基于非接觸式傳感技術(shù)的小電流接地定位系統(tǒng)研究

王邦惠++劉斌++梁中會(huì)++孫曉晨++王玥婷++胡婷婷++呂志遠(yuǎn)

摘 要：我國6～66kV配電網(wǎng)廣泛采用中性點(diǎn)非有效接地方式運(yùn)行，為小電流接地系統(tǒng)。為提高供電可靠性，站內(nèi)一般安裝小電流接地選線裝置。目前應(yīng)用的小電流接地選線裝置多采用暫態(tài)選線方法。本文介紹了一種配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)，即在架空線路下方加裝一種采集磁場信號(hào)的非接觸式傳感器，通過暫態(tài)磁場變化信息再結(jié)合站內(nèi)選線系統(tǒng)進(jìn)行選線定位。本系統(tǒng)采用的定位方法是將故障區(qū)域分成多段，故障數(shù)據(jù)帶有GPS絕對(duì)時(shí)間標(biāo)簽，避免時(shí)間不統(tǒng)一引起誤差。該系統(tǒng)與站內(nèi)選線系統(tǒng)相互配合，極大地提高了定位的準(zhǔn)確性，且成本低廉，實(shí)施簡單。

關(guān)鍵詞：選線 定位 磁場 非接觸式傳感器

中圖分類號(hào)：TM75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）09（b）-0047-02

我國6～66kV配電網(wǎng)一般采用輻射狀網(wǎng)絡(luò)，線路較長、分支眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，即使確定故障出現(xiàn)也很難查找故障點(diǎn)，需要人工巡線去排查故障，耗時(shí)耗力[1]。目前，用于配電網(wǎng)故障定位的裝置主要有兩種：一是故障指示器；二是饋線終端單元。故障指示器依舊需要線路維護(hù)人員巡線確認(rèn)，且容易出現(xiàn)故障，檢修困難，不利于大面積推廣應(yīng)用。

本文提出一種應(yīng)用于架空線路，基于非接觸傳感技術(shù)的小電流接地故障定位系統(tǒng)，可以進(jìn)行故障線路區(qū)段定位，極大地縮短人工巡線距離，節(jié)省了人力、物力，利于及時(shí)排除故障。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

站內(nèi)和站外的設(shè)備通過4G網(wǎng)絡(luò)連接，所有數(shù)據(jù)都存貯在站內(nèi)小電流接地故障選線裝置上。無論站內(nèi)還是站外的設(shè)備都帶有GPS對(duì)時(shí)模塊。所有的錄波數(shù)據(jù)都帶有絕對(duì)時(shí)間標(biāo)簽。應(yīng)用于架空線路，基于非接觸傳感技術(shù)的小電流接地故障定位系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.1 監(jiān)測單元

監(jiān)測單元由非接觸傳感線圈、處理單元和4G模塊構(gòu)成，用于采集接地時(shí)線路周圍磁場變化信息，為區(qū)段定位提供判據(jù)。一套系統(tǒng)包含多個(gè)檢測單元，一般主干線首端與末端必須各加裝一個(gè)，分支線首端與末端必須各加裝一個(gè)，中間部分可視線路長短酌情加裝。

監(jiān)測單元安裝于三相架空線B相正下方。當(dāng)線路發(fā)生接地故障時(shí)，選線裝置啟動(dòng)進(jìn)行選線，此時(shí)，監(jiān)測單元開始對(duì)故障線路下方周圍磁場信息進(jìn)行采集處理并打包，通過4G模塊發(fā)送到站內(nèi)主機(jī)中。主機(jī)對(duì)故障信息進(jìn)行解壓，通過軟件整合各個(gè)區(qū)段的磁場信息，以此為判據(jù)并進(jìn)行區(qū)段定位。

監(jiān)測單元內(nèi)置4G模塊，夠無線傳輸且能以極高的速度傳輸數(shù)據(jù)，比目前家用寬帶ADSL（4G）快25倍，4G信號(hào)覆蓋范圍廣，且安裝方便，與傳統(tǒng)通信線纜相比，具有不可比擬的優(yōu)越性。

