智能电网架空线路故障定位

1、智能电网架空线路故障在线检测与分段定位系统引言： 架空线作为输配电的重要环节，由于种种原因时常出现接地、短路故障，给用户的安全生产带来了极大的隐患。故障分析法中的单端测距算法，由于受信息量的影响，故障点定位精度受系统运行方式和过渡电阻的影响，效果不甚理想。目前对于故障点的检测与定位主要是线路故障指示器。由于故障指示器只有故障翻牌功能，而没有自动发射、传输功能。另外出现的一些线路故障定位系统，也是利用故障指示器实现线路故障分段定位，并采用GSM/GPRS网络通信方式进行传输，即多点发射方式，因此运行费用高，不适用于长距离供电线路。为此，在现有线路故障检测方法的基础上，采用新兴的ZigBee 无线

2、发射模块自成独立信息传输系统，达到信号可靠传输又能降低系统运行费用的目的。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。 针对目前架空线路故障检测准确性低和借助GSM 通信网络传输线路故障信息成本高的现状，介绍了以工控机为核心的架空线路故障在线检测与分段定位系统。将软件与硬件结合、电流变化率与零电流检测方法并用，提高了线路短路故障检测的准确性; 将相电压信号与5 次谐波电流信号相融合，提高了接地故障检测线路的准确性; 采用Zigbee 无线传输芯片制成独立的信号传输系统，既降低了系统的运行成本，又保证了信

3、号的可靠传输。以组态王6. 51 软件为开发平台，设计出了具有多种功能的监控程序和显示画面。工控机（Industrial Personal Computer，IPC）即工业控制计算机，是一种采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称2 系统基本组成 安装在输电线路杆塔上的诸多装置主要完成线路短路故障、接地故障的检测，以及故障信号的无线传输。每个装置都设定有地址编码，根据地址编码就可实现故障的分段定位。通过装置内部的Zig-Bee 无线通信模块，自成独立的无线传输网络，故障信号以逐级、接力方式传输给变电站的收发器，再经过有线方式将收发器接收到的信号送给变电站工控机，由工

4、控机对故障信息进行分析、处理。当图1 系统结构框图 发生故障时，可进行声音报警，并显示、保存或打印故障类型和故障点位置，为排查线路故障和分析故障原因提供依据。同时变电站工控机还将故障信息送给收发器，通过GPRS 网络发送给线路维护人员的手机上，通知维护人员进行线路检修。这样既少占通信网络资源，节省运行费用，又可实现快速查找故障，及时对线路的维护，减少停电时间，提高供电系统的可靠性。 并且根据需要，变电站的工控机还可通过网线与生产调度系统的监控主机进行联网，可随时显示、打印和存储检测数据，使生产调度人员及时了解线路的运行情况。另外，该系统还具有对信号传输的自检功能。即通过软件编程，工控机以应答方

5、式对各个点进行定期巡检，以便及时了解各个装置的工作情况，以便发现问题及时处理，保证系统信号传输的可靠工作。3 故障检测1) 短路故障检测原理线路电流理想变化曲线，如 下图2示：图2 线路电流理想变化曲线图中，Ig为线路的工作电流; Imax为线路的最大工作电流; IS为线路短路电流; t0 t1为保护装置动作时间; t2 t3为重合闸装置动作时间。线路正常时，工作电流在Ig附近变化，一般不超过最大电流Imax。如果在t0时刻发生短路故障，线路电流立刻由工作电流Ig陡升到短路电流IS，经过t0到t1后，速断保护装置动作，电流在t1刻降为0，切断短路电流。通常变电站出线端还装设有重合闸装置，则经过

6、t2到t3后重合闸动作。若为瞬间短路故障，重合闸时故障消失，电流恢复为Ig，重合闸成功; 若为非瞬间短路故障，在t2瞬间短路电流未消除，经t2到t3后电流又降为0，重合闸失败。 通常负荷增加时电流的变化率明显小于短路故障时的电流变换率，因此，可根据电流变化率区分短路与负荷增加情况。但为了可靠起见，利用零电流信号判别短路故障，即在检测到较大的电流变换率后，延时1 s 左右再检测线路电流信号，如果线路电流为零，则认为是短路故障; 如果线路电路不为零，则认为是线路负荷增大引起的电流变化，或虽然线路发生了瞬间短路，但保护装置重合闸成功，则不作为短路故障处理。 2) 接地故障检测：原理目前现有单相接地故

7、障的检测方法主要包括零序电流法、电容电流法、首半波法、五次谐波法和信号注入法等。当线路的某一相发生接地时，则该相电压降低，使三相电压不对称，通常配电网的负荷中都有感性负载，线路电流产生畸变，产生大量的高次谐波电流，即出现3，5，7，谐波。但由于6 66 kV 配电网属于中性点非有效接地系统，所以三次谐波电流无法通过，而其他的谐波分量占的比例很小，因此接地时五次谐波最为明显。为此，采用五次谐波电流法，即通过检测线路电流，提取五次谐波分量，根据五次谐波电流的大小判断出接地故障，其检测电路，如图3 所示。图3 5 次谐波电流检测示意图 首先经特殊的开口式电流互感器对线路电流进行检测，经选频电路将五次

