10kV配網(wǎng)線路故障自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

云南電網(wǎng)公司紅河供電局 何 濱 郭建斌 陳亮亮 閔 瓊

北京一同宇科技發(fā)展有限公司 馬趙云

1.引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)供電可靠性提出了更高要求。配電系統(tǒng)分支線多、線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在發(fā)生故障時(shí)一般僅出口斷路器跳閘，即使在主干線上用開關(guān)分段，也只能隔離有限的幾段，要找出具體故障位置往往需耗費(fèi)大量人力、物力和時(shí)間。實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境尤其復(fù)雜，在發(fā)生設(shè)備故障后給線路巡視工作帶來了諸多難題。目前多數(shù)采用人工巡線的方法查找故障，每次查找和排除故障至少需要幾個(gè)小時(shí)，然而10kV線路運(yùn)行人員嚴(yán)重不足，一線人員人數(shù)呈負(fù)增長(zhǎng)，設(shè)備管理無法滿足日益增長(zhǎng)的10kV線路運(yùn)行需要。因此在10kV線路運(yùn)行管理上需要利用新技術(shù)來切實(shí)解決以上矛盾，幫助運(yùn)行、檢修人員迅速趕赴現(xiàn)場(chǎng)，排除故障，恢復(fù)正常供電，提升供電可靠性，提高工作效率。

10kV配網(wǎng)線路故障處理包括故障定位、故障區(qū)段隔離和非故障區(qū)段轉(zhuǎn)供電等內(nèi)容，其中故障自動(dòng)隔離和自動(dòng)轉(zhuǎn)供電一般需要有一次開關(guān)設(shè)備和智能控制器等來實(shí)現(xiàn)，投資相對(duì)較高，而故障指示器是最容易實(shí)施、性價(jià)比最高的線路故障遠(yuǎn)程定位工具，因此基于故障指示器技術(shù)的故障遠(yuǎn)程定位系統(tǒng)就成為了10kV線路故障處理最基本、最實(shí)用的解決方案。本文基于故障指示器技術(shù)、GSM通信技術(shù)和GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)，研發(fā)了一套應(yīng)用于10kV配網(wǎng)線路故障自動(dòng)報(bào)警及定位系統(tǒng)，將直接應(yīng)用于配網(wǎng)線路的故障自動(dòng)報(bào)警和定位檢測(cè)，能夠切實(shí)解決配網(wǎng)線路自動(dòng)化管理程度不高等問題。

2.配網(wǎng)線路故障檢測(cè)與定位技術(shù)

