配電架空線路故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的應用

張敏逸 國網江蘇省電力有限公司無錫供電分公司

新時期下，社會各行業(yè)領域對供電網絡服務質量的要求也日益提高。數據顯示：95%的停電事故是配電網故障所致。配電線路的接線十分復雜，尤其是較為偏遠的農村，配電線路往往分支較多，供電范圍廣，發(fā)生故障時無法第一時間隔離，嚴重影響供電的可靠性。安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)后，能夠在故障發(fā)生后迅速排查和隔離，縮短了停電時間，提高了服務質量。

一、配電架空線路故障在線監(jiān)測系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)共包含七部分：電纜型通信主機、系統(tǒng)軟件、電纜線路接地故障檢測終端、服務器、電纜線路短路故障檢測終端、通信交換機與面板指示器[1]。

在本系統(tǒng)中，檢測終端的部署位置大多選擇在電纜線路之上，負責收集負荷溫度、接地故障等信息，然后通過無線射頻的方式將這些信息傳送給電纜型通信主機，通過GPRS網絡，電纜型通信主機再把信息傳送到通信交換機，最后進入服務器。經過系統(tǒng)特定的功能軟件運算，會對處理好后的相關數據進行可視化展現，并進行報警措施，按照要求發(fā)送報警短信。故障發(fā)生后，檢修人員根據報警短信第一時間達到現場，對故障問題進行消缺，最大程度上降低用電損失的范圍，極大的減輕了檢修人員的勞動量，提高了配電架空線路的管理效率與自動化管理水平。

系統(tǒng)將單片機作為內核，可達到500萬次/s的計算速度，能夠準確測量出線路的電流。采用全數字的處理方式，無須將模擬電路作為判斷依據，精準度高，不容易受到外界因素的干擾。對通信故障指示器的相關技術參數進行設定之前，技術人員應展開實地調查，對電纜線路的對地電容、線路長度及電壓進行分析。而后根據分析所得出的結果設定最科學最準確的啟動值。用突變時間、突變電流以及線路停電作為進行電纜短路狀態(tài)監(jiān)測的一個判斷依據。若能夠最大程度上降低適用性問題帶來的不良影響，將避免由于配電價的繼電保護的整定值改變對后者用電負荷增加而影響監(jiān)測適用性的問題。

在一般情況下，相較于穩(wěn)態(tài)電容電流，架空線路的暫態(tài)電容電流及額度會高于其兩倍。而電纜線路的電容電流又是架空線路電容電流的20倍。如果在運行的過程中出現了接地故障，這會導致四十公里長的架空線路產生3安培的暫態(tài)電容電流以及1安培的穩(wěn)態(tài)電流。這將直接導致接地監(jiān)測系統(tǒng)的電容電流啟動值會下降至1安培。也就是說，在同一母線的情況下，10kv的線路的長度若高于40公里，接地監(jiān)測系統(tǒng)便能正式產生效用。而傳統(tǒng)的接地監(jiān)測電容電流啟動值最低是十安培，其靈敏度遠遠不如前者。二者相較而言，該系統(tǒng)的范圍更廣，靈敏度都更高，準確性更強。

二、在線監(jiān)測系統(tǒng)應具備的功能

（一）裝置管理

當在線監(jiān)測系統(tǒng)在配電架空系統(tǒng)中成果上線并得以發(fā)揮作用后，該系統(tǒng)應具備裝置管理的基本功能，從裝置管理的角度來分析，再進一步細分以后，可分為資產管理、裝接管理等多個類型。因為配電架空線路中構成要素的復雜性，在開展資產管理時又包含了終端、指示器等資產管理、檔案批量檢索等基本內容。裝接管理則以裝置安裝與拆除、轉換、調試為重點。裝置安裝的基本流程為：結合在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計要求和功能特點，進行對應的終端裝備配置，在此基礎上精準定位安裝點，在終端裝置與安裝點之間實現有效關聯；關聯監(jiān)測設備與各個監(jiān)測點。裝置拆除指的是終端裝置的拆除作業(yè)，就是將終端裝置和安裝點之間所存在的關聯關系加以解除。裝置置換為新終端裝置與安裝點之間的關聯關系構建；裝置調試是為了使得終端裝置可保持在穩(wěn)定的運行狀態(tài)下[2]。

（二）數據管理

在線監(jiān)測系統(tǒng)的運行過程中，監(jiān)測工作開展的同時會伴隨著大量的數據信息采集，監(jiān)測的過程也就是對這些數據信息的采集和管理過程。因此，數據管理也是在線監(jiān)測系統(tǒng)的一大突出功能，包含了任務編制、數據采集、終端裝置任務管理、漏點補充等基本內容，但任務編制中又細分為任務模塊和裝接默認任務，在任務模塊的設置上，要嚴格根據監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求、配電架空線路的結構特點來進行。當確定了任務模塊以后，根據不同任務的對接需求，進行對應的監(jiān)測裝置選擇和配置，獲得關于指示器和任務模塊之間的關系信息。

