10 kV智能配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)研究

高赟，郭琪

(西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

基金項(xiàng)目:陜西省科技廳計(jì)劃項(xiàng)目(2015GY049)

0 引 言

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與人民生活品質(zhì)的提高對(duì)配電網(wǎng)建設(shè)提出了更高層次的要求，配網(wǎng)智能化則是提高供電可靠性的重要手段之一[1-2]。近年來隨著人為和自然因素的綜合作用，配電線路發(fā)生故障的幾率也越來越高。其中排查最為困難的是接地故障，因?yàn)橛泻軓?qiáng)的隱性特性，給故障的搶修帶來了很大困難，這也是現(xiàn)如今故障定位的一個(gè)難題所在。因此，配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)智能化、準(zhǔn)確化和高效化對(duì)于運(yùn)維人員第一時(shí)間掌握故障點(diǎn)的類型和位置，及時(shí)恢復(fù)供電有著十分重要的作用和意義[3]。

1 配網(wǎng)線路特征

我國配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，同時(shí)受到環(huán)境和氣候的綜合影響，對(duì)配電系統(tǒng)安全可靠性運(yùn)行提出了更高要求。配電線路作為輸電線路的末端和配電線路的始端，擔(dān)負(fù)著十分艱巨的用戶供電任務(wù)，具有地域分布廣泛、運(yùn)行條件復(fù)雜、易受自然環(huán)境影響和外力破壞、巡檢維護(hù)工作量大等特點(diǎn)，因此以智能配電網(wǎng)系統(tǒng)為發(fā)展目標(biāo)，利用先進(jìn)的控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)線路安全化的運(yùn)行。

2 智能配網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成

智能配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)主要由故障指示器、故障采集器和主站系統(tǒng)(系統(tǒng)運(yùn)行后臺(tái))所構(gòu)成。故障指示器可以檢測(cè)線路短路、接地等信息，并給出閃燈和翻牌指示實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的作用，該裝置可通過短距離無線通信方式將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息傳送給系統(tǒng)的下一級(jí)接收系統(tǒng)[4]。故障采集器扮演著故障檢測(cè)、信息傳輸?shù)慕巧?，它通過ZigBee通信方式對(duì)故障指示器進(jìn)行數(shù)據(jù)信息采集匯總，同時(shí)它還充當(dāng)了和主站系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的媒介，兩者采用GPRS方式與后臺(tái)網(wǎng)管系統(tǒng)保持通信。主站系統(tǒng)在智能配網(wǎng)中充當(dāng)了核心處理器的功能，它實(shí)時(shí)處理故障采集器上傳的信息，通過后臺(tái)的應(yīng)用程序?qū)Σ杉男畔⒆鞒隹焖偬幚砼袛?，并在人機(jī)界面上給出相應(yīng)的處理結(jié)果，同時(shí)還會(huì)引起故障報(bào)警系統(tǒng)的響應(yīng)在第一時(shí)間讓運(yùn)維人員掌握故障信息。智能配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 智能配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭D

2.1 故障指示器

故障指示器是指安裝在配電線路不同位置的最末端傳感器，該設(shè)備采集配電線路A、B和C三相的電流信息，通過近距離無線通信方式將采集到的實(shí)時(shí)電流信息發(fā)送給指示器下一級(jí)的采集器裝置。故障指示器安裝位置如圖2所示，由圖可知每一個(gè)安裝點(diǎn)由三個(gè)故障指示器和一個(gè)故障采集器構(gòu)成，它可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線自取電，設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)無需單獨(dú)提供供電系統(tǒng)，維護(hù)方便可靠[5]。當(dāng)線路發(fā)生故障后，運(yùn)維人員可憑借手機(jī)短信或者登錄手機(jī)客戶端，迅速定位故障區(qū)段找出故障點(diǎn)，同時(shí)還能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線路運(yùn)行狀態(tài)，比如過流、缺相和斷電等。

對(duì)于中性點(diǎn)不接地或者經(jīng)消弧線圈接地的低壓線路，指示器均能準(zhǔn)確檢測(cè)線路故障信息同時(shí)給出閃燈以及翻牌指示，與帶有通信功能的故障采集器組網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)在線故障檢測(cè)、定位、在線監(jiān)測(cè)以及配網(wǎng)自動(dòng)化等功能[6]。主站系統(tǒng)通過調(diào)用故障指示器可以實(shí)時(shí)采集或捕捉線路上相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息[7]，此外還可人工輔助決策，監(jiān)測(cè)和查看線路的瞬時(shí)性或間歇性接地故障等數(shù)據(jù)信息，為線路的整改優(yōu)化提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持服務(wù)。

