配电网架空线路故障指示器检测方法的研究与验证

8PAGE配电网架空线路故障指示器检测方法的研究与验证PAGE26摘要随着社会经济的发展，人们对配电网安全运行的要求越来越高，配电网自动化更加受到了重视。目前我国大部分中低压电网，特别是10kV配电网络，运行管理水平、监控手段比较低。因此，配电网发生故障时，研究如何快速以及准确的定位到故障的位置的问题，就具有很重要的研究意义跟价值，快速准确的定位故障位置才可以保证工作人员快速的对故障进行检修。本文对故障指示器系统进行研究，将故障定位到相邻的两个故障指示器之间，使定位更加的准确。配电网发生的故障大多数是单相接地故障，无明显的故障特征，故障指示器定位就会不准确。因此采用信号注入法，向系统中注入特征信号，便于检测从而提高了故障定位的准确性。本文综述了国内外故障指示器的发展现状，各种故障指示器不同原理的优缺点，各种定位方法，对故障指示器展开了研究。关键词：故障指示器；故障定位；信号注入法；单相接地ABSTRACTWiththedevelopmentofsocialeconomy,peoplehavehigherandhigherrequirementsonthesafeoperationofdistributionnetwork,andtheautomationofdistributionnetworkhasbeenpaidmoreattentionto.Atpresent,mostofChina'smediumandlowvoltagepowergrids,especially10kVpowerdistributionnetwork,havealowlevelofoperationmanagementandmonitoringmeans.Therefore,whenafaultoccursinthedistributionnetwork,itisofgreatsignificanceandvaluetostudyhowtoquicklyandaccuratelylocatethefaultlocation.Onlybyquicklyandaccuratelylocatingthefaultlocationcanworkersquicklyrepairthefault.Inthispaper,thefaultindicatorsystemisstudied,andthefaultislocatedbetweentwoadjacentfaultindicatorstomakethelocationmoreaccurate.Thefaultofdistributionnetworkismostlysingle-phasegroundfault,withoutobviousfaultfeatures,thelocationoffaultindicatorwillbeinaccurate.Therefore,thesignalinjectionmethodisadoptedtoinjectcharacteristicsignalsintothesystemsoastoimprovetheaccuracyoffaultlocation.Thispapersummarizesthedevelopmentstatusoffaultindicatorsathomeandabroad,theadvantagesanddisadvantagesofdifferentprinciplesofvariousfaultindicators,variouspositioningmethodsandcalculationmethods,andstudiesthefaultindicators.Keywords:Faultindicator;Faultlocation;Signalinjectionmethod;Single-phasegrounding目录摘要 ⅠABSTRACT Ⅱ目录 Ⅲ第1章绪论 11.1研究的背景及意义 11.1.1课题的背景 11.1.2课题研究的意义 21.2故障指示器的研究现状 31.3本文的研究内容 5第2章故障指示器系统的原理研究 72.1配电线路故障指示器系统分析 72.1.1故障指示器系统的分析 72.1.2故障检测终端以及监测主站的研究 82.2配电网接地方式 92.3小电流接地故障难点分析 102.4故障类型分析 112.4.1单相接地故障分析 112.4.2其它故障分析 132.5本章小结 14第3章故障指示器的故障定位方法的研究 153.1五次谐波法分析 153.2首半波法分析 153.3零序电流法分析与仿真 163.4信号注入法分析与仿真 173.5本章小结 21第4章电路的搭建 224.1电路整体结构设计 224.2电路各部分设计 234.2.1电源电路的设计 234.2.2信息采样电路的设计 244.2.3通信模块的设计 254.2.4控制电路的设计 264.4抗干扰措施 284.4本章小结 28结论 29参考文献 30致谢 33 PAGEPAGE26第1章绪论1.1课题背景及研究的意义1.1.1课题背景电力网络是由五个部分组成：发电、变电、输电、配电和用电，简称电网。