配电架空线路故障在线监测系统的应用

张敏逸 国网江苏省电力有限公司无锡供电分公司

新时期下，社会各行业领域对供电网络服务质量的要求也日益提高。数据显示：95%的停电事故是配电网故障所致。配电线路的接线十分复杂，尤其是较为偏远的农村，配电线路往往分支较多，供电范围广，发生故障时无法第一时间隔离，严重影响供电的可靠性。安装在线监测系统后，能够在故障发生后迅速排查和隔离，缩短了停电时间，提高了服务质量。

一、配电架空线路故障在线监测系统概述

该系统共包含七部分：电缆型通信主机、系统软件、电缆线路接地故障检测终端、服务器、电缆线路短路故障检测终端、通信交换机与面板指示器[1]。

在本系统中，检测终端的部署位置大多选择在电缆线路之上，负责收集负荷温度、接地故障等信息，然后通过无线射频的方式将这些信息传送给电缆型通信主机，通过GPRS网络，电缆型通信主机再把信息传送到通信交换机，最后进入服务器。经过系统特定的功能软件运算，会对处理好后的相关数据进行可视化展现，并进行报警措施，按照要求发送报警短信。故障发生后，检修人员根据报警短信第一时间达到现场，对故障问题进行消缺，最大程度上降低用电损失的范围，极大的减轻了检修人员的劳动量，提高了配电架空线路的管理效率与自动化管理水平。

系统将单片机作为内核，可达到500万次/s的计算速度，能够准确测量出线路的电流。采用全数字的处理方式，无须将模拟电路作为判断依据，精准度高，不容易受到外界因素的干扰。对通信故障指示器的相关技术参数进行设定之前，技术人员应展开实地调查，对电缆线路的对地电容、线路长度及电压进行分析。而后根据分析所得出的结果设定最科学最准确的启动值。用突变时间、突变电流以及线路停电作为进行电缆短路状态监测的一个判断依据。若能够最大程度上降低适用性问题带来的不良影响，将避免由于配电价的继电保护的整定值改变对后者用电负荷增加而影响监测适用性的问题。

在一般情况下，相较于稳态电容电流，架空线路的暂态电容电流及额度会高于其两倍。而电缆线路的电容电流又是架空线路电容电流的20倍。如果在运行的过程中出现了接地故障，这会导致四十公里长的架空线路产生3安培的暂态电容电流以及1安培的稳态电流。这将直接导致接地监测系统的电容电流启动值会下降至1安培。也就是说，在同一母线的情况下，10kv的线路的长度若高于40公里，接地监测系统便能正式产生效用。而传统的接地监测电容电流启动值最低是十安培，其灵敏度远远不如前者。二者相较而言，该系统的范围更广，灵敏度都更高，准确性更强。

二、在线监测系统应具备的功能

（一）装置管理

当在线监测系统在配电架空系统中成果上线并得以发挥作用后，该系统应具备装置管理的基本功能，从装置管理的角度来分析，再进一步细分以后，可分为资产管理、装接管理等多个类型。因为配电架空线路中构成要素的复杂性，在开展资产管理时又包含了终端、指示器等资产管理、档案批量检索等基本内容。装接管理则以装置安装与拆除、转换、调试为重点。装置安装的基本流程为：结合在线监测系统的总体设计要求和功能特点，进行对应的终端装备配置，在此基础上精准定位安装点，在终端装置与安装点之间实现有效关联；关联监测设备与各个监测点。装置拆除指的是终端装置的拆除作业，就是将终端装置和安装点之间所存在的关联关系加以解除。装置置换为新终端装置与安装点之间的关联关系构建；装置调试是为了使得终端装置可保持在稳定的运行状态下[2]。

（二）数据管理

在线监测系统的运行过程中，监测工作开展的同时会伴随着大量的数据信息采集，监测的过程也就是对这些数据信息的采集和管理过程。因此，数据管理也是在线监测系统的一大突出功能，包含了任务编制、数据采集、终端装置任务管理、漏点补充等基本内容，但任务编制中又细分为任务模块和装接默认任务，在任务模块的设置上，要严格根据监测系统的功能需求、配电架空线路的结构特点来进行。当确定了任务模块以后，根据不同任务的对接需求，进行对应的监测装置选择和配置，获得关于指示器和任务模块之间的关系信息。

