基于電力線載波和ZigBee技術(shù)的配電網(wǎng)線路故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

唐 忠，閔倩倩

（上海電力學(xué)院 電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090）

供電需求的不斷增大，使得人們對(duì)供電設(shè)備運(yùn)行動(dòng)態(tài)變化的關(guān)切程度不斷上升，因此，故障發(fā)生后的故障判斷和故障范圍的定位相應(yīng)也成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。現(xiàn)如今城市配電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，呈樹(shù)枝型分布［1］，給故障定位造成很大困難.而傳統(tǒng)的定位方法如阻抗法、故障分析法（工頻參量法）及行波法等，均是基于線路參數(shù)理論和行波傳播理論進(jìn)行定位的，國(guó)內(nèi)外科研人員曾對(duì)此進(jìn)行了深入研究并取得了大量成果［2－3］，使得故障定位精度有所提高，但是這些方法對(duì)不同線路的具體情況往往需要修正，否則就會(huì)定位不準(zhǔn)，造成電力系統(tǒng)仍然依靠巡線而費(fèi)時(shí)費(fèi)力查找故障點(diǎn)，不能滿足電網(wǎng)快速恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行的要求［4］.因此，采用新方法更簡(jiǎn)便有效地找出故障點(diǎn)具有現(xiàn)實(shí)意義.

筆者提出設(shè)計(jì)故障探測(cè)器、使用電力線載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)同一變壓器轄區(qū)內(nèi)電網(wǎng)線路故障的監(jiān)測(cè)；建立故障檢測(cè)站、使用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同變壓器轄區(qū)內(nèi)線路故障信息的傳送.經(jīng)過(guò)多級(jí)ZigBee節(jié)點(diǎn)傳送后，電網(wǎng)線路的故障信息將匯聚到電網(wǎng)故障監(jiān)測(cè)中心.

1 系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，該系統(tǒng)架構(gòu)包括故障探測(cè)器、故障監(jiān)測(cè)站和電網(wǎng)故障監(jiān)測(cè)中心，具體有電力載波機(jī)、結(jié)合濾波器、阻波器、耦合電容器和ZigBee無(wú)線傳輸?shù)炔考?

電力載波機(jī)主要用于調(diào)制和解調(diào)信號(hào)，把原來(lái)的聲頻信號(hào)調(diào)制（解調(diào)）成高頻（聲頻）信號(hào)；結(jié)合濾波器為高頻保護(hù)提供專用接口，對(duì)工頻信號(hào)呈現(xiàn)非常大的阻抗，防止工頻電流侵入；阻波器作用是防止高頻信號(hào)流入變壓器；耦合電容器接在相線和結(jié)合濾波器之間，其作用是阻止工頻50Hz電流通過(guò)；ZigBee模塊可實(shí)現(xiàn)不同變壓器轄區(qū)之間的低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通訊.

圖1 電網(wǎng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Figure 1 Diagram of Power grid faults'monitoring and detection system

2 系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)基本原理

1）載波通信原理.

由于低壓電力線路對(duì)載波信號(hào)有嚴(yán)重的衰減，且電力線中存在各種強(qiáng)烈的干擾噪聲，因此，采用電力線載波擴(kuò)頻通信技術(shù)和成熟的ZigBee技術(shù)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能［5］.擴(kuò)頻通信技術(shù)用于電力線通信最大的優(yōu)越性在于它具有抗干擾和抗電力線時(shí)變衰減的能力.目前，市場(chǎng)上應(yīng)用最多、銷售最廣的電力MODEM（Modulator and Demodulator）芯片都是以擴(kuò)頻技術(shù)為核心.

采用不同方式實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展就會(huì)形成不同的擴(kuò)頻通信系統(tǒng).該文采用頻譜擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn)方式是直接序列擴(kuò)頻.直接序列擴(kuò)頻是直接利用擴(kuò)頻碼序列，采用某種調(diào)制方式在發(fā)送端擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，而在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解碼，把擴(kuò)展后的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始的信息.該信號(hào)的特點(diǎn)是信號(hào)隱蔽性好、截獲概率低、抗多徑干擾且容易實(shí)現(xiàn)碼分多址體制.低壓電力線載波擴(kuò)頻通信模型如圖2所示.

2）載波監(jiān)測(cè)原理.

系統(tǒng)載波頻率選用150kHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工頻50Hz.在100～450kHz頻帶內(nèi)，噪聲功率譜密度很平，其特性可看成是白噪聲，其功率譜密度滿足：

式中 C為隨時(shí)間和地點(diǎn)變化的隨機(jī)變量.與其數(shù)據(jù)傳輸率相比，C的變化非常緩慢，可以認(rèn)為恒定.雖然C隨測(cè)量地點(diǎn)的不同有所不同，但其變化并不明顯.通過(guò)對(duì)大量實(shí)驗(yàn)樣本分析可知，C近似滿足μ＝－94.10，σ＝0.76的正態(tài)分布［6］（筆者采用高斯白噪聲信道作為傳輸信道進(jìn)行仿真，不影響通信效果）.