如图1.1所示，配电网存在于发电和用电两个部分之间，是电力传输和分配的网络。电网由两个部分组成：输配电线路、变压器。按照其电网性能的差异分为两部分：输电网、配电网。配电网是由配电线路和配电变压器组成，它的作用是给用户输送电能。图1-1电力系统示意图由于我国的电力事业起步有些晚，所以把大部分的经历都投入到发电和输电设备这两部分的建设里，对配电的疏忽导致了配电网故障频发，造成了很多的地区电能质量不好，还有系统供电可靠性较低等问题。现有的配电系统因为技术和装置都不够先进，因此在判别故障时并没有很好的准确性与可靠性。由于配电线路的所处的位置环境以及天气情况很差，所以总会有故障发生导致部分用户停电。如果发生故障时能够快速的准确的定位故障，并将故障切除恢复供电就可以提高电能质量。在最近的这些年里，我国在供电网络、配网改造等方面做出了很多的成绩，正因为如此配电网的自动化程度与以前相比有了很大的进步，在那些不是很先进的区域，也得到了很好的改良。即使有了进步，在整个电网的体系中，如果发生故障没有及时的发现或者没有及时的应对，不仅会给用户造成很多的麻烦，还有可能会发生危险。在这个技术不断前进的时代，电力部门采用了多方面的技术对故障指示器系统进行不断的改造获得了一定的进步，并且在各方面技术统一应用已经提高了很多。配电网主要由几部分组成：电缆、配电变压器、杆塔、架空线路。这些设施要是出现问题运行不正常就很有可能导致配电网发生故障，同时会使线路上的装置造成一定的损坏，还有可能造成无法正常供电。在社会的发展过程中，配电网的自动化越来越重要，对故障定位的准确性与快速性也有了更高的要求。为了能够使故障定位较快速而且精准，故障指示器（FIs）已经大量的投入到配电网当中了[2]。但是，FIs的使用效果并不理想，还存在种种问题。例如，当发生单相接地故障时，判别准确率比较低。配电网所在位置是电力线路的最末端[1]，在配电网之后与之相连的便是用户了，其安全性直接影响用户的使用以及经济，在电力系统发生的故障中，80%都是因为配电网发生故障而造成的。随着人民生活水平不断地提高，人们根本离不开电这种物质，对电能的质量也有着愈加变高的需求。由于我国配电网自动化开始要比国外发展落后很多，早期的技术以及设备等方面比较落后，因此我国的配电网在自动化这方面并不先进，这样就导致了经常发生事故，严重地影响了社会经济的进步和人们的日常生活[3]。配电网在电力系统中的功能是对电能进行分配，配电网能否工作在正常的状态下对电力系统安全以及供电质量有着很大的影响。配电线路在工作的时候，会受到内部和外部两方面的很多因素的影响，造成配电线路发生故障。有些故障突然出现，因现有的防护措施和急救方案不够完善而不能及时的恢复用电，会对经济产生严重的影响，并且配电线路故障还有一定的可能会造成人身安全受到威胁等问题[4]。1.1.2课题研究的意义虽然近年来我国对配电网实施了很大程度的升级改进，比较以前的配网已经有了很大的进步，配网自动化的技术等方面也有显著的提升。但是，在配电线路中仍然有很多没有解决的问题：(1)因为配电网的线路十分的繁琐，所以对配电网的运行状态不能做到精准的掌握。(2)现存故障指示器精度低、定位以及切除恢复时间不能够达到用户的需求。面对种种问题，本文对配电网故障的定位展开研究，对FIs进行了智能化的分析。使其捕捉到故障信号后对监测站发出故障信号，由于故障会被定位到两个故障指示器之间，这样检修人员就可以及时的根据故障信号找到故障区段并将其切断，从而及时的恢复供电。这样能够减少停止供电的时间，降低对社会经济以及人民正常生活的影响。综上所述，如果配电网故障指示器可以合理在电路中应用就可以减少不必要的人力物力的消耗，可以以最快的速度找到并切除故障，对于社会经济提升具有实际的意义。根据这些可知，对配网故障原理以及故障时的特征进行研究是有一定必要的。1.2故障指示器的研究现状中国的面积很大，不同的省市在环境方面有很大的差别，为了使架空配网故障指示器可以在各个地区各种环境中统一使用，国网公司和其相关部门颁布了这方面的相关性文件，所有的生产厂家所生产的产品务必达到标准要求才可以在市场中出售，即为用户提供了保障，也为市场做了规范。现在架空配网故障指示系统智能化程度在不断提高。将FIs在电网中适当的投入使用可以使配网稳定性得到提升，这与它对故障的判定方法有着分不开的关系。随着社会经济的发展，人们对配电网安全运行的要求越来越高。