实际相吻合，是电网发展的必然趋势。物联网的应用是实现坚强电网的技术保障，因此我国对物联网技术在智能电网中的应用投入了大量的资金。目前，物联网已经实现了高压电力检测、远程抄表、智能家居、安防监控等一系列的应用，成为推动智能电网建设的强大动力。

配电网是电网系统的故障高发区域，因此配电网的故障定位技术一直是相关学者的研究焦点，目前已经提出了一系列的定位算法，初步形成了理论体系。例如小电流故障定位技术、在线故障定位技术，具体有行波法、信号注入法、故障指示器法等。随着研究的深入，许多定位算法不断得到改进，形成了神经网络法、粗糙集等更加先进的故障定位理论，但这些方法由于理论上仍需要完善，因而未能实用化[3]。不同的国家和地区由于电网结构不同，其故障检测方法也有所差异，很难找到一个统一的理论或方法进行故障定位。

2  配电网故障特征分析

2.1 中性点不接地系统单相接地故障

所谓中性点不接地系统，是指变压器的中性点处于悬空状态，不接任何导线，因此与大地之间是不存在电气连接的，但是对地电容是有电流的。一般来说，可以认为电网三相对称，在正常工作的情况下，三相线路的零电流均没有零电流，即零电流是零。如果出现单相接地故障，电网三相的对称性就被破坏，不平衡的电流流经各线路形成零电流。

在单相接地故障的状态下，非对称的三相电压会表现了一个零序电压，该电压相应诱导出零序电流，并且可以根据正常线路来计算零序电流的大小，即求和后取相反数。零序电流是随着距离的增加而不断衰减的，以故障点为圆心，距离越大，零序电流越小。因此，可以根据这些特点来定位故障点的位置。由于零序电流和电压的相位恰好是滞后或超前90°的关系，因此只要找到两个相位的分界点，就可以判断为故障点。

2.2 谐振接地系统小电流故障

在谐振接地系统小电流故障分析中，通常假设不存在弧光现象造成的干扰，因此可以将故障点流过的暂态故障电流分成两部分：一部分是来自对地电容，另一部分是来自消弧线圈电感。这两部分可以分别进行计算。在单相接地故障出现的情况下，非对称电压的会引发相应的故障电流，但这个暂态故障电流从产生到稳定需要一个过程。

目前一些变压器的中性点并非不接地，但也不是直接接地，而是在中性点与地之间串联一个消弧线圈，这会引入一定的补偿效应而无法直接识别零序电流。但如果对消弧线圈的电抗值进行调控，即可在一定的范围内改变中性点电压，盡管正常线路的对地电容与调控前的电流不一致，但调控后的值在当量上是相等的。因此，如果检测到零序电流当量变化与补偿电流一致的测点时，即可判定出现了单相永久接地故障。

3  故障定位统设计分析

3.1 系统总体结构

基于物联网技术的配电网故障定位系统主要由两大部分构成，分别为监控中心和监控终端。其中，监控中心又包括各种服务器，可以完成通信、数据存储和处理分析等任务;监控终端由大量的传感器构成，由无线网络实现互连，并将采集到的数据发送给监控中心。传感器的布设应根据线路的区段划分来确定，可根据经验在故障率较高的区段加密布设。一旦线路某区段发生故障，采集到的信号会立即通过网络传输至监控中心，监控中心的应用服务器收到数据后根据判据进行分析，同时将故障点显示出来，实现故障点的定位。

3.2 时钟同步方案

时间差是故障定位的重要参数之一，但不同的设备之间的内部时钟总是会有误差的，因为每个设备都有着独立的晶体振荡单元，这些晶体振荡频率不可能完全一致，经过长期的积累后必然会造成明显的时钟误差。另外，设备的工作温度也对时钟精度有较大的影响。因此，为了实现配电网中的故障定位，必须对时钟进行同步校准。该文采用的方案是在通信报文中加入一个单独的字段用于标记时间戳，应用服务器在收到报文会根据设备之间的时间差对各设备进行定期校准。

3.3 数据同步采集方案

所谓数据的同步采集，显然要求做好两个方面的工作，即同步和传输。目前在物联网领域中常用的同步采集方案有GPS和WSN，但无论哪种方案都不是万能的，都有着不同的优缺点。为了提高同步采集的精度，该文根据配电网区段定位的特征，采取了多级同步的设计方案。在区段比较大的位置，由于传感器布设间隔较大，可采集高精度GPS作为同步信号源;对于区段较小的节点，由于传感器布设较密集，误差范围相对较小，因此采用WSN时间同步协议进行同步即可满足定位精度，降低能耗和硬件投资成本。

4  故障定位统的应用

为了检验该系统的有效性，在某10kV配电网中进行了试运行。配电网采用了标准380V三相电源，升压得到10kV电压，与安装了传感器的母线直接相连，零序电压检测器接在传感器的末端。目标线路上布设了多个测点，采用零序电流检测器分别进行测量。依次让每个区段出现单相接地故障，传感器可以及时准确地采集故障信号，应用服务器响应及时，预警和定位准确。尽管信号中带了明显的随机噪声，但其谐波相位不大，对故障定位的影响不大。

5  结语

智能电网的应用是电网发展的必然趋势，而物联网技术的发展使智能电网的管理不再困难。但配电网故障定位的准确性是建立在高质量算法基础之上的，当前的定位算法虽然可以满足一些常规的故障分析需求，但对于大型配电网和更加精确的故障定位，这些算法仍需进行不断的改进。随着物联网技术的发展，配电网故障定位技术也将不断完善，成为配电网日常管理的重要辅助手段。

参考文献

[1] 廖登伟.配网自动化故障定位的问题研究及应用[J].通讯世界，2019，26（8）：253-254.

[2] 时庆宾.基于PMS和GIS系统的10kV配电网故障快速定位方法研究[J].电子制作，2016（17）：81-82.

[3] 江博，王秋杰，梅李鹏，等.分布式发电系统广域保护和故障定位技术研究[J].通信电源技术，2016，33（2）：25-29，33.