1.2 站內(nèi)選線系統(tǒng)

站內(nèi)選線裝系統(tǒng)為本公司自主研發(fā)，內(nèi)置暫態(tài)算法和穩(wěn)態(tài)算法兩種方法，優(yōu)先采用暫態(tài)法。裝置平時(shí)處于息屏工作狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，母線上出現(xiàn)零壓，選線裝置以此為依據(jù)進(jìn)入激活狀態(tài)并開始選線。

1.3 后臺(tái)系統(tǒng)

后臺(tái)系統(tǒng)為本公司自主研發(fā)，位于小電流接地選線裝置內(nèi)。其主要功能是采集線路故障信息和監(jiān)測單元傳輸?shù)募芸站€磁場信息，通過對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算，確定故障線路和故障點(diǎn)的具體區(qū)段，將故障信息上報(bào)給調(diào)度，并將故障線路名稱和具體區(qū)段以短信的形式通知線路維護(hù)人員使其快速排除故障，保證配電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.4 GPS對(duì)時(shí)模塊

GPS對(duì)時(shí)模塊位于監(jiān)測單元中的處理單元內(nèi)，主要作用是對(duì)檢測單元采集的磁場信息與選線的零序電流信息打上絕對(duì)時(shí)間標(biāo)簽，保證所有的錄波數(shù)據(jù)都帶有絕對(duì)時(shí)間標(biāo)簽。當(dāng)后臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)段定位時(shí)，避免由于時(shí)間誤差導(dǎo)致定位錯(cuò)誤。

2 工作原理

2.1 選線原理

在SFB內(nèi)，故障線路零模電流幅值比正常線路大，且極性相反。裝置采樣頻率為7.8kHz，可采到SFB內(nèi)的點(diǎn)。

根據(jù)國家電網(wǎng)規(guī)定，系統(tǒng)零序電壓偏移不超過8V，由該信息，選線裝置可設(shè)定一個(gè)電壓門檻值VP，并實(shí)時(shí)檢測母線電壓U大小，VP的值一般為25V。

當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于接地相電壓變?yōu)?，母線中點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)較大的零壓，若

u≥VP （1）

選線裝置啟動(dòng)并進(jìn)行采樣，采樣點(diǎn)由采樣頻率決定，一般為78個(gè)點(diǎn)。系統(tǒng)對(duì)采集到的電流值進(jìn)行有效值計(jì)算。

隨后，裝置對(duì)每條線路零序電流的幅值進(jìn)行比對(duì)，選出3條零序電流幅值最大的線路，再通過比較極性最終確定出故障線路。

2.2 區(qū)段定位原理

在特征頻段（SFB）內(nèi)，零模網(wǎng)絡(luò)所有線路均可等效為集中參數(shù)電容。故障線路故障點(diǎn)至母線區(qū)段的監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測到的功率主要為所有線路等效電容吸收的無功功率；故障線路故障點(diǎn)至負(fù)荷區(qū)段監(jiān)測點(diǎn)檢測到的為監(jiān)測點(diǎn)到負(fù)荷段等效電容吸收的無功功率。因此，可根據(jù)故障線路各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的無功功率方向確定故障區(qū)段。

為提高區(qū)段定位的準(zhǔn)確率，減小站內(nèi)主機(jī)的計(jì)算量，可將線路分成若干區(qū)段，如某條故障線路A，根據(jù)故障線路監(jiān)測單元在本線路的安裝位置進(jìn)行編號(hào)，分解成A1、A2、A3、...AN段，設(shè)A1段有a個(gè)監(jiān)測單元，A2段有b個(gè)監(jiān)測單元，A3段有c個(gè)監(jiān)測單元，AN段有n個(gè)監(jiān)測單元。

暫態(tài)無功功率為電壓信號(hào)的Hilbert變換與電流信號(hào)在暫態(tài)時(shí)段內(nèi)的平均功率。

其中，零序電壓可由站內(nèi)選線系統(tǒng)提供，利用空間電磁場感應(yīng)獲取故障信息，可以獲取暫態(tài)故障電流信息。各個(gè)區(qū)段監(jiān)測單元檢測到的無功功率可表示為：