现在，在很多的中低压电网中，尤其是在10kV的电网中，存在着很多的问题，技术水平很低，所以在配电网系统中有很多的事故发生。有人对日后故障指示器的发展提出新的想法，认为今后应该把现代微处理器技术应用到故障指示器之中，故障特征依靠数字信号处理技术来提取，这样能够提高故障指示器的可靠性和稳定性，故障指示器应该设计具有能够传输数据功能，方便日后快速定位故障和接入配网自动化系统[5]。目前，各个国家的配电网的接地方式都是中性点不直接接地，这种方式发生接地故障时，接地点流过很小的电流，所以称这种接地方式为小电流接地系统[6]。这种方式又分为三种：中性点不接地、中性点经阻抗接地和中性点经消弧线圈接地。这种接地方式发生故障时线电压依旧对称，尤其是中性点经消弧线圈接地，接地点流过的电流小，对负荷的持续供电没有影响，《电力系统安全规程》规定发生故障后系统还可以持续运行0.5~2h[7]。我国中性点不直接接地的方式在配电网络中大量的应用，应用此运行方式可以使电网供电更加可靠，但当发生单相接地故障时，由于故障电流没有明显的特征，对故障做出准确的判别一直是很困难的。目前，虽然在发生故障时对故障定位的方法已经取得了一定的进步，但是在实际应用中故障定位的准确率还是不高，还有很大进步的空间[8]。目前各地区供电区域和配网规模不断地扩大，这样就会产生维修人员不足的现象，特别是在被重金属污染比较严重的地方，设备被腐蚀得更加严重，线路比较容易损坏，属于配电线路故障频率高、易发区域，需要采取先进的措施以及加强管理来提高配电网的运维效率，实现减少人工以及提高效率。配电网是特别容易遭到某方面因素的影响而发生故障的，这些故障有可能是内因例如设备老化，但大多数还是因为外因如雷电、树枝等原因[9]。由于城市中大部分配电网是小电流接地系统，中性点不直接接地，故障率最高的故障类型就是单相接地故障，其特征量比较繁琐，故障不容易判断。相间故障的特征量较为明显，容易判别，所以，单相接地故障的准确性是配网故障要解决的主要问题[10]。准确地找到故障区段，可以免除不必要的开关操作，保持持续的供电。因此不断有人对故障指示器进行研究，并且有不少产品已经投放到配电网之中。故障检测的方法主要有:(1)零序电流法；(2)首半波法；(3)5次谐波法；(4)信号注入法[11,12]。国内故障指示器主要是对故障判据、指示器取能、通信等方面的研究，取得了一定的成果。国外曾经采用遗传算法寻找故障指示器的最合适的配置，但由于其迭代搜索的随机性和无指导性，并且在操作过程中会出现明显的退化现象[13]。馈线自动化是智能电网的一个重要特点，它旨在开发自愈系统，能够定位故障并自动执行隔离和供电恢复[14]。我国10kV的配电网一般都是中性点不直接接地方式，在发生单相接地故障时能够在一段时间内保持继续运行的状态，保证了供电的可靠性[15]。故障指示器是挂在配电线路上的，但其却是一个独立的装置，如果没有相邻参数的比对分析，想要准确的定位到故障位置是相当困难的。现有的方法有一定程度上的局限，很多的方法首先都需要测量零序电流或者零序电压，这些方法在配电线路上使用没有很好的效果，这些方法只能在变电站处选线，在线路上对故障进行定位是做不到的[16,17]。故障指示器可以将故障定位到两组相邻的故障指示器之间，这样的话不但能够选线，还能够直接知道故障支路和定位故障区段。由于相间短路具有明显的电气特征，所以比较容易检测，因此在发生相间短路故障故时FIs对其检测与判定的准确率很高，但配电网发生的故障大多是单相接地故障，在这种故障发生时，由于该系统是不直接接地系统，从而短路电流构不成回路，因此单相接地故障没有明显的故障特征。本文采用的方法为信号注入法，向发生故障的线路中注入具有明显特征的受控信号，使故障指示器易于检测，提高故障指示器定位的准确性[18]。1.3本文完成的主要工作综上所述，为了进一步提高故障指示器的性能，获得良好的经济和社会效益，必须对故障指示器的选线方法以及故障定位技术进行研究，目前由于故障发生时定位不够准确，配电网故障耗费了大量的劳动力以及经济，不仅如此，若不能及时的找到故障的位置并将其切除还会浪费很多的时间。想要解决此问题需要从故障指示器下手，设计出能够精准的定位的并且能够具有通信功能的故障指示器。本文所要完成的主要内容包含以下几个方面：（1）论述本课题的研究背景及意义，对国内外配电网故障以及研究方法进行综述，提出本文研究故障指示器选用的方法。（2）深入的研究故障指示器系统，了解故障指示器系统的结构和原理。研究中性点的接地方式，判断各接地方式的缺陷。各种对故障类型进行分析，并介绍故障定位的难点，主要对单相接地故障进行深入的研究，了解发生单相接地故障时所具有的特征量，以便故障指示器进行捕捉。（3）基于故障指示器系统，对各种故障判别的方法进行研究，由于使用信号注入法不受很多条件的限制，所以对本文使用信号注入法对故障进行定位分析。并通过Matlab进行仿真得出波形，并证明其可行。