2.2 故障采集器

數(shù)據(jù)故障采集器采用短距離無線通信方式實(shí)時(shí)采集上一級(jí)故障指示器的運(yùn)行狀態(tài)信息，然后將數(shù)據(jù)打包通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳至配網(wǎng)主站系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。故障采集器的最大特點(diǎn)就是能在一個(gè)局部范圍內(nèi)管理和協(xié)同各類配電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)指示器，匯集狀態(tài)監(jiān)測(cè)指示器的數(shù)據(jù)，并替代各類狀態(tài)監(jiān)測(cè)指示器與后臺(tái)網(wǎng)管系統(tǒng)進(jìn)行安全的雙向數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)在配電線路環(huán)境下各類狀態(tài)監(jiān)測(cè)指示器的標(biāo)準(zhǔn)化接入、安全接入和智能化接入。采集器以太陽能做供電電源，能提供穩(wěn)定、持續(xù)的電壓供系統(tǒng)工作，防止電網(wǎng)電壓突變給系統(tǒng)帶來的影響，系統(tǒng)運(yùn)行過程如圖3所示。

圖2 故障指示器位置示意圖

圖3 故障采集器工作原理

2.3 主站系統(tǒng)

主站系統(tǒng)集中了數(shù)據(jù)收集、處理等數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)服務(wù)及線路中所有的狀態(tài)傳感終端的管理控制功能。根據(jù)各個(gè)采集器上報(bào)的信息結(jié)合不同的故障判據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，管理員可以在PC或手機(jī)客戶端登陸網(wǎng)管系統(tǒng)查看線路實(shí)時(shí)狀態(tài)，為現(xiàn)場(chǎng)巡檢維護(hù)人員提供實(shí)時(shí)參考。此外主站系統(tǒng)還能統(tǒng)計(jì)每個(gè)地區(qū)的各條線路發(fā)生故障的總次數(shù)以及故障發(fā)生的類型等，為后期線路整改提供準(zhǔn)確的參考依據(jù)，圖4為主站系統(tǒng)示意圖。

圖4 主站系統(tǒng)示意圖

3 系統(tǒng)工作原理

用戶可參照配電線路圖結(jié)合實(shí)際的地形地貌選擇設(shè)備的安裝點(diǎn)，故障定位精度與設(shè)備投入的數(shù)量和設(shè)計(jì)規(guī)劃的安裝位置有很大關(guān)系。一般來說故障指示器在主線和分支線上均需合理布置，由變電站出線側(cè)的1#桿塔開始投入設(shè)備來檢測(cè)界內(nèi)或者界外的故障，后續(xù)的設(shè)備應(yīng)隔一定距離進(jìn)行安裝，來提高定位的精度和準(zhǔn)確性。結(jié)合圖5和圖6進(jìn)行智能故障定位的工作原理分析。

圖5為接地故障原理圖。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)所有指示器均正常運(yùn)行不動(dòng)作、也不翻牌和閃燈。當(dāng)C相的分支線發(fā)生單相故障接地時(shí)，指示器會(huì)把當(dāng)前線路信息上傳給采集器，采集器進(jìn)而再將數(shù)據(jù)信息傳輸至后臺(tái)主站進(jìn)行實(shí)時(shí)分析判斷，按照相應(yīng)的接地判據(jù)原理來鎖定故障發(fā)生點(diǎn)，同時(shí)會(huì)把相應(yīng)線路上變電站出口至故障點(diǎn)區(qū)間上所有指示器進(jìn)行故障狀態(tài)顯示，而故障點(diǎn)至線路末端的指示器正常狀態(tài)不改變，即可根據(jù)指示器的不同運(yùn)行狀態(tài)來縮短故障點(diǎn)的范圍，提高故障搶險(xiǎn)的效率。例如C相的9#指示器之前全為故障狀態(tài)而12#指示器之后均為正常狀態(tài)，即可判定位置D處發(fā)生接地故障。

圖5 接地故障原理圖

圖6為短路故障原理圖(以兩相短路為例)。線路正常運(yùn)行時(shí)指示器不翻牌均工作于正常狀態(tài)。有短路故障出現(xiàn)時(shí)指示器會(huì)檢測(cè)到線路上的故障電流發(fā)生急劇突變，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到滿足短路判據(jù)的條件時(shí)即發(fā)生短路故障告警。進(jìn)而線路上相應(yīng)的指示器會(huì)翻牌顯示并閃燈，同時(shí)系統(tǒng)還能明確提示是哪兩相發(fā)生短路故障，給運(yùn)維人員提供高效的故障點(diǎn)定位信息，降低尋線時(shí)間。例如B相指示器的8#和C相的9#之前全部顯示故障狀態(tài)，而11#、12#之后指示器為正常狀態(tài)，進(jìn)而可定位故障點(diǎn)為D處。