8、谐波分量分离出来，再经整流电路变为直流电压信号，最后经比较电路输出。由于线路中非线性负载的存在，线路正常时也可能存在一定的高次谐波电流，这里采用比较输出。根据正常时五次谐波电流的预测值确定比较器的基准值，当五次谐波电流大于或等于比较器的基准值时，输出为高电位，则判定为接地故障; 否则，输出为低电位，判定为非接地。另外，为进一步提高接地故障检测的可靠性，还对电路相电压进行检测，并作为判定接地故障的必要条件之一，当线路电压降低为正常时的80 %，同时五次谐波电流检测电路输出为高电位，此时才判定为接地故障，其他情况为非接地故障。4 监控主机软件开发 1) 软件平台该系统以组态王6. 51 软件为开发

9、平台，设计出了具有通信、故障显示、数据库存储、短信发送等多种功能的监控程序和显示画面。组态王是新型的工业自动控制系统软件，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，具有适应性强、开放性好、易于扩展、开发周期短等特点。组态王软件结构由工程管理器、工程浏览器及运行系统三部分构成。工程管理器：用于新工程的创建和已有工程的管理，对已有工程进行搜索、添加、备份、恢复以及实现数据词典的导入和导出等功能。工程浏览器：是一个工程开发设计工具，用于创建监控画面、监控的设备及相关变量、动画链接、命令语言以及设定运行系统配置等的系统组态工具。运行系统：相当于工程运行界面，从采集设备中获得通

10、讯数据，并依据工程浏览器的动画设计显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。2) 软件功能及其实现 ：本软件包含通信功能、故障显示功能、数据库功能、短信发送功能等几大模块。除了通信功能之外，其他功能都有各自的独立界面，可通过主界面自由切换。其中，前3 个为故障显示画面，其余4 个分别为历史报警画面、数据库显示画面、短信发送画面和退出按钮。画面主页包含7 个转换界面，如图4 所示。图4 画面主页 通信功能: 当线路出现接地、短路等故障状态时，检测装置便可检测到变化的特征信号，并将故障编码通过内置ZigBee 无线发射模块发射出去，并以无线方式经过逐级传递传送到变电站的收发器，再以有线方式送给工控

11、机，经串行口工控机可对故障信号的采集。通信程序用VB 编写，其主要功能是通过计算机串口接收由协调器传来的数据，并进行数据的分析处理，最后将数据传送给监控系统去进行显示、报警等。 故障显示功能：编程时首先进行设备变量的定义，通过设备变量的状态变化显示不同的故障类型。故障显示分为图形显示和报表显示两种。a 图形故障显示: 图形显示利用软件平台提供的图形工具，以形象直观的方式再现实际线路的拓扑结构在计算机显示的模拟线路中，标示出所有线路检测装置的地理位置，并用不同颜色的指示灯显示当前线路工作状态( 绿色为正常，红色为短路故障，黄色为接地故障，紫色为系统自检故障) ，工作人员可以通过计算机屏幕监测线路

12、的运行状态。b 报表显示: 报表显示利用软件平台提供的报表工具生成历史显示窗口。当故障发生时，自动切换到历史报警窗口，通过报表的形式标明故障发生日期、时间、故障地点、故障类型。历史报警报表按照故障发生的时间先后顺序把故障保存下来，以供工作人员查询。除了计算机直接显示故障之外，软件还提供了声音报警功能。当出现报警信号时，计算机利用本身声卡发出报警声音，利用红色按钮可以解除声音报警。 数据库功能: 当系统检测到故障后，可进行图形显示和报表显示，把相关故障信息保存进相应的数据库中; 在数据库中可以进行分类查询，可按时间、故障类型等方式进行查询，也可生成报表随时打印或定时打印。数据库还直接与Excel

13、 相连，以Excel 表格的形式保存信息，便于用户使用。 短信发送: 当故障发生时，首先生成相应的故障信息，主要有时间、地点、故障类型等，然后通过与计算机接口连接的TC35T 短信发送模块，将采集到的故障信息以短信的形式直接发送到维护人员的手机上，及时处理故障，缩短故障停电瞬间。3) 软件流程整个程序的工作流程，如图5所示。图5 软件流程图5 现场安装应用 检测电路经过多次模拟试验达到要求后，进行制版、元件焊接、组装。检测与无线传输装置封装完后，还进行信号传输性能的检测试验，试验结果如下: 传输距离离地高度1. 7 m，传输视在距离达到1 200 m。 路由等级大于20 级。 网络延迟远小于0. 5 s( 无法精确测试) 。 数据丢帧小于0. 1 %。图6 检测装置现场安装应用图片 经过多次试验、改进、完善后， 该系统于2009 年11 月在现场进行安装、运行，安装线路总长度3 km 左右，线路电压等级为6 kV，负荷最大电流300 A，该供电系统为中性点非接地系统。根据检测装置检测距离范围情况，共选取故障检测点数为7 个，平均每两检测点之间的距离为450 m 左右，每个检测点( A，B，C) 安装3 个检测装置，整条线路共安装21 个故障检测装置。检测装置现场安装应用图片，如图6 所示。图6 检测装置现场安装应用图片