（4）设计硬件电路：电源电路、控制电路以及通信模块等硬件电路的设计。并分析电路因容易受到干扰的抗干扰的解决方法。第2章故障指示器系统的原理研究2.1配电线路故障指示器系统分析2.1.1故障指示器系统的分析故障指示是配电线路故障在线监测系统的一个重要的部分，其应用在电力系统中大大提高了智能化程度，免除了不必要的人力与物力，使其更加可靠。配电网故障指示器系统主要由三部分构成：具有通信功能的故障指示器、故障监测终端、监控主站[19]。FIs通常安置于配电线路上（架空线路或电缆），故障监测终端一般安装在故障指示器邻近的电线杆塔上，后台主站系统主要由路由器、通信交换机、服务器、客户端等构成[20]。一般的故障指示器具有故障识别、电流电压检测、故障状态指示、信号传送和自动复位等功能，图2-1为故障指示器运行原理框图。图2-1故障指示器运行原理图在配电线路中，如果有短路或者断路的故障发生时，在接到微控电路的信号后，对故障点进行发出指令，使巡线人员能够根据其翻牌或者闪灯状态，迅速到达发生故障的位置，对故障进行隔离切除，使电能输送更加可靠[21]。在故障指示器系统中，故障指示器被设置在配电线路上，检测电流和电压等信息通过电磁感应来实现，这样就可以检测是否发生相间或接地故障，当有故障电流出现时，故障指示器就会发出警报同时将故障信息通过无线传输发送到通信终端。配电自动化现处于不断地发展过程中，所以对配电网各方面也有了更高的要求，因为故障指示器能够快速定位到故障的位置，单靠这一点，故障指示器在应实践中大量的被使用[22]。图2-2是故障指示器实物图。夜间时其动作状态为LED灯闪烁红光，由于灯光在白天不易被观察，所以故障指示器动作状态为翻牌且呈红色。正常状态 （b）故障状态图2-2故障指示器实物图2.1.2故障检测终端以及监测主站的研究故障监测终端也就是通信终端主要的功能：故障电压、电流参量的采集、处理和传输。通信终端主要由三部分组成：电源、传感器模块和数据采集终端，图2-3为通信终端实物图。电源模块通过变压器的感应电源直接从导线中获取电能，为监测终端供电，减少了投资以及故障隐患。传感器模块用来检测电流和电压量[23]。主控CPU负责整个监测终端的运行控制与管理。无线通信模块完成配电线路上通信终端之间的数据传输，无线通信模块用来在监测终端与后台之间的信号传输。图2-3监测终端实物图监控主站由两大部分组成：地理信息系统(GIS)和管理信息系统(MIS)。它不但可以随时监测配电网的运行状态，还能够自动定位到故障的位置，便于线路保护和应急维修。它也可以用做配电网装置的治理，以便装置信息的统计、录入和查询。随时捕捉故障指示器动作信息和网络拓扑的数据信息，保证故障指示器动作信息与网络拓扑数据信息保持同步。能够绘制、建立以及修改配电网络图，网络中应具有电线、杆塔、开关、变电站和FIs等。GIS的支撑平台能够直观的显示出故障，该系统既可以单独运行，又能与GIS和分布式管理系统(DMS)相互联系，双方的数据可以共享。2.2配电网接地方式中压配电网中性点接地的方式有三种：中性点不接地、中性点经消弧线圈接地、中性点经电阻接地[24,25]。配电网中性点接地方式对单相接地故障的故障电流有很大影响。中性点不接地中性点不接地的系统很简单，在线路绝缘要求方面没有那么多的要求，不需要安装其他的绝缘设备。在配电线路中发生单相接地故障时，故障电流就等于线路的对地电容电流，配电线路的三相电压依然是三相对称的，所以这对用户的影响并不大。线路的对地电容电流为：（2-1）其中，f为电网的频率，C为对地的电容，U是线路的相电压。因为故障电流特别小，所以不能够快速的定位故障。在对地的容性电流很大的时候，线路中的电弧不能够自己消失，所以可能导致空气被击穿近而产生相间短路故障。在这个时候会有过电压形成，而使电气装置被损坏。所以这种方式适合用在不需要那么高的可靠性的电网中。(2)中性点经消弧线圈接地中性点经消弧线圈接地系统主要有两类：传统的消弧线圈、自动跟踪补偿消弧装置。这种接线方式主要用在稳定的电网中。由于消弧线圈可以在发生故障时产生感性电流，因此它可以降低故障电流，所以现在国内大量的应用这种接地的方式。当发生单相接地故障时故障点的电流为：(2-2)其中是经过消弧线圈的电感电流，是故障点对地的三相电容电流。若=，是全补偿状态，即故障点的故障电流最小，但在此状态下容易发生谐振，不利于系统的运行。若<，处于欠补偿状态，若此时有线路退出运行，此状态下容易发生谐振。若>，处于过补偿状态，这种状态不会发生谐振，所以消弧线圈大部分都工作在此状态下。(3)中性点经电阻接地由于上述接地方式不能将电缆线路的电弧消除，现如今电缆线路大量的应用在城市电网当中，中性点经电阻接地方式也大量的投入使用。这种方式会降低供电的可靠性，换取线路不受电弧和过电压的损害，也不会发生谐振，消除电弧等因素对线路的影响。