我國的配電系統(tǒng)（6-35kV系統(tǒng)）是中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)，除個(gè)別系統(tǒng)是小電阻接地系統(tǒng)外，大多數(shù)系統(tǒng)是經(jīng)消弧線圈接地或不接地系統(tǒng)，稱為非有效接地系統(tǒng)，非有效接地系統(tǒng)單相接地故障的準(zhǔn)確定位是一個(gè)世界難題。多年來，各國專家學(xué)者在接地故障選線和定位方面取得了較好的成果，并有相應(yīng)的裝置投入運(yùn)行，取得了一定的成效。歐洲一些國家也在故障測(cè)距方面做了一些探索研究，并投入使用。但上述技術(shù)、裝置均難于用在線路上定位故障點(diǎn)。在線路上也有一些離線檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)故障點(diǎn)，但受空間電磁場(chǎng)影響，適用性和準(zhǔn)確度都不理想。目前國內(nèi)有多家公司研制和生產(chǎn)接地短路故障二合一的故障指示器，指示單相接地和短路故障，通過觀察故障指示器狀態(tài)的變化來查找故障區(qū)段。這些故障指示器檢測(cè)單相接地的原理基本還是沿用小電流接地系統(tǒng)單相接地選線的原理，其檢測(cè)單相接地故障的原理主要有下面幾種。一是：5次諧波法。對(duì)線路電流的5次諧波采樣，當(dāng)5次諧波突變?cè)龃?，同時(shí)系統(tǒng)電壓突變下降，則判斷為發(fā)生接地。二是：電容電流法。對(duì)線路的上電容電流進(jìn)行采樣，如果電容電流突變值超過設(shè)定的動(dòng)作電流值則判斷為接地。三是：首半波法。采樣接地瞬間的電容電流首半波與接地瞬間的電壓首半波，比較其相位。當(dāng)采樣接地瞬間的電容電流突變且大于一定數(shù)值，并且與接地瞬間的電壓首半波同相，同時(shí)導(dǎo)線對(duì)地電壓降低，則判斷線路發(fā)生接地。四是：零序電流法。檢測(cè)零序電流值，當(dāng)超過設(shè)定值時(shí)判斷為接地故障。五是：信號(hào)注入法。在發(fā)生單相接地故障后安裝在變電站的信號(hào)源主動(dòng)向母線注入一個(gè)特殊的信號(hào)，這個(gè)特殊的信號(hào)在接地點(diǎn)和信號(hào)源的構(gòu)成回路上流過，故障指示器檢測(cè)到這個(gè)特殊信號(hào)后翻轉(zhuǎn)指示接地故障。上述的短路故障二合一的故障指示器除信號(hào)注入外，其檢測(cè)原理都是被動(dòng)檢測(cè)，依賴于發(fā)生單相接地故障前后配電網(wǎng)參數(shù)的變化。鑒于小電流接地系統(tǒng)的自身特點(diǎn)，發(fā)生單相接地故障時(shí)，所產(chǎn)生的故障信號(hào)本身較弱，并且受到電磁干擾和諧波污染，導(dǎo)致獲得的信號(hào)失真，這些都直接影響了故障指示器的選擇性和準(zhǔn)確性。另外為判斷單相接地故障，一般都需要在故障指示器設(shè)定動(dòng)作定值，大于定值則認(rèn)為是有單相接地，小于定值則認(rèn)為不是接地。由于配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，運(yùn)行方式變化的多變性，具體設(shè)置定值作為單相接地的門檻值在實(shí)際工程中是很難實(shí)現(xiàn)。目前，電力系統(tǒng)配網(wǎng)線路故障定位的發(fā)展趨勢(shì)是采用自動(dòng)適應(yīng)配電網(wǎng)參數(shù)變化的故障檢測(cè)技術(shù)和具有通信功能的配網(wǎng)故障指示終端，結(jié)合現(xiàn)代的通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和配網(wǎng)GIS系統(tǒng)，將現(xiàn)場(chǎng)的故障指示器的信息送給監(jiān)控中心（如配電管理系統(tǒng)），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線路的各種運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，以聲光報(bào)警、屏幕顯示等方式告知值班人員，指示所監(jiān)測(cè)線路的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生的變化并確認(rèn)變化地點(diǎn)，縮短故障處理時(shí)間。

表1 架空型故障指示器項(xiàng)目測(cè)試記錄

圖1 基于架空線路的故障定位系統(tǒng)示意圖

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研發(fā)

3.1 工作原理

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)用于相間短路和單相接地故障時(shí)，僅故障檢測(cè)原理部分不同，通訊系統(tǒng)、故障處理及顯示部分均相同。故障指示器安裝在配電線路適當(dāng)位置，系統(tǒng)出現(xiàn)短路或接地故障時(shí)，指示器檢測(cè)到短路故障電流或特定信號(hào)電流流過，指示器動(dòng)作，通過短距離通信系統(tǒng)，將動(dòng)作信號(hào)傳送給相隔0～20m的通信終端。通信終端在收到動(dòng)作信息后，將動(dòng)作分支的故障指示器地址信息通過GSM通訊系統(tǒng)發(fā)給主站（后臺(tái)）系統(tǒng)，主站（后臺(tái)）系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆?jì)算分析，將故障信息以短信方式通知有關(guān)人員，并與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，可以直接顯示出故障點(diǎn)地理位置信息，并在地理背景上顯示出來，還可以打印出地理位置信息。運(yùn)行維修人員可以直接到故障點(diǎn)排除故障，基于架空線路的故障定位系統(tǒng)示意如圖1所示。

3.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由以下部分組成：故障指示器、通信終端、中心站（前置機(jī)）、主站和通信系統(tǒng)。為了檢測(cè)單相接地故障，對(duì)于小電流接地系統(tǒng)，采用信號(hào)注入主動(dòng)檢測(cè)法，需要在變電站中性點(diǎn)、母線或者某條出線上安裝一臺(tái)信號(hào)源裝置。