（三）运行管理

运行管理中以主站、设备和异常运行管理作为核心性的工作，其中，主站运行管理指的是监测系统对主站运行状态、通信信道、操作日志的实时管控过程。设备运行管理则为对终端装置基本参数的设置过程，以通过参数的科学设置，将指示器服务地址与终端时钟误差控制在最小的范围内。异常运行管理是对一切异常情况的监测。

（四）统计分析

质量查询、数据查询和报文查询是在线监测系统统计分析功能中的关键性内容，在开展质量查询的过程中，可严格按照省级、市级、县级等基本单位范围，对电力企业的配网加以数据采集，进而在此基础上进行配网数据完成率和合格率等指标的计算。数据查询主要是提供配网线路基本的状态和参数信息调取服务。

（五）系统权限管理

权限管理功能的存在使得在线监测系统在配电架空线路的运行中更为安全，因为在完整的权限管理下，也就科学地划分了每个操作人员的操作权限，避免了在线监测系统中的异常入侵和访问。

（六）终端升级

在线监测系统还兼具终端升级的功能，进一步细分以后，这一功能下又细分为终端版本召测、审计任务申请审批、升级文件管理、终端升级任务执行，不同流程之间的高度配合使得在在线监测系统的运行过程中，能够支持相应的升级任务，满足在线监测系统的终端配置要求。

三、配电架空线路故障监测方法

（一）故障测距法

这是一种在线路端点位置测量故障距离的方式，测量方法有两种：

1.阻抗法

配电架空线路故障发生后，通过技术手段对电压与电流进行计算，以此能够得出故障回路的阻抗，线路的长度和阻抗之间为正比关系，可估算出故障距离。阻抗法的优势是成本较低，尽管我国通过故障分量电流法、最小二乘法等方式优化了阻抗法的测量精度，但受到路径阻抗、电源参数、线路负荷等各因素的影响，阻抗法并不能排除多分支配电线路的故障点，只能应用于结构比较简单的配网架空线路。

2.行波法

根据行波从故障点传送到检测点和故障距离的时间之间正相关的基本原理，可根据这一原理将行波法分为五种类型：①A型：利用故障所产生的行波来定位单端。②B型：通过时间差来对双端进行定位，也就是在故障点位置生成的行波到达线路两端的时间差值。③C型：通过信号注入的手段，在线路中任一位置注入信号，监测注入点与故障点之间信号往返一次所需的时间，而后推算出故障的距离。④D型：根据故障暂态行波的双端测距原理对现代行波故障距离进行测算[3]。⑤E型：断路器重合闸在故障线路时会产生暂态行波，因此，据此原理对暂态行波在故障点和永久性故障点之间往返一次消耗的时间进行计算，从而推算出距离。

目前，行波法所用形态学法以及小波分析法都是常见的数据分析手段。尽管该方法有着良好的应用效果，但配电架空线路的网络结构非常复杂，分支、折射和反射较多，因此直接导致行波的波形展现复杂多变，识别难度大，难以对故障点进行定位，在应用的过程中存在一定程度上的局限性。

（二）信号注入法

这是一种故障发生后，通过系统注入信号来定位故障的方法，主要有三种方式：

1. S注入法

故障发生后，将处于闲置状态的电压互感器进行交流信号的注入，然后检测故障线路中信号的路径、特点，对故障进行定位与测距。S注入法非常适用于线路上只安装了两相电流互感器的系统，但注入信号强度时，容易受到系统的限制，同时接地电阻比较大，产生的间歇性电弧会干扰检测结果，还可能导致在系统二次接地，引起线路跳闸。