2.3小电流接地故障难点分析(1)配电网所在的环境特别的恶劣。故障信号原本就不显著，在由于所处的环境以及天气等因素的影响，对信号的探查就更为的困难，这就会导致大多数的定位方法都无法很好的检测故障。(2)我国配电网很多都是上述提到的两种接地方式的系统，这些系统的接地故障电流会很小，导致了故障信号不易被检测到，这也是导致故障定位的一个困难。(3)配电线路有许多的分支且都是比较长的。在分支点信故障号会有衰减和畸变的现象，配电网分支节点越多，利用暂态信号的定位方法用起来就越不准确；线路对地的电容是与线路的长度成正比的，更长的配电线路的对地电容会更大，这样在使用交流电流注入法不适用，因为对地的电容会对交流电进行分流，使定位不够准确。2.4故障类型分析2.4.1单相接地故障分析配电线路中如果其中一相中的一点对地不再绝缘，该相就会对地产生零序电流，从而构成单相接地系统，这是电气故障中最容易发生的一种故障，也是发生概率最高的，该故障跟其他故障不一样的是它会破坏原有的三相平衡，非故障相的电压会变为原来的1.73倍左右，从而容易造成非故障相绝缘和谐振过电压遭到破坏[26]。当这种故障发生的时候，变电站10kV的母线上会有零序电流的出现，并且伴随着零序电压的产生。图2-3小电流接地系统如图2-3所示是一个小电流接地系统，如图虚线框内为中性点经过消弧线圈接地，由于该线圈的本质上是一个电感，所以在运行的时候会有电感电流在其上产生，如果在发生谐振的情况下将此电流去除，则可以知道电容上的电流。发生此故障，线电压是恒定的。当其中一相发生接地故障时，故障相对地的电压就会缩小到零，非故障相对地电压会升高到原来的1.73倍，从而中性点的电压也会产生一定的变化[27]。(2-3)(2-4)(2-5)(2-6)其中是发生故障后中性点电压，、、分别是故障后A、B、C三相对地的电压。(2-7)(2-8)线路1中并没有发生故障，所以在线路2发生故障时，会在线路1的对地电容产生容性电流，由式（2-5）、（2-6）得出这个容性电流。由线路1中的B、C两相中的容性电流共同构成了出口处的零序电流为：(2-9)这个零序电流有效值为：(2-10)其中是相电压的有效值，若是用这个有效值表示的话，那么线路1的零序电流就是它的容性电流。变电站的等效支路零序电流为：(2-11)同理它的有效值是：(2-12)发生了单相接地的故障的线路，不但在B、C两相上有容性电流流过，而且这两相的电流都从故障相流入大地，这个故障电流为：(2-13)它的有效值同时也是这个系统的对地的容性电流的总和：(2-14)从发生故障的线路的故障相流出的电流与容性电流总和大小相等方向相反，即，可以得出故障线路出口处的零序电流是：(2-15)在中性点经消弧线圈接地系统中，在发生单相接地故障时，线路上的零序电流的具有的特点：非故障线路的零序电流是其线路的对地分布电容电流，方向是从母线流到线路[28]，随着距离母线越来越远的位置，零序电流幅值也在逐渐的减小，在未发生故障的线路末端的零序电流几乎为零。2.4.2其它故障分析（1）两相短路如图2-4（a）所示，两相短路是指配电线路中两相之间发生的短路故障，这种故障要比单相接地故障更为严重，当然对系统的危害也是比单项要严重，经常会引起很多用户的停电，还可能将线路烧坏。不过两相短路发生的几率仅仅有8%。（2）两相接地短路如图2-4（b）所示，两相接地短路是指在配电系统中中性点不接地，任意两相发生短路接地而产生的故障，这种类型的故障会在线路中产生零序电流，而两相短路故障中则不会有零序电流的出现。这种发生的概率也只有5%。（3）三相短路如图2-4（c）所示，三相短路是指供配电系统中三相均发生了短路故障，三相短路是对称短路，其他几种故障皆属于非对称故障，这种故障发生的概率最小，一单故障发生，会产生很大的短路电流，在所有故障中这种事最严重的故障类型。虽然这种故障类型对现实生活的损害比较大，但是其发生的概率是特别低的。（a）两相短路原理图（b）两相短路原理图（c）两相短路原理图图2-4相间短路原理图2.5本章小结本章主要是理论的分析，首先对故障指示器的结构以及各个结构进行了分析，还有提到FIs应该具有的功能。其次对配电网中中发生的故障进行简单的介绍并主要分析了在配电网中最容易也是发生概率最高最频繁的一种故障，所以本章的重点就是对FIs结构功能的以及单相接地故障的分析。故障指示器的故障定位方法的研究3.1五次谐波法分析五次谐波法是一种广泛应用的的方法，它的原理是是：在配电线路中，由于发生单相接地故障时会造成电压的不平衡，会导致这个体系中所有的带有铁芯的装置进入磁饱和状态，在电压互感器上这种现象较为明显[29]。在这种状态下会有很多的谐波分量形成，奇次谐波分量更加明显。在中性点经消弧线圈接地的系统中，因为零序阻抗接近无穷大，当发生单相接地故障时，3以及它的倍数的谐波几乎无法通过，因此在电流中几乎不会出现3以及它的倍数的谐波，所以在出现这种故障的5次谐波就比较明显。