（三）運行管理

運行管理中以主站、設備和異常運行管理作為核心性的工作，其中，主站運行管理指的是監(jiān)測系統(tǒng)對主站運行狀態(tài)、通信信道、操作日志的實時管控過程。設備運行管理則為對終端裝置基本參數的設置過程，以通過參數的科學設置，將指示器服務地址與終端時鐘誤差控制在最小的范圍內。異常運行管理是對一切異常情況的監(jiān)測。

（四）統(tǒng)計分析

質量查詢、數據查詢和報文查詢是在線監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)計分析功能中的關鍵性內容，在開展質量查詢的過程中，可嚴格按照省級、市級、縣級等基本單位范圍，對電力企業(yè)的配網加以數據采集，進而在此基礎上進行配網數據完成率和合格率等指標的計算。數據查詢主要是提供配網線路基本的狀態(tài)和參數信息調取服務。

（五）系統(tǒng)權限管理

權限管理功能的存在使得在線監(jiān)測系統(tǒng)在配電架空線路的運行中更為安全，因為在完整的權限管理下，也就科學地劃分了每個操作人員的操作權限，避免了在線監(jiān)測系統(tǒng)中的異常入侵和訪問。

（六）終端升級

在線監(jiān)測系統(tǒng)還兼具終端升級的功能，進一步細分以后，這一功能下又細分為終端版本召測、審計任務申請審批、升級文件管理、終端升級任務執(zhí)行，不同流程之間的高度配合使得在在線監(jiān)測系統(tǒng)的運行過程中，能夠支持相應的升級任務，滿足在線監(jiān)測系統(tǒng)的終端配置要求。

三、配電架空線路故障監(jiān)測方法

（一）故障測距法

這是一種在線路端點位置測量故障距離的方式，測量方法有兩種：

1.阻抗法

配電架空線路故障發(fā)生后，通過技術手段對電壓與電流進行計算，以此能夠得出故障回路的阻抗，線路的長度和阻抗之間為正比關系，可估算出故障距離。阻抗法的優(yōu)勢是成本較低，盡管我國通過故障分量電流法、最小二乘法等方式優(yōu)化了阻抗法的測量精度，但受到路徑阻抗、電源參數、線路負荷等各因素的影響，阻抗法并不能排除多分支配電線路的故障點，只能應用于結構比較簡單的配網架空線路。

2.行波法

根據行波從故障點傳送到檢測點和故障距離的時間之間正相關的基本原理，可根據這一原理將行波法分為五種類型：①A型：利用故障所產生的行波來定位單端。②B型：通過時間差來對雙端進行定位，也就是在故障點位置生成的行波到達線路兩端的時間差值。③C型：通過信號注入的手段，在線路中任一位置注入信號，監(jiān)測注入點與故障點之間信號往返一次所需的時間，而后推算出故障的距離。④D型：根據故障暫態(tài)行波的雙端測距原理對現代行波故障距離進行測算[3]。⑤E型：斷路器重合閘在故障線路時會產生暫態(tài)行波，因此，據此原理對暫態(tài)行波在故障點和永久性故障點之間往返一次消耗的時間進行計算，從而推算出距離。

目前，行波法所用形態(tài)學法以及小波分析法都是常見的數據分析手段。盡管該方法有著良好的應用效果，但配電架空線路的網絡結構非常復雜，分支、折射和反射較多，因此直接導致行波的波形展現復雜多變，識別難度大，難以對故障點進行定位，在應用的過程中存在一定程度上的局限性。

（二）信號注入法

這是一種故障發(fā)生后，通過系統(tǒng)注入信號來定位故障的方法，主要有三種方式：

1. S注入法

故障發(fā)生后，將處于閑置狀態(tài)的電壓互感器進行交流信號的注入，然后檢測故障線路中信號的路徑、特點，對故障進行定位與測距。S注入法非常適用于線路上只安裝了兩相電流互感器的系統(tǒng)，但注入信號強度時，容易受到系統(tǒng)的限制，同時接地電阻比較大，產生的間歇性電弧會干擾檢測結果，還可能導致在系統(tǒng)二次接地，引起線路跳閘。

2.加信傳遞函數法

在故障發(fā)生的位置加入方波診斷信號，根據故障發(fā)生后電路拓撲結構的變化情況，再運用頻域分析法給故障定位，完成單端測距。頻域傳遞函數是加信傳遞函數法的關鍵所在，在中性點不接地的系統(tǒng)中，其優(yōu)勢是測距效果不會受到負載參數變化的影響，但是要想完成從理論到實踐的轉化，還存在諸多困難，所以應用并不廣泛。

