新型配電網(wǎng)數(shù)字故障指示器及定位系統(tǒng)

胡日亮，劉 訪，甘向鋒，伍浩洋，黃慶鏗，葉盛堯，王偉平

（廣東電網(wǎng)公司東莞供電局，東莞 523009）

0 引言

配電網(wǎng)中如果架空線路發(fā)生故障，經(jīng)常通過人工巡線的方法進(jìn)行排查，不僅耗時(shí)費(fèi)力、十分不便，而且供電可靠性也無法得到保障。因此，配電網(wǎng)故障自動(dòng)定位作為配電自動(dòng)化的一個(gè)重要內(nèi)容，對(duì)提高供電可靠性有很大幫助，也得到了越來越多的重視。

現(xiàn)有的電力系統(tǒng)架空線路故障指示器，一般只具有檢測(cè)線路發(fā)生短路或接地電流、提供故障方位的作用。因此，只能僅憑借單一的電流信號(hào)來判別單相接地故障，可靠性較低。而架空線路70%以上的故障均為單相接地，現(xiàn)有的故障指示器不僅不能有效指示和定位故障，而且經(jīng)濟(jì)性較差。本文研究了一種配電網(wǎng)數(shù)字故障指示器及定位技術(shù)，能夠在配電網(wǎng)線路發(fā)生故障時(shí)快速地對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行定位。

1 配電網(wǎng)的主要特點(diǎn)

為了準(zhǔn)確快速地定位配電網(wǎng)故障，必須對(duì)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中的故障現(xiàn)象充分考慮并對(duì)配電網(wǎng)特點(diǎn)充分了解的前提下，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)中故障的傳播方式來描述故障對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)體狀態(tài)變化的影響。相較于高壓電網(wǎng)，由于低壓配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)眾多和三相不完全平衡的原因，導(dǎo)致了10 k V配電網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上要復(fù)雜得多，從而增加了網(wǎng)絡(luò)故障定位的難度［1－2］。我國(guó)低壓配電網(wǎng)主要有以下特點(diǎn)。

1）電網(wǎng)呈樹狀分部，其結(jié)構(gòu)環(huán)網(wǎng)較少，網(wǎng)絡(luò)的電壓等級(jí)低，輸電容量小，而且配電網(wǎng)絡(luò)的支路和節(jié)點(diǎn)數(shù)目較大，整個(gè)配電網(wǎng)的分布特點(diǎn)增加了故障定位的難度。

2）低壓配電線路在很多情況下會(huì)發(fā)生三相參數(shù)不平衡甚至可能缺相的現(xiàn)象，而且三相電壓電流、節(jié)點(diǎn)負(fù)荷經(jīng)常存在不平衡的情況。

3）電阻與電抗的比值較大，饋電線的導(dǎo)線截面積較小。

4）低壓配電網(wǎng)線路采用電力電纜和架空線混合的線路模式，許多基于均勻介質(zhì)的故障定位算法的測(cè)量精度將大大降低。

5）由于配電網(wǎng)直接面向客戶，不可能每個(gè)節(jié)點(diǎn)都裝有測(cè)量計(jì)算儀器，很多支路的在線數(shù)據(jù)只能通過預(yù)測(cè)或估計(jì)得到，誤差較大，給定位測(cè)距帶來了困難。

2 配電線路故障定位技術(shù)原理

對(duì)于配電線路的供電故障排修，工程上一般采用三步走的方法：首先對(duì)供電線路中故障發(fā)生點(diǎn)進(jìn)行定位，然后將配電線路中的故障點(diǎn)與總配電線路分開，最后由檢修人員對(duì)故障進(jìn)行處理，解決故障問題，恢復(fù)配電線路的供電。目前常用的配電線路故障定位方法主要有：行波法、阻抗法、信號(hào)注入法、S信號(hào)注入法以及端口故障診斷法等，這些故障定位方法主要依賴于矩陣算法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和粗糙集理論等理論算法來實(shí)現(xiàn)3－4。

2.1 故障定位模式

通常采用的配電網(wǎng)故障定位方式是通過安裝故障指示器來實(shí)現(xiàn)的［5］。配電網(wǎng)絡(luò)故障定位的工作模式可以分為3類：就地顯示的故障定位模式（沒有故障信息的遠(yuǎn)傳功能），通過就地顯示功能減少人工巡線發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)的時(shí)間，這種模式不常使用；帶有通信功能的“一遙”故障定位模式，是以故障指示器為基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障點(diǎn)快速、準(zhǔn)確定位的經(jīng)濟(jì)方案；帶有遙測(cè)功能的“二遙”故障定位模式。這3種工作模式中，后2種模式均帶通信系統(tǒng)，是目前主要應(yīng)用模式，具有升級(jí)為“三遙”的潛力。

2.2 故障定位的一般判據(jù)

故障定位正確與否直接關(guān)系到供電系統(tǒng)的可靠性與安全性。因此，故障指示器的判據(jù)應(yīng)該在最大限度上全面考慮，從而提高故障指示器工作的可靠性并減少拒動(dòng)作和誤動(dòng)作發(fā)生的可能性。故障指示器可能發(fā)生的誤動(dòng)作情況如表1所示。