由于在发生单相接地故障时会产生5次谐波电压，随着这个电压会伴随着5次谐波电流产生。的幅值与基波相比只是一个很小的比例，因为高次谐波的容性电流与其次数有正比关系，所以其容性电流会变为工频电容电流的5倍大小；感性电流则与其次数有着反比的关系，会变为工频电感电流的0.2倍，所以说消弧线圈对5次谐波几乎没有什么影响。实际上这种方法没有很好的效果，故障相的五次谐波电流分量可能会增加，也可能会减少，还有可能没有多大的变化。所以这种方法可靠性低，不能准确的捕捉到特征量的变化。3.2首半波法分析首半波法是根据在发生单相接地故障时在相电压达到最大值时的前提下进行的[30]。暂态电流和暂态电压会在发生单相接地的瞬间产生，这个暂态的过程有几个特点：(1)在发生故障一瞬间会形成一个暂态电流出现，这是一个高频且高幅值的电流，暂态电流分量的第一个半波的幅值较稳态的幅值要大很多倍。(2)在接地一瞬间故障相对地电容会对地放电，而故障线路的电容和电感会降低高频暂态分量。(3)非故障相对地充电电流的暂态分量首半波宽度均为几十us到几百us。(4)在发生接地故障，当相电压达到最大值的一瞬间时，电感暂态电流近乎于零，相电压过零的一瞬间，电感暂态电流会达到最大值，首半波的暂态电流几乎不经过消弧线圈，无论是中性点接地或者是不接地，发生故障时首半波的暂态过程是相同的。(5)在接地发生的瞬间暂态电容电流和相电压的相位是有关联的。利用这种方法的故障指示器就是在接地发生瞬间，故障线路电容电流和电压首半波的幅值和方向均与正常情况不同的特点对故障实现判别。首半波法的使用必须具备前提条件就是故障时在相电压达到最大值的瞬间，如果接地故障发生时电压近乎于零或者说电压很小，这样的话此方法就不适用，首半波法从理论上就有很大的缺陷。3.3零序电流法分析与应用该方法检测原理是根据：当线路发生永久性单相接地故障时，非接地线路的零序电流等于该线路三相对地电容电流的向量和，方向是从母线流向支路[31]；而接地线路的零序电流等于所有非故障线路零序电流的向量和，方向是从线路流向母线。在中性点为接地的电网中，单相接地故障指示器利用零序电流的方向和幅值的变化是可以检测到故障线路的。图3-1零序电流法电路图零序电流法电路图如图3-1所示，该电路由参数设置为10.5kV、50Hz的三相受控电源，示波器，测量模块以测量电压、电流，其它元器件如三相型输电线、三相故障器等连接而成。将故障器安装在线路1上，设置接地故障相为A相。图图3-2零序电流法仿真波形图图3-2零序电流法仿真图如图3-2为仿真波形，三条波形分别表示三相的电压波形，当发生故障时波形发生突变，故障相波形变窄，非故障相波形变宽，在切除故障之后，波形恢复。3.4信号注入法分析与应用当发生单相接地故障时，没有显著的故障特征，导致了检测的困难，以至与有的故障没有被检测出来发生漏报，这样故障指示器的准确性就会下降。采用信号注入法，向系统中注入具有明显特征的扰动信号让故障指示器能够检测得到，从而使故障指示器系统能够准确定位到故障区段[32]。这种方法的与其他方法相比主要的优势在于它不受各种因素的影响，不需要给故障指示器设定固定值，在发生单相接地故障后主动向系统中发送信号检测故障。如图3-3为信号注入法故障定位流程图。具体的通信方式为：通过通信系统发送到远方的故障监测主站系统：信号监测终端在本地通过状态变化告知电力线路维护人员。这种方法简单而且消耗少，很适合使用。图3-3信号注入法故障定位流程图如图3-4所示为信号注入法电路图，这是一个中性点经消弧线圈接地的系统，线路中包含一个电源、一个110kV/10kV变压器、三条配电线路以及三相RLC负载等。图3-4信号注入法电路图如图3-5所示故障线路相电压仿真波形，自上而下分别为A、B、C三相，本仿真故障相设为A相，从图中不难看出，在发生故障后故障相电压降低，三相电压相比B相的电压最高，也就是说滞后相的电压最高。图3-5故障电路电压仿真图从图3-6非故障线路三相电流仿真波形中可以看出这三相电流的波形都不是周期性的方波，所以监测终端则判断其未发生故障。由图3-7所示的故障电路故障相电流仿真中能够看出其发生故障的波形明显为方波，判断其发生故障。图3-6非故障电路电流仿真图图3-7故障电路故障相电流仿真图3.5本章小结本章对各种故障判别的方法进行了介绍并说出他们的弊端，且主要对零序电流法和信号注入法进行了主要的分析，随后还使用Matlab对这两种方法进行了仿真得出了波形，叙述波形的特点。根据对比，虽然在价格方面信号注入法与其他的方法相比是昂贵一些，但是它不受各种的因素影响，具有更好的准确性。第4章电路的搭建4.1电路整体结构设计故障指示器各个模块整体的结构电路如图4-1所示，主要包括电源电路、信息采集模块、无线通信模块和控制电路。