3.端口故障診斷法

根據模擬電路斷口故障理論診斷線路故障，能夠減少工作量，在規(guī)模較大的網絡中具有一定的應用優(yōu)勢，但無法確定故障的距離，而且對數據通信的要求較高，實用性略差。

四、配電架空線路故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能設計

①在出現故障的導線中設置激光測距模塊，動態(tài)收集不同導線、不同區(qū)段的故障隱患點，然后將監(jiān)測到的數據和信息傳送到后臺系統(tǒng)。

②在故障隱患的桿塔中配備攝像裝置，攝像機能夠多角度旋轉，可全程監(jiān)測線路四周環(huán)境，檢修人員可以從后方清晰、直觀、實時的觀看各個線路與設備周圍的視頻。

③為了更好的對故障隱患發(fā)展的狀況進行分析，及時進行風險消缺和隱患控制，引入動態(tài)數據、趨勢分析法、歷史數據、現場視頻等方法功能。[4]

五、配電架空線路故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的應用與效果

（一）應用

系統(tǒng)的硬件構成如下：10臺通信主機、10組故障檢測終端、1套電纜線路故障監(jiān)測系統(tǒng)。在線監(jiān)測10條10kV的電纜線路，系統(tǒng)實現了四大功能：

①支持對接地故障的高效精準定位；并可以對故障電流、負荷電流、導線溫度、異常溫度的動態(tài)監(jiān)測與實時上傳。

②通過短信、聲光等報警方式對接地故障、電纜溫度越限等故障進行報警，同時還支持顯示故障的時間、類型，給故障定位。

③可以對各個分散的終端設備的時間進行統(tǒng)一校準，終端將在每天特定的時間進行系統(tǒng)自檢，自檢內容包括信息特征碼、沒有收到的自檢信息的終端編號以及通信主機的組號等，為終端的正常運行提供保障。

④擁有信息查詢、數據統(tǒng)計、數據擴展等一系列功能，還能分類和統(tǒng)計歷史數據，進行分時統(tǒng)計、各種條件的組合查詢等，還可以和饋線自動化系統(tǒng)等其他子系統(tǒng)聯合使用，提高了線路故障判斷的準確性，提高了故障的排查速度。

（二）檢測依據

①短路故障：在同時滿足It≥300A、I=0，0.02s≤△T≤3s條件的情況下，可判定為短路故障。It表示突變量電流值、I表示線路故障發(fā)生后的電流值、△T表示電流突變時間。

②接地故障：配電架空線路在接地相的電壓下降＞3KV，零序電流突變＞10A，分機通過無線射頻和主機完成數據通信，通過比較三相電流后計算出零序電流。

③過流或者負荷電流越限報警：線路瞬時的過流跳閘，但又能恢復正常供電，是判斷過流的重要依據。當負荷電流超出設定值，系統(tǒng)處于超負荷運行狀態(tài)時，應該立刻調整。

（三）效果

①為了提高電纜線路故障檢測的準確性，引入突變電流與零序電流檢測等方法。

②本系統(tǒng)支持“二遙”，可以感應取電，同時具備電纜通信、無線通信與光纖通信等功能，可以就地顯示出報警功能，能夠有效抗電磁干擾與勵磁涌流，顯著提高了電纜的自動化運行程度。

③系統(tǒng)能夠在線實時監(jiān)測電力電纜的運行狀況，并將監(jiān)測信息傳送到管理人員的手機上，對管理人員的工作難度進行了簡化，減少了人力的投入，同時也對端點修復的時間進行了縮短，提高了客戶的認同和滿意度，也提高了管理和運維的工作效率。

④在線監(jiān)測系統(tǒng)可以直觀的呈現數據信息，擁有報警、轉發(fā)報警短信、分析數據、生成報表等多種功能。

⑤該系統(tǒng)具有較強的兼容性和聯動性，支持與其他運行管理系統(tǒng)進行聯網，可以集成配電自動化系統(tǒng)、調度自動化系統(tǒng)以及GIS系統(tǒng)等軟件，允許多個部門使用故障監(jiān)測數據，通過持續(xù)、深入的研究系統(tǒng)，能夠為后續(xù)的自動化管理提供寶貴經驗。

六、結束語

隨著我國在電力科學上的研究和發(fā)展，信息化和自動化水平日益提高。在線監(jiān)測系統(tǒng)是一種能夠在配電架空線路故障中發(fā)揮重要作用的工具平臺，不僅具有診斷分析電路故障的功能，還能夠幫助電力企業(yè)簡化工作流程，構建科學可靠的運維體系。