圖6 短路故障原理圖

3.1 接地故障檢測(cè)原理

目前常采用首半波法和信號(hào)注入法對(duì)小電流接地系統(tǒng)的單相接地故障進(jìn)行分析。但兩種方法均存在一定的缺點(diǎn)，首半波法有誤動(dòng)的情況發(fā)生，信號(hào)注入法由于設(shè)備成本投入高、安裝不便捷等因素發(fā)展受到限制。智能配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)采取線路電壓測(cè)量法以及接地瞬間首半波尖峰電流相結(jié)合作為接地故障判據(jù)，通過采集器將各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信息匯總到后臺(tái)主站，讓主站系統(tǒng)進(jìn)行智能決策判斷，接地故障檢測(cè)原理如圖7所示。其判據(jù)條件如下[8]:

圖7 接地故障電壓電流波形

(1)線路單相接地時(shí)，相電壓對(duì)地電場(chǎng)突然下降[9]。一般可預(yù)設(shè)故障指示器采集到的電壓降低30%左右是接地故障造成的(可根據(jù)實(shí)際線路信息進(jìn)行調(diào)整)。

(2)發(fā)生接地的故障點(diǎn)會(huì)有突變電流流過，其值大小與線路電壓、頻率和線路的長度因素有關(guān)。首半波尖峰電流突變量可設(shè)為32 A左右，也可結(jié)合線路實(shí)際情況在線設(shè)定。

(3)此外接地故障還需參考充電時(shí)間、故障持續(xù)時(shí)間、接地相電壓持續(xù)下降時(shí)間和線路不停電等因素。

該判據(jù)能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)線路電流、電壓的變化情況，還能根據(jù)系統(tǒng)要求遠(yuǎn)程修改前端設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)。為了防止人工合分閘等操作帶來的單相暫態(tài)涌流導(dǎo)致的誤動(dòng)情況發(fā)生，系統(tǒng)還增添了“充電時(shí)間”判據(jù)，即系統(tǒng)正常運(yùn)行若干秒后才開始故障檢測(cè)，此外還增加了“不停電”判據(jù)，只有檢測(cè)到線路不停電狀態(tài)后才會(huì)給出接地故障報(bào)警，準(zhǔn)確性有大幅度提高。圖8為三相接地故障時(shí)電流波形，由圖可知在19∶26左右發(fā)生接地，系統(tǒng)歷史曲線反映了該接地判據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖8 三相接地電流波形

3.2 短路故障監(jiān)測(cè)原理

目前大部分指示器采用電流突變法來判定短路故障，其判據(jù)條件如下[10]：

(1)線路電流突變值。線路出現(xiàn)短路故障時(shí)，電流值會(huì)急劇變大，此時(shí)指示器就會(huì)檢測(cè)到突變的電流，當(dāng)該值大于系統(tǒng)中設(shè)定的指令電流時(shí)，即可認(rèn)為有突變電流。

(2)電流突變時(shí)間、線路“有電”時(shí)間和“停電”時(shí)間，三者綜合考慮來判定是正常停電還是故障原因引起的停電。

滿足上述條件時(shí)故障指示器才會(huì)給出短路報(bào)警故障，但該方法存在線路短路時(shí)電流逐漸變大，當(dāng)短路電流達(dá)不到系統(tǒng)檢測(cè)的最小閾值時(shí)會(huì)出現(xiàn)拒動(dòng)的情形。其次在某些短路情況下，當(dāng)線路帶有容性或感性負(fù)載時(shí)會(huì)出現(xiàn)反饋送電的情況，使系統(tǒng)出現(xiàn)誤動(dòng)。

根據(jù)上述判據(jù)的特點(diǎn)，智能配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)采用過流速斷法。該方法不論是接地短路還是農(nóng)網(wǎng)過流故障指示器均能檢測(cè)到故障并給出狀態(tài)指示。此外為了防止非故障線路因重合閘涌流導(dǎo)致的誤動(dòng)，系統(tǒng)還通過“充電”判據(jù)和“停電”判據(jù)作為參考條件之一[11]，其檢測(cè)原理如圖9所示。

圖9 短路故障電壓、電流波形圖

圖10為A相短路故障時(shí)電流波形，由圖可知在18∶34左右發(fā)生接地，系統(tǒng)歷史曲線反映了該短路判據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖10 A相短路電流波形

4 結(jié)束語

10 kV智能配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)線路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷，能準(zhǔn)確、快速定位出故障的類型、地點(diǎn)和時(shí)間。同時(shí)還能將故障信息通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至主站系統(tǒng)，并在后臺(tái)網(wǎng)管軟件和手機(jī)APP上進(jìn)行直觀顯示，方便運(yùn)維人員對(duì)故障點(diǎn)的快速查找和搶修，提高故障處理的工作效率。