在各个电路应该具有的的功能有：供电功能：为系统的各个部分提供相应的电压。数据采集功能：对配电线路的每一相电压电流进行检测，还能够处理检测到的各种信号并把信号转换成单片机能够识别并处理的信号。通信功能:定位装置应当能够通过内部串行总线对电压采集模块进行数据交换，并具备与系统主站和检测终端的通信功能，主站调用后能够上传系统的运行状态。显示功能：当发生故障时，故障指示器会做出相应的动作。图4-1故障指示器硬件电路图4.2电路各部分设计4.2.1电源电路的设计指示器系统应用220V交流电源为整个系统供电，由于单片机主板的需要的电压为5V。如图4-2所示电路图，220V的电源后连接压敏电阻、放电管用来限制过电压，保护电路；电路中还设有熔丝来保护电路；应用创四方双路隔离V系列AC/DC模块电源FAD10-05V24-WFCI把电压转换成5VDE的电压为单片机供电。图4-2主板电源电路由于主控制电路需要的电压为3.3V，所以还要在输出的5V电压上进行进一步的转换。如图4-3所示为控制模块电源电路通过AS1117-3.3V芯片将5V电压转换成3.3V。图4-3控制模块电源电路4.2.2信息采样电路的设计信息采样模块主要由两部分组成：信息采集单元、信号转换电路。信息采集单元采集的信息主要是母线上的个相的电压以及零序电压，采集的对象都是模拟量。在现实的配电网中，电压互感器二次侧输出电压会很高，但是单片机能够接收并识别的电压均是3.3V以下的正电压。所以采集的信息如电压、电流信号都需要有信号转换电路处理后才能转换成单片机可以接受并处理的信号。信息采集模块的主要工作流程如图4-4所示。图4-4信息采集模块工作流程图配电网发生故障时电压、电流等信号都是比较大的强电信号，因为单片机不能够接收此类的信号，所以此类信号来到的时候不能直接接入到单片机当中，必须经过处理过后才可以输入到单片机当中[33]。本文选用的交流电压电流通用互感器接的输入高电压范围是小于1kV的交流电压，输出侧电压为1.2V，应用的接线方式如图4-5所示，输入端与配电网二次侧相连接，输出端电压为，其中为一个小于200的电阻。图4-5交流互感器原理图转换电路的作用是将多条线路输入的电压电流等模拟信号进行综合处理，将这些信号按比例转换到AD采样范围内即0~3.3V，转换电路如图4-6所示，TLC2274芯片由电源电路供给的5V电压进行供电，经交流电压电流通用互感器变换后的模拟信号首先用滤波电容器处理，由TLC2274放大器进行偏置，使的电压信号都变成正信号，使其能够被单片机接收处理的0~3.3V的标准电压。运用AD转换器将模拟信号转换成数字信号，单片机只能处理数字信号。偏置电路如图4-7所示，电路中连接2个2k的电阻对图3-10中VCCA进行分压。图4-6信号转换电路图图4-7电压偏置电路图4.2.3通信模块的设计在通信装置中，控制装置需要与数据传输单元GRPS_DTU还有它里面的本地进行通信，按照DTU的串行口是标准的RS-232接口，设置和它通信的串行物理接口是RS-282；内部通信应用的物理接口为RS485接口。RS-232的逻辑方式是负逻辑，也就是逻辑“1”表示-3V~-15V，逻辑“0”表示+3V~+15V。因为单片机的信号是TTL电平信号，所以需要把TTL电平变成RS232电平，在本处应用的接口芯片的型号是SP3232。RS-232串口通信电路图如图3-8所示，其中SP3232芯片的14接口为RS-232驱动器输出，15接口为其驱动器输入接口。RS-485的逻辑方式是正逻辑，逻辑“1”表示+2~+6V；逻辑“0”表示-2~-6V，降低接口信号电平，是对接口电路的芯片一种保护措施，采用的接口芯片的型号是SP3485，信号出口应一对大小相等而极性相反的对称信号也就是差分信号进行信号的传输，这样做能增强抗干扰能力，如图4-9所示为RS-485串口通信电路图。图4-8RS-232串口通信电路图图4-9RS-485串口通信电路图4.2.4控制电路的设计按照控制电路的通用性，也考虑到这部分的功能和设备的工作环境存在很多的干扰，设备应该具有很好的信号滤波处理能力。按照这些对电路的要求，在此中心控制芯片选择ARM系列的STM32F103BVT6芯片，这个芯片的特点是性能高、成本低、功耗低的ARM32位的CPU，它的工作频率范围在72MHz及以下，内含2个12位的AD转换器，具有9个用来通信的接口。控制电路主要设计了以下电路：复位电路当CPU发出命令、执行操作出现错误的时候这部分电路就会发出信号的及时使这个错误信号返回。复位电路如图4-10所示，其中标为RST处所连接的是主控芯片RST引脚，设置一个与复位开关并连的10μF电容，过滤掉一些干扰信号使这个电路更加稳定。图4-10复位电路图晶振电路图4-11芯片晶振电路图4-12实时始终晶振电路该电路的主要功能是给系统生产工作时钟。