物聯(lián)網(wǎng)在配電網(wǎng)故障定位中的應(yīng)用

王世松

摘 ?要：該文首先介紹了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在配電網(wǎng)故障定位中的發(fā)展現(xiàn)狀，然后分析了中性點不接地系統(tǒng)單相接地和諧振接地系統(tǒng)小電流故障兩種常見的配電網(wǎng)故障，最后根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特點，設(shè)計了一個基于物聯(lián)網(wǎng)的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)。試運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用效果，具有重要的應(yīng)用推廣價值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) ?配電網(wǎng) ?故障定位

中圖分類號：TP399 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）03（b）-0016-02

智能電網(wǎng)是在傳統(tǒng)電網(wǎng)的基礎(chǔ)上增加各類智能化設(shè)備，使電網(wǎng)的運(yùn)營管理實現(xiàn)自動化和智能化。由于電網(wǎng)中涉及到大量的狀態(tài)參數(shù)，如何采集并匯集這些數(shù)據(jù)成為一大難點。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以很好地解決這個問題，通過在電網(wǎng)線路中布設(shè)傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，即可實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備的互連[1]。通過對數(shù)據(jù)的分析，可以高效識別配電網(wǎng)故障位置?？紤]到我國配電網(wǎng)中的故障絕大多數(shù)是瞬時單相接地，因此該文也是以此為重點展開研究的。

1 ?國內(nèi)外研究動態(tài)

智能電網(wǎng)是當(dāng)前全球電網(wǎng)的重要發(fā)展方向，而物聯(lián)網(wǎng)則是近年興起的設(shè)備互連技術(shù)，兩者的融合發(fā)展成為必然的結(jié)果。世界各國都把智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為國家戰(zhàn)略來發(fā)展，部署了大量示范工程。為了進(jìn)一步適應(yīng)電網(wǎng)和其他應(yīng)用領(lǐng)域的需求，不少學(xué)者提出了許多新的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，通過對電力系統(tǒng)的多維采集實現(xiàn)了對智能電網(wǎng)的智能監(jiān)控[2]。我國提出的堅強(qiáng)電網(wǎng)是一個具有中國特色的智能的電力系統(tǒng)，它與我國當(dāng)前的電網(wǎng)實際相吻合，是電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用是實現(xiàn)堅強(qiáng)電網(wǎng)的技術(shù)保障，因此我國對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用投入了大量的資金。目前，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)實現(xiàn)了高壓電力檢測、遠(yuǎn)程抄表、智能家居、安防監(jiān)控等一系列的應(yīng)用，成為推動智能電網(wǎng)建設(shè)的強(qiáng)大動力。

配電網(wǎng)是電網(wǎng)系統(tǒng)的故障高發(fā)區(qū)域，因此配電網(wǎng)的故障定位技術(shù)一直是相關(guān)學(xué)者的研究焦點，目前已經(jīng)提出了一系列的定位算法，初步形成了理論體系。例如小電流故障定位技術(shù)、在線故障定位技術(shù)，具體有行波法、信號注入法、故障指示器法等。隨著研究的深入，許多定位算法不斷得到改進(jìn)，形成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、粗糙集等更加先進(jìn)的故障定位理論，但這些方法由于理論上仍需要完善，因而未能實用化[3]。不同的國家和地區(qū)由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不同，其故障檢測方法也有所差異，很難找到一個統(tǒng)一的理論或方法進(jìn)行故障定位。

2 ?配電網(wǎng)故障特征分析

2.1 中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障

所謂中性點不接地系統(tǒng)，是指變壓器的中性點處于懸空狀態(tài)，不接任何導(dǎo)線，因此與大地之間是不存在電氣連接的，但是對地電容是有電流的。一般來說，可以認(rèn)為電網(wǎng)三相對稱，在正常工作的情況下，三相線路的零電流均沒有零電流，即零電流是零。如果出現(xiàn)單相接地故障，電網(wǎng)三相的對稱性就被破壞，不平衡的電流流經(jīng)各線路形成零電流。

在單相接地故障的狀態(tài)下，非對稱的三相電壓會表現(xiàn)了一個零序電壓，該電壓相應(yīng)誘導(dǎo)出零序電流，并且可以根據(jù)正常線路來計算零序電流的大小，即求和后取相反數(shù)。零序電流是隨著距離的增加而不斷衰減的，以故障點為圓心，距離越大，零序電流越小。因此，可以根據(jù)這些特點來定位故障點的位置。由于零序電流和電壓的相位恰好是滯后或超前90°的關(guān)系，因此只要找到兩個相位的分界點，就可以判斷為故障點。

2.2 諧振接地系統(tǒng)小電流故障

在諧振接地系統(tǒng)小電流故障分析中，通常假設(shè)不存在弧光現(xiàn)象造成的干擾，因此可以將故障點流過的暫態(tài)故障電流分成兩部分：一部分是來自對地電容，另一部分是來自消弧線圈電感。這兩部分可以分別進(jìn)行計算。在單相接地故障出現(xiàn)的情況下，非對稱電壓的會引發(fā)相應(yīng)的故障電流，但這個暫態(tài)故障電流從產(chǎn)生到穩(wěn)定需要一個過程。