3 配電網(wǎng)數(shù)字故障指示器及定位系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新研發(fā)的配電網(wǎng)數(shù)字故障指示器及定位系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 故障指示器可能發(fā)生的誤動(dòng)作情況

圖1 配電網(wǎng)數(shù)字故障指示器及定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖1中可以看出，整個(gè)系統(tǒng)由電源模塊、功能電路和檢測(cè)單元3部分組成。配電網(wǎng)數(shù)字故障指示器及定位系統(tǒng)按照如下方式連接：整流直流濾波電路的電源輸入端連接于AC220V，整流直流濾波電路的電源輸出端連接于電源轉(zhuǎn)換模塊電路的第二電源輸入端；電源轉(zhuǎn)換模塊電路的電源輸出端連接于主控屏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的第一電源輸入端、操作電源模塊的電源輸入端、控制電源模塊的電源輸入端、運(yùn)算電源模塊的電源輸入端、工作電源模塊的電源輸入端和通信電源模塊的電源輸入端；操作電源模塊的電源輸出端連接于操作電源監(jiān)測(cè)單元，控制電源模塊的電源輸出端連接于控制電源監(jiān)測(cè)單元，運(yùn)算電源的電源輸出端連接于運(yùn)算電源監(jiān)測(cè)單元，工作電源模塊的電源輸出端連接于工作電源監(jiān)測(cè)單元，通信電源模塊的電源輸出端連接于通信電源監(jiān)測(cè)單元；操作電源監(jiān)測(cè)單元的監(jiān)測(cè)輸出端、控制電源監(jiān)測(cè)單元的監(jiān)測(cè)輸出端、運(yùn)算電源監(jiān)測(cè)單元的監(jiān)測(cè)輸出端、工作電源監(jiān)測(cè)單元的監(jiān)測(cè)輸出端和通信電源監(jiān)測(cè)單元的監(jiān)測(cè)輸出端連接于主控屏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)輸入端。

3.2 防雷交流濾波電路設(shè)計(jì)

對(duì)于檢測(cè)裝置的防雷電措施，一般采用旁路保護(hù)法，即并聯(lián)過壓保護(hù)器件。工程上常用的過電壓保護(hù)器件很多，主要有氣體放電管、壓敏電阻、瞬態(tài)抑制二極管等。采用這樣的保護(hù)措施時(shí)，如果系統(tǒng)沒有過電壓則呈現(xiàn)出較高的阻抗值，如果系統(tǒng)上出現(xiàn)瞬態(tài)的過電壓，那么阻抗值就會(huì)突變?yōu)榈椭?，這樣的保護(hù)措施的開關(guān)電壓較高。本文采用電子電路中對(duì)低壓集成電路的保護(hù)電源的防雷電路設(shè)計(jì)思想，目的在于既能起到抑制雷電浪涌的作用，又能最大限度地避免發(fā)生損壞設(shè)備及火災(zāi)等事故。

防雷交流濾波電路設(shè)計(jì)圖如圖2所示，主要包括：防雷器F1、F2和F3，壓敏電阻MOV1、MOV2和MOV3，放電管FDG，電阻R1和R2，電容C1、C2、C3和C4，以及電感L1和L2。其中，F(xiàn)2、MOV1、MOV2和F3依次串聯(lián)于L和N之間；FDG的一端連接于MOV1和MOV2，另一端則直接接地。該防雷交流濾波電路設(shè)計(jì)既可以實(shí)現(xiàn)抑制雷電浪涌的作用，又能最大限度的保護(hù)設(shè)備。

圖2 防雷交流濾波電路設(shè)計(jì)圖

3.3 整流直流濾波電路設(shè)計(jì)

整流電路是將交流轉(zhuǎn)換為直流的轉(zhuǎn)換電路。現(xiàn)行的整流直流濾波電路按結(jié)構(gòu)可以分為橋式電路和帶零點(diǎn)或中性點(diǎn)的零式電路（半波電路）。本文采用了橋式電路的設(shè)計(jì)思路，電路中的橋式整流器利用四個(gè)二極管兩兩對(duì)接的方式連接，正的輸出由輸入正弦波的正半部分的兩只二級(jí)管導(dǎo)通產(chǎn)生。同時(shí)，由于當(dāng)系統(tǒng)中輸入正弦波的負(fù)半部分時(shí)，另兩只反接的二極管使得該通道的輸出也為正。由此可以知道，橋式整流器相較于半波整流而言利用效率要高出一倍。在整流直流濾波電路的設(shè)計(jì)中，在橋式整流電路中加入電感、電容和晶振片構(gòu)造成了完整的整流直流濾波電路，如圖3所示。