對(duì)各個(gè)區(qū)段的無功功率進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

i區(qū)段有j個(gè)傳感器，若

Mi

則i為故障區(qū)段，主機(jī)調(diào)取區(qū)段i所有元素，1≤k≤j，

若QAik及之前元素符號(hào)都為正，QAik之后所有元素都為

負(fù)，或QAik及之前元素符號(hào)都為負(fù)，QAik之后所有元素都為正，則具體故障區(qū)段為QAikQAi（k+1）；。

若對(duì)于任意一條線路，都有Mi=j則表示故障點(diǎn)不在區(qū)段內(nèi)，在區(qū)段連接處，此時(shí)，所有數(shù)組內(nèi)符號(hào)都一致，主機(jī)提取所有區(qū)段符號(hào)，1≤k≤n，若Q0Ak及之前區(qū)段數(shù)組符號(hào)都為負(fù)，QAik之后所有區(qū)段數(shù)組符號(hào)都為正，則具體故障區(qū)段在QAk與QA（k+1）連接處或QAk與QA（k+2）連接處。

3 系統(tǒng)工作流程

（1）站內(nèi)小電流接地故障選線裝置正常錄波并根據(jù)設(shè)定的零序電壓啟動(dòng)門檻值進(jìn)行檢測，站外線路上監(jiān)測單元正常錄波并實(shí)時(shí)接收站內(nèi)小電流接地故障選線裝置的故障啟動(dòng)信息。站內(nèi)和站外裝置的錄波采樣頻率應(yīng)一致，至少在6.4kHz及以上。

（2）當(dāng)被監(jiān)測母線段的出線發(fā)生故障時(shí)，站內(nèi)小電流接地故障選線裝置首先啟動(dòng)，并記錄帶有絕對(duì)時(shí)間標(biāo)簽的故障錄波數(shù)據(jù)，包括啟動(dòng)前10個(gè)周波，啟動(dòng)后40個(gè)周波。啟動(dòng)后，對(duì)50個(gè)周波數(shù)據(jù)，以5ms的時(shí)間窗進(jìn)行計(jì)算，找到零序電流信號(hào)的最大幅值區(qū)段，并根據(jù)此區(qū)段內(nèi)數(shù)據(jù)使用暫態(tài)方法進(jìn)行故障選線。最大幅值區(qū)段查找，以5ms內(nèi)所有采樣點(diǎn)實(shí)際值的平均值最大段為最大幅值區(qū)段[2]。

（3）站內(nèi)選線后，并發(fā)消息給故障線路上所有非接觸式傳感裝置，并調(diào)取數(shù)據(jù)。發(fā)送的消息內(nèi)容包括帶有絕對(duì)時(shí)間標(biāo)簽的啟動(dòng)時(shí)間點(diǎn)、零序電壓及零序電流。零序電壓和零序電流的數(shù)據(jù)為使用暫態(tài)方法進(jìn)行選線的最大故障區(qū)段內(nèi)的數(shù)據(jù)。

（4）監(jiān)測單元，根據(jù)要求將帶有絕對(duì)時(shí)間標(biāo)簽的零序電壓及零序電流與本身啟動(dòng)點(diǎn)前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算值發(fā)送至站內(nèi)裝置。計(jì)算方法包括零序功率方向、零序電流與非接觸式傳感裝置的錄波波形比較等方法。站內(nèi)裝置根據(jù)收取的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較判斷確定故障區(qū)段[3]。

4 結(jié)語

配電網(wǎng)一般采用輻射狀網(wǎng)絡(luò)，線路較長、分支眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，即使確定了故障出現(xiàn)也很難查找故障點(diǎn)，需要人工巡線去排查故障，耗時(shí)耗力。用于配電網(wǎng)故障定位的方法有很多，但是大多都停留在理論層面，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。利用本方法進(jìn)行配電網(wǎng)單相接地故障區(qū)段定位，由于采取的是高頻暫態(tài)量，不受系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的影響，無需注入信號(hào)，具有實(shí)施簡單，適用性強(qiáng)，可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)。在煙臺(tái)供電公司進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。

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