目前一些變壓器的中性點并非不接地，但也不是直接接地，而是在中性點與地之間串聯(lián)一個消弧線圈，這會引入一定的補(bǔ)償效應(yīng)而無法直接識別零序電流。但如果對消弧線圈的電抗值進(jìn)行調(diào)控，即可在一定的范圍內(nèi)改變中性點電壓，盡管正常線路的對地電容與調(diào)控前的電流不一致，但調(diào)控后的值在當(dāng)量上是相等的。因此，如果檢測到零序電流當(dāng)量變化與補(bǔ)償電流一致的測點時，即可判定出現(xiàn)了單相永久接地故障。

3 ?故障定位統(tǒng)設(shè)計分析

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)主要由兩大部分構(gòu)成，分別為監(jiān)控中心和監(jiān)控終端。其中，監(jiān)控中心又包括各種服務(wù)器，可以完成通信、數(shù)據(jù)存儲和處理分析等任務(wù);監(jiān)控終端由大量的傳感器構(gòu)成，由無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互連，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心。傳感器的布設(shè)應(yīng)根據(jù)線路的區(qū)段劃分來確定，可根據(jù)經(jīng)驗在故障率較高的區(qū)段加密布設(shè)。一旦線路某區(qū)段發(fā)生故障，采集到的信號會立即通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心的應(yīng)用服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后根據(jù)判據(jù)進(jìn)行分析，同時將故障點顯示出來，實現(xiàn)故障點的定位。

3.2 時鐘同步方案

時間差是故障定位的重要參數(shù)之一，但不同的設(shè)備之間的內(nèi)部時鐘總是會有誤差的，因為每個設(shè)備都有著獨(dú)立的晶體振蕩單元，這些晶體振蕩頻率不可能完全一致，經(jīng)過長期的積累后必然會造成明顯的時鐘誤差。另外，設(shè)備的工作溫度也對時鐘精度有較大的影響。因此，為了實現(xiàn)配電網(wǎng)中的故障定位，必須對時鐘進(jìn)行同步校準(zhǔn)。該文采用的方案是在通信報文中加入一個單獨(dú)的字段用于標(biāo)記時間戳，應(yīng)用服務(wù)器在收到報文會根據(jù)設(shè)備之間的時間差對各設(shè)備進(jìn)行定期校準(zhǔn)。

3.3 數(shù)據(jù)同步采集方案

所謂數(shù)據(jù)的同步采集，顯然要求做好兩個方面的工作，即同步和傳輸。目前在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中常用的同步采集方案有GPS和WSN，但無論哪種方案都不是萬能的，都有著不同的優(yōu)缺點。為了提高同步采集的精度，該文根據(jù)配電網(wǎng)區(qū)段定位的特征，采取了多級同步的設(shè)計方案。在區(qū)段比較大的位置，由于傳感器布設(shè)間隔較大，可采集高精度GPS作為同步信號源;對于區(qū)段較小的節(jié)點，由于傳感器布設(shè)較密集，誤差范圍相對較小，因此采用WSN時間同步協(xié)議進(jìn)行同步即可滿足定位精度，降低能耗和硬件投資成本。

4 ?故障定位統(tǒng)的應(yīng)用

為了檢驗該系統(tǒng)的有效性，在某10kV配電網(wǎng)中進(jìn)行了試運(yùn)行。配電網(wǎng)采用了標(biāo)準(zhǔn)380V三相電源，升壓得到10kV電壓，與安裝了傳感器的母線直接相連，零序電壓檢測器接在傳感器的末端。目標(biāo)線路上布設(shè)了多個測點，采用零序電流檢測器分別進(jìn)行測量。依次讓每個區(qū)段出現(xiàn)單相接地故障，傳感器可以及時準(zhǔn)確地采集故障信號，應(yīng)用服務(wù)器響應(yīng)及時，預(yù)警和定位準(zhǔn)確。盡管信號中帶了明顯的隨機(jī)噪聲，但其諧波相位不大，對故障定位的影響不大。

5 ?結(jié)語

智能電網(wǎng)的應(yīng)用是電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使智能電網(wǎng)的管理不再困難。但配電網(wǎng)故障定位的準(zhǔn)確性是建立在高質(zhì)量算法基礎(chǔ)之上的，當(dāng)前的定位算法雖然可以滿足一些常規(guī)的故障分析需求，但對于大型配電網(wǎng)和更加精確的故障定位，這些算法仍需進(jìn)行不斷的改進(jìn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，配電網(wǎng)故障定位技術(shù)也將不斷完善，成為配電網(wǎng)日常管理的重要輔助手段。

參考文獻(xiàn)

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