CPU里面拥有许多具有多种功能的时钟发生器(MCG)，它的用处是把输入的时钟调节到芯片所需要频率。控制芯片共有两个晶振源分别是芯片的主晶振和用于实时定时器（RTC）的晶振。在此设计中，主晶振的时钟频率是8MHz，RTC晶振时钟频率是32.768KHz。芯片的晶振电路如图4-11所示，实时时钟晶振电路如图4-12所示。在硬件布局时高频号不能在晶振电路附近布线，晶振电路尽量外接在主芯片的晶振输入引脚最近的地方。4.4抗干扰措施由于故障指示器安装的位置环境特殊，可能会被很多的因素所影响，所以必须在电路的设计上提高它的抗干扰能力。在所处的环境方面，因为装置安装咋10kV母线侧，在这个位置会有由电磁波引起的辐射，这个辐射会对电路造成干扰，所以在控制箱的外侧设置防磁的材料，这样就可以有效的避免电磁对选线造成的干扰[34]。在电路的设计方面，电子元件以及电路板还有线路的合理分布能够很好的提高稳定性，在这方面的抗干扰措施有：(1)硬件的合理排板对硬件进行排版时，时钟的线路一点要是直线；单片机的电源经过电容接地。(2)将数字地和模拟地分开数字信号和模拟信号都要流入同一点位的地，此时一定要将数字地与模拟地隔离，由于数字信号的变化速率很快，所以在数字地变化的时候会有很大的噪声产生，这样就会对模拟回路产生一定的影响，所以要把这两个地分开。4.4本章小结本章介绍了故障指示器的功能，对故障指示器的信息采集、通信和控制几主要部分电路进行了设计，由于故障指示器所处的环境可能很恶劣，所以在本章提出了电路的抗干扰措施。结论在如今的这个快速发展的时代，电网方面的发展更是迅速，越来越多的输配电线路出现在人们的眼前，当然线路越多就会使其复杂化，并且会有越来越多的问题出现，尤其是在配电网中。本文根据现在的故障指示器问题进行了研究，首先，对现在的故障指示器的研究背景以及国内国外的研究现状进行了剖析，了接到在国内外的故障研究当中还是存在着准确性与快速性问题的；其次，对故障的类型进行分析，在配网中最易发生的故障就是单相接地故障，所以对单相接地故障发生时的电流以及电压特征进行了深入的研究，并且针对目前现有的故障定位方法做出了以下研究：在信号注入法的基础上对故障作出进一步的研究，它是一种在母线出口处向电路中注入可控的干扰信号，在这个位置上安装可控信号源，在发生故障的时候向系统发送信号，特征信号在整条线路中流过，故障指示器就可以准确的判断出故障区段，定位到故障位置。经过Matlab仿真后证实该方法特征明显且实际可行。在硬件方面选用了ARM系列的STM32F103BVT6芯片对需要实现的功能进行了设计，主要设计了电源电路、信息采集装置以及通信模块等。由于故障指示器的运行环境问题，所以对提高电路的稳定性采取防干扰的措施。参考文献李永刚，张书伟，张志军．故障指示器综述[J]．科技风，2019(04)：167+174．吕常智，陈勇．适用于架空线路的接地型故障指示器检测方法研究[J]．电子测试，2016(11)：47-50．杨明俊．有关配电线路故障指示器选型技术的分析[J]．通讯世界，2017(22)：89-90．[4]林海涛，曹春城．探究基于故障指示器的配电网故障定位研究[J]．中国新通信，2019，21(18)：83．[5]RodrigoF.G.Sau，VictorP.Dardengo，MadsonC.deAlmeida．Allocationoffaultindicatorsindistributionfeederscontainingdistributegeneration[J]．ElectricPowerSystemsResearch，2020，179．[6]朱明严．基于大数据配电线路故障定位指示器的研究与应用[J]．通讯世界．2018，25(12)：155-156．[7]张彩友．单相接地故障指示器技术现状分析[J]．电网技术，2007(S2)：280-283．[8]贺家李．电力系统继电保护技术的现状与发展[J]．中国电力，1999(10)：38-40．[9]刘谋海，王媛媛，曾祥君，等．基于暂态相电流特征分析的故障选线新方法[J]．电力系统及其自动化学报，2013，29(01)：30-36．[10]肖鹏，姜浩．10kV配网故障快速定位系统[J]．科技风，2018(23)：197.[11]王帅，宋晓东，王善龙，等．暂态录波型故障指示器在10kV配网中的应用[J].山东工业技术，2018(12)：151.[12]蒲海岩，张雪冬．配电线路设备常见故障及应对措施[J]．科技创新导报，2016，13(30)：15-16．[13]童宁，余梦琪，林湘宁，等．基于相电流高频特征识别的配电网故障指示器原理[J]．电工技术学报，2015，30(12)：465-471．[14]李子龙.探究电力配电线路故障原因分析及处理[J].智库时代，2018(47)：155-156.[15]毛鹏，孙雅明，张兆宁，等．小波包在配电网单相接