2.加信传递函数法

在故障发生的位置加入方波诊断信号，根据故障发生后电路拓扑结构的变化情况，再运用频域分析法给故障定位，完成单端测距。频域传递函数是加信传递函数法的关键所在，在中性点不接地的系统中，其优势是测距效果不会受到负载参数变化的影响，但是要想完成从理论到实践的转化，还存在诸多困难，所以应用并不广泛。

3.端口故障诊断法

根据模拟电路断口故障理论诊断线路故障，能够减少工作量，在规模较大的网络中具有一定的应用优势，但无法确定故障的距离，而且对数据通信的要求较高，实用性略差。

四、配电架空线路故障在线监测系统的功能设计

①在出现故障的导线中设置激光测距模块，动态收集不同导线、不同区段的故障隐患点，然后将监测到的数据和信息传送到后台系统。

②在故障隐患的杆塔中配备摄像装置，摄像机能够多角度旋转，可全程监测线路四周环境，检修人员可以从后方清晰、直观、实时的观看各个线路与设备周围的视频。

③为了更好的对故障隐患发展的状况进行分析，及时进行风险消缺和隐患控制，引入动态数据、趋势分析法、历史数据、现场视频等方法功能。[4]

五、配电架空线路故障在线监测系统的应用与效果

（一）应用

系统的硬件构成如下：10台通信主机、10组故障检测终端、1套电缆线路故障监测系统。在线监测10条10kV的电缆线路，系统实现了四大功能：

①支持对接地故障的高效精准定位；并可以对故障电流、负荷电流、导线温度、异常温度的动态监测与实时上传。

②通过短信、声光等报警方式对接地故障、电缆温度越限等故障进行报警，同时还支持显示故障的时间、类型，给故障定位。

③可以对各个分散的终端设备的时间进行统一校准，终端将在每天特定的时间进行系统自检，自检内容包括信息特征码、没有收到的自检信息的终端编号以及通信主机的组号等，为终端的正常运行提供保障。

④拥有信息查询、数据统计、数据扩展等一系列功能，还能分类和统计历史数据，进行分时统计、各种条件的组合查询等，还可以和馈线自动化系统等其他子系统联合使用，提高了线路故障判断的准确性，提高了故障的排查速度。

（二）检测依据

①短路故障：在同时满足It≥300A、I=0，0.02s≤△T≤3s条件的情况下，可判定为短路故障。It表示突变量电流值、I表示线路故障发生后的电流值、△T表示电流突变时间。

②接地故障：配电架空线路在接地相的电压下降＞3KV，零序电流突变＞10A，分机通过无线射频和主机完成数据通信，通过比较三相电流后计算出零序电流。

③过流或者负荷电流越限报警：线路瞬时的过流跳闸，但又能恢复正常供电，是判断过流的重要依据。当负荷电流超出设定值，系统处于超负荷运行状态时，应该立刻调整。

（三）效果

①为了提高电缆线路故障检测的准确性，引入突变电流与零序电流检测等方法。

②本系统支持“二遥”，可以感应取电，同时具备电缆通信、无线通信与光纤通信等功能，可以就地显示出报警功能，能够有效抗电磁干扰与励磁涌流，显著提高了电缆的自动化运行程度。

③系统能够在线实时监测电力电缆的运行状况，并将监测信息传送到管理人员的手机上，对管理人员的工作难度进行了简化，减少了人力的投入，同时也对端点修复的时间进行了缩短，提高了客户的认同和满意度，也提高了管理和运维的工作效率。

④在线监测系统可以直观的呈现数据信息，拥有报警、转发报警短信、分析数据、生成报表等多种功能。

⑤该系统具有较强的兼容性和联动性，支持与其他运行管理系统进行联网，可以集成配电自动化系统、调度自动化系统以及GIS系统等软件，允许多个部门使用故障监测数据，通过持续、深入的研究系统，能够为后续的自动化管理提供宝贵经验。

六、结束语

随着我国在电力科学上的研究和发展，信息化和自动化水平日益提高。在线监测系统是一种能够在配电架空线路故障中发挥重要作用的工具平台，不仅具有诊断分析电路故障的功能，还能够帮助电力企业简化工作流程，构建科学可靠的运维体系。