通信系統(tǒng)分為：故障指示器與通信終端之間的短距離傳輸系統(tǒng)，通信方式為無線方式；通信終端與中心站的GSM（手機(jī)短消息）傳輸系統(tǒng)；中心站與主站之間的串口通信。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 一體化主站系統(tǒng)

一體化主站系統(tǒng)可作為一個(gè)城市配電自動(dòng)化的主站系統(tǒng)，也可以作為設(shè)在各區(qū)或某些重要地區(qū)的區(qū)域二級(jí)主站系統(tǒng)。一體化主站系統(tǒng)作為區(qū)域二級(jí)主站與某一區(qū)域的遠(yuǎn)方終端通信并將數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理后再與大主站系統(tǒng)通信。因?yàn)樵谂潆娮詣?dòng)化系統(tǒng)中，系統(tǒng)通信是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，特別是終端，點(diǎn)多面廣，如果成千上萬的終端設(shè)備都直接與大主站進(jìn)行通信，勢(shì)必在設(shè)備調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)、管理調(diào)度、通信速度等方面出現(xiàn)諸多問題。因此，區(qū)域二級(jí)主站對(duì)某一區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理后再與主站系統(tǒng)通信，是解決上述問題的一個(gè)行之有效的辦法。一體化主站系統(tǒng)另一個(gè)重要應(yīng)用是作為各區(qū)或某些重要地區(qū)的配電自動(dòng)化主站系統(tǒng)。當(dāng)各區(qū)或某些重要地區(qū)供電部門管理的設(shè)備較多，或者相關(guān)工作人員較多，單一的監(jiān)控計(jì)算機(jī)不足以滿足運(yùn)行要求時(shí)，投入少量的資金購買必要的服務(wù)器、工作站、交換機(jī)和機(jī)柜，就可以形成具有較高的投入產(chǎn)出比的配電自動(dòng)化區(qū)域主站系統(tǒng)。故障定位系統(tǒng)一體化主站（后臺(tái)）系統(tǒng)的硬件由中心站、主站電腦、WEB服務(wù)器、KVM切換器、交換機(jī)、UPS電源和機(jī)柜等組成，軟件功能包括SCADA、故障定位系統(tǒng)中心站功能、故障定位系統(tǒng)后臺(tái)功能、配電GIS和WEB瀏覽。一體化主站（后臺(tái)）系統(tǒng)主要用于對(duì)終端進(jìn)行監(jiān)控，并完成故障定位系統(tǒng)、饋線自動(dòng)化的主站軟件功能。一體化主站（后臺(tái)）可同時(shí)作為大中型配電自動(dòng)化系統(tǒng)終端的中心站，并可根據(jù)需要升級(jí)為配電自動(dòng)化的主站系統(tǒng)或區(qū)域二級(jí)主站系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

4.技術(shù)應(yīng)用

該系統(tǒng)主要應(yīng)用于架空線路，選取某市典型10kV線路安裝后，通過對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用可以準(zhǔn)確定位短路故障位置，其故障點(diǎn)以前的故障指示器有所動(dòng)作，故障點(diǎn)以后的故障指示器均未動(dòng)作，大大減少了故障線路的查找時(shí)間。故障定位系統(tǒng)的投入使用，使線路故障區(qū)間的快速判定，提高故障查找效率，水平較以往有了顯著的提高，為提高供電可靠性提供了較好的途徑和方法。表1為架空型故障指示器項(xiàng)目測(cè)試記錄。

5.結(jié)論

本文研發(fā)的系統(tǒng)在線路發(fā)生短路及接地故障時(shí)，能夠準(zhǔn)確定位故障位置并能迅速隔離故障點(diǎn)，并在短時(shí)間內(nèi)匯報(bào)給主站和相關(guān)人員，使維護(hù)人員迅速趕赴現(xiàn)場(chǎng)，排除故障，減少了恢復(fù)供電時(shí)間，提高了供電的可靠性；減少了大量故障巡線人員，節(jié)省了巡線時(shí)間，大大提高了工作效率。該系統(tǒng)的應(yīng)用將減少因線路故障引起停電造成的經(jīng)濟(jì)損失，預(yù)期可以取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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