圖2 低壓電力線載波擴(kuò)頻通信模型Figure 2 Wave spread spectrum communication model of low－voltage power line carrier

在此信道中，載波機(jī)在線路正常時(shí)能正常通信.當(dāng)發(fā)生斷路故障時(shí)，該線路終端的線路故障探測(cè)器與該變壓器管轄區(qū)內(nèi)的故障監(jiān)測(cè)站之間的通信被中斷；當(dāng)發(fā)生多相故障時(shí)，保護(hù)裝置會(huì)很快切除故障，線路上幾乎沒(méi)有噪聲，但故障點(diǎn)處對(duì)于載波高頻信號(hào)仍將呈現(xiàn)較大的高頻阻抗，載波信號(hào)在故障點(diǎn)將發(fā)生折反射；當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于配電網(wǎng)允許且只允許單相接地后系統(tǒng)帶故障運(yùn)行一段時(shí)間，此時(shí)載波通道情況復(fù)雜，損耗很大，但故障點(diǎn)處對(duì)于高頻信號(hào)仍將產(chǎn)生較大的高頻阻抗，載波信號(hào)發(fā)生折反射.

2.2 線路故障判據(jù)

線路故障監(jiān)測(cè)站安裝在變壓器轄區(qū)內(nèi)的低壓側(cè)，而故障探測(cè)器則掛裝在電力傳輸網(wǎng)絡(luò)上所需要監(jiān)測(cè)的位置（如各分支口、各事故多發(fā)段、較長(zhǎng)線路中段等）.主站采用輪詢的方式，從1號(hào)線路故障探測(cè)器到N號(hào)線路故障探測(cè)器不間斷地發(fā)送載波信號(hào)，載波信號(hào)沿電力線路傳遞到遠(yuǎn)端線路故障探測(cè)器，故障探測(cè)器收到主站問(wèn)詢信號(hào)后，回信號(hào)給主站，每個(gè)故障探測(cè)器被詢問(wèn)3次，如果主站接收到正確的報(bào)文，則線路正常；若當(dāng)某條電力線路或分支線路發(fā)生故障或異常情況時(shí)，則不能正確收到報(bào)文，此時(shí)線路發(fā)生掉電等故障.故障探測(cè)器把線路故障（或正常）信息上報(bào)給主站，主站通過(guò)ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)把故障信息傳輸?shù)诫娋W(wǎng)監(jiān)測(cè)中心控制臺(tái).故障監(jiān)測(cè)框圖如圖3所示.

圖3 故障監(jiān)測(cè)框圖Figure 3 Fault detection scheme

3 仿真

使用MATLAB/Simulink建立一個(gè)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)模型，如圖4所示，根據(jù)模型進(jìn)行仿真.

1）信源.隨機(jī)整數(shù)發(fā)生器（Random Integer Generator）作為仿真系統(tǒng)的信源，其產(chǎn)生二進(jìn)制隨機(jī)信號(hào)，采樣時(shí)間、初始狀態(tài)可自由設(shè)置，從而滿足擴(kuò)頻通信系統(tǒng)所需信源的要求.

2）擴(kuò)頻與解擴(kuò).PN（Part Number）序列生成器模塊（PN Sequence Generator）作為偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器，擴(kuò)頻過(guò)程通過(guò)信息碼與PN碼進(jìn)行雙極性變換后相乘加以實(shí)現(xiàn).解擴(kuò)過(guò)程與擴(kuò)頻過(guò)程相同，即將接收的信號(hào)用PN碼進(jìn)行第2次擴(kuò)頻處理.

3）調(diào)制與解調(diào).使用二相相移鍵控PSK方式進(jìn)行調(diào)制、解調(diào).調(diào)制由正弦載波與雙極性擴(kuò)頻碼直接相乘實(shí)現(xiàn)，采用相干解調(diào)法進(jìn)行解調(diào).

4）信道.傳輸信道為加性高斯白噪聲信道.在加性高斯白噪聲信道模塊中，可進(jìn)行信號(hào)功率和信噪比的設(shè)置［7－10］.

仿真結(jié)果：發(fā)射（a）和接收（b）信號(hào)在線路正常運(yùn)行時(shí)通信仿真如圖5所示，可以看到，經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)的信號(hào)與原信號(hào)幾乎一樣，載波機(jī)在線路正常時(shí)能正常通信.

圖4 系統(tǒng)仿真模型Figure 4 System simulation model

圖5 系統(tǒng)正常運(yùn)行仿真Figure 5 System normal operation simulation diagram

當(dāng)線路斷路時(shí)，通信中斷，接收信號(hào)消失，其系統(tǒng)斷路仿真如圖6所示；當(dāng)線路發(fā)生接地故障時(shí)，配電網(wǎng)允許系統(tǒng)帶故障運(yùn)行一段時(shí)間，此時(shí)載波通道情況復(fù)雜，損耗很大，但故障點(diǎn)處對(duì)于高頻信號(hào)仍將產(chǎn)生較大的高頻阻抗，載波信號(hào)發(fā)生折反射，線路接收端載波機(jī)可接收到折射亂碼信號(hào)，其系統(tǒng)接地故障仿真如圖7所示.

圖6 系統(tǒng)斷路仿真Figure 6 System＇s open circuit simulation diagram

圖7 系統(tǒng)接地故障仿真Figure 7 System ground－fault simulation diagram

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，系統(tǒng)通過(guò)載波能夠準(zhǔn)確找到故障點(diǎn)的故障區(qū)間，利用ZigBee無(wú)線傳輸及時(shí)報(bào)告2個(gè)探測(cè)器之間的故障，按照各地需要布置探測(cè)器個(gè)數(shù)，可實(shí)現(xiàn)不同的精度要求.

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