圖3 整流直流濾波電路設(shè)計(jì)圖

整流直流濾波電路包括：電容C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12、C13，二極管D1、D2、D3和D4，以及電感L3；C5一端連接電路電位參考點(diǎn)GND，另一端連接C6、C7、C10、C11、C12和C13的一端和D1、D3的正極；C6另一端連接D1負(fù)極、C8的一端和D2的正極，C7另一端連接D3負(fù)極、C9的一端和D4的正極；C8的另一端、D2的負(fù)極、C9的另一端、D4的負(fù)極連接于L3的一端、C10和C11的另一端；L3的另一端連接于C12和C13的另一端。

3.4 電源轉(zhuǎn)換模塊電路設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)的輸入與輸出電壓差較高時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生開關(guān)穩(wěn)壓器線性部分的效率問題。通過采用低電阻開關(guān)和磁存儲(chǔ)單元部分，使得工作時(shí)的效率得到了極大的改善（達(dá)到96%），從而降低了轉(zhuǎn)換過程中的功率損失。本設(shè)計(jì)中采用了開關(guān)頻率高的DC／DC轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器可以極大地縮小外部電感和電容器的尺寸和容量。例如，當(dāng)開關(guān)的頻率高達(dá)1 MHz時(shí)，一般的設(shè)計(jì)會(huì)使得開關(guān)電源的開關(guān)噪聲較大、成本相對(duì)較高以及輸出紋波等缺點(diǎn)，但此種轉(zhuǎn)換器可以較好地避免這些問題。

電源轉(zhuǎn)換模塊電路設(shè)計(jì)圖如圖4所示，主要包括包括穩(wěn)壓管VZ1和VZ2，二極管VD1、VD2和VD3，晶體管IC1和光藕IC2、變壓器T1、電阻R3、R4和R5，電感L4，以及電容C14、C15、C16、C17、C18和C19。

3.5 監(jiān)測(cè)電路部分設(shè)計(jì)

在電網(wǎng)中供電電壓過低或者過高的情況時(shí)有發(fā)生，從而引起用電設(shè)備的損壞。如電網(wǎng)末端或電網(wǎng)不穩(wěn)定的地區(qū)。當(dāng)大量使用交流電動(dòng)機(jī)時(shí)，會(huì)引起電壓高低變化幅度比較大的問題，不僅影響電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，甚至?xí)率乖O(shè)備損壞。本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)電路，其作用是能夠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電流電壓是否在規(guī)定范圍之內(nèi)，否則該部分電路就會(huì)迅速發(fā)出控制信號(hào)去切斷電源，達(dá)到保護(hù)電氣設(shè)備的效果。

圖4 電源轉(zhuǎn)換模塊電路設(shè)計(jì)圖

監(jiān)測(cè)電路部分設(shè)計(jì)圖如圖5所示。其中，操作電源監(jiān)測(cè)單元、控制電源監(jiān)測(cè)單元、運(yùn)算電源監(jiān)測(cè)單元、工作電源監(jiān)測(cè)單元和通信電源監(jiān)測(cè)單元均包括電壓互感器ZMPT101、電流互感器ZMCT101、運(yùn)算放大器1／4LM324、二極管IN4148和集成電路7333Q。

3.6 主控屏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控屏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括微控制器SAB80C535、觸發(fā)器SL74 HC573和程序存儲(chǔ)器EEPROM，SAB80C535的數(shù)據(jù)端分別與EEPROM和SL74 HC573相連，EEPROM的輸入端和輸出端分別與SL74HC573連接。

4 系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用效果

圖5 監(jiān)測(cè)電路部分設(shè)計(jì)圖

本文選取某地區(qū)電網(wǎng)35 k V變電站內(nèi)一條10k V出線作為試驗(yàn)對(duì)象來應(yīng)用該系統(tǒng)，整個(gè)試驗(yàn)過程如下：檢查測(cè)試設(shè)備接在石巖底臺(tái)區(qū)的配變高壓側(cè)“A相”接線柱上；裝上石巖底臺(tái)區(qū)變壓器高壓側(cè)“A相”的帶電三角環(huán)；裝上石巖底臺(tái)區(qū)變壓器高壓側(cè)“A相”的跌落式開關(guān)熔斷管；合上石巖底臺(tái)區(qū)變壓器高壓側(cè)“A相”的跌落式開關(guān)；由操作人合上測(cè)試開關(guān)，同上啟動(dòng)時(shí)間繼電器，控制測(cè)試開關(guān)在16s后準(zhǔn)時(shí)斷開。

該試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能正確、快速地進(jìn)行接地故障選線、定位，且能有效、準(zhǔn)確地上報(bào)故障信息，實(shí)現(xiàn)線路運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)接地故障的快速定位，提高了配電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種新型配電網(wǎng)數(shù)字故障指示器及定位系統(tǒng)，通過對(duì)各模塊電路原理圖、接線方式的分析，闡明了該系統(tǒng)在配電網(wǎng)智能化監(jiān)控和管理中的作用。該系統(tǒng)具有功能全面、性價(jià)比高，主控屏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)操作方便、安全可靠，監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性高，使用和維護(hù)方便等特點(diǎn)，可提高配電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性。

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