高校供電系統(tǒng)故障檢測與診斷方法的研究

李 新，黃樹文，符寶夏

（廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530226）

0 引言

保證高校穩(wěn)定的供電服務(wù)對于保持高?？蒲信c教學(xué)工作平穩(wěn)運(yùn)行的意義重大，但考慮到高校用電具有特殊性，包括用電時間集中、用電季節(jié)性強(qiáng)以及用電性質(zhì)多樣等，上述問題都會增加供電系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險。因此為解決上述問題，則需要尋找一種科學(xué)、可行的故障檢測與診斷方法，這也是本文研究的主要目的。

1 高校供電系統(tǒng)故障檢測與診斷方法的實(shí)現(xiàn)

1.1 基于脈沖法的供電系統(tǒng)故障檢測

從技術(shù)原理來看，電信號在無限長且介質(zhì)均勻的傳輸線路中可保持恒定的傳輸速度，因此在持續(xù)性的電波傳輸中不會接收反射信號，但是在線路出現(xiàn)故障后則會導(dǎo)致線路的電波參數(shù)發(fā)生改變，相較于理想的電路狀態(tài)，故障線路下的行波電壓及電流之間的傳輸關(guān)系也會突變，最終導(dǎo)致電磁波出現(xiàn)反射與折射現(xiàn)象。

本文所介紹的脈沖法故障檢測與定位方法，可在短時間內(nèi)確定故障位置，一旦線路發(fā)生故障則會因?yàn)榫€路波阻抗值以及故障點(diǎn)的等效抗阻差值而出現(xiàn)不匹配現(xiàn)象。此時參照電磁波反射特性，一旦信號抵達(dá)故障點(diǎn)，則可通過識別接收反射信號與輸入信號之間的時間差，判斷時間t 與傳輸距離d 之間的配比，此時再計算脈沖信號的傳輸速度，就可以計算出故障點(diǎn)與脈沖輸入點(diǎn)的距離，實(shí)現(xiàn)故障定位與檢測。

1.2 故障檢測系統(tǒng)的總體構(gòu)成

本文介紹的高校故障系統(tǒng)故障檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的核心為高壓脈沖源模塊，該模塊采用220V 工頻交流電源，輸入交流電經(jīng)整流橋電路做濾波與整流后，將電流轉(zhuǎn)換為直流電。再在電壓傳導(dǎo)體系中增設(shè)導(dǎo)通二極管，并且在本次結(jié)構(gòu)設(shè)計中創(chuàng)新性使用絕緣柵雙極型晶體管，該裝置經(jīng)集成驅(qū)動模塊控制，所產(chǎn)生的脈沖信號均由單片機(jī)控制模塊發(fā)出控制信號，實(shí)現(xiàn)絕緣柵雙極型晶體管導(dǎo)通。該系統(tǒng)中的脈沖變幅模塊按照1:40 配比處理后，脈沖變幅模塊在二次端制造一個高壓脈沖信號并從測試端輸入電纜線路中。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的輸出模塊經(jīng)單片機(jī)控制，共包含5 個液晶管，顯示屏可以顯示輸電線路的高壓脈沖信號頻率與脈寬以及脈沖的發(fā)射狀態(tài)，并支持技術(shù)人員對故障檢測與定位的遠(yuǎn)程控制。

1.3 高壓脈沖源的功能

由于本次設(shè)計中采用脈沖法做功能定位，利用脈沖波在供電系統(tǒng)中的均速傳播則可以統(tǒng)計信號輸入與輸出中的差值，進(jìn)而計算故障點(diǎn)與測試端的間距。本次供電系統(tǒng)故障檢測中應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：①系統(tǒng)通過高壓脈沖輸入高壓脈沖后，系統(tǒng)可記錄脈沖信號并調(diào)節(jié)脈寬、頻率等關(guān)鍵參數(shù)。②在輸入與輸出功能設(shè)定中，系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場測試要求設(shè)置脈沖參數(shù)，并且系統(tǒng)支持運(yùn)行與停止等顯示操作的要求[1]。③可提供反射脈沖信號接收與后續(xù)數(shù)據(jù)處理要求等。

1.4 關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計方案

1.4.1 芯片選擇方案

本次供電系統(tǒng)故障檢測系統(tǒng)的主要功能依照AT89C52 芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片可提供故障檢測定位以及遠(yuǎn)程控制的相關(guān)功能。芯片的輸入電壓參數(shù)為5V，工作電流5mA，內(nèi)部布設(shè)32 個I/O 輸入輸出端口。

1.4.2 絕緣柵雙極型晶體管設(shè)計

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）電子元件具有強(qiáng)大的電流信號處理能力，并且與常規(guī)裝置相比，絕緣柵雙極型晶體管還具有反應(yīng)速度快、驅(qū)動過程簡易、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。本文所選擇的絕緣柵雙極型晶體管裝置具有施加?xùn)艠O電壓控制的功能，元件參數(shù)為300A/1200V，內(nèi)部電路為續(xù)流二極管且可以反向并聯(lián)于絕緣柵雙極型晶體管元件的連接方式。上述特殊結(jié)構(gòu)使裝置具有強(qiáng)大的電流反向恢復(fù)性能。

在該裝置選擇期間，格柵部分的驅(qū)動電壓值是用于評價功能的重要依據(jù)，并且隨著驅(qū)動電壓值的增加，導(dǎo)致裝置傳導(dǎo)阻抗降低，相應(yīng)的電能損耗值也會明顯下降。并且應(yīng)注意的是，在正向驅(qū)動作用下所產(chǎn)生的電壓大于元件承受的臨界值時可能會導(dǎo)致元件內(nèi)發(fā)生短路，導(dǎo)致門電路不能正常工作甚至?xí)鹪膿舸┖蛽p壞。

1.4.3 定時器軟件設(shè)計

本次設(shè)計中使用的阮詩琪軟件由時空單片機(jī)控制，該裝置可通過定時器的開啟或者中斷等動作控制時間間隔數(shù)值。在本次功能設(shè)定中，定時器T0 可以記錄按鍵與液晶管掃描以及數(shù)字屏幕輸出功能；為滿足系統(tǒng)檢測與功能處理要求，在本次設(shè)計中設(shè)定的電纜故障檢測定位的掃描間隔為1ms。

系統(tǒng)中脈沖信號的產(chǎn)生與輸出則可以借助T1 與T2 定時器實(shí)現(xiàn)其控制功能。其中定時器T1 工作置于高電平方式1，其計時功能利用多個功能位點(diǎn)實(shí)現(xiàn)；定時器T2 則采用捕獲運(yùn)行方式（16bit 定時/計數(shù)方式）。在上述結(jié)構(gòu)下T1 的計時功能可以判斷絕緣柵雙極型晶體管軟件是否處于短路狀態(tài)，此時以脈沖電平變化的周期間隔為最終的定時時間，此時當(dāng)T1 定時器檢測結(jié)果證實(shí)脈沖發(fā)射數(shù)量滿足設(shè)計要求并停止發(fā)射；而在固定時間內(nèi)沒有完成脈沖發(fā)射，則可啟動T2 計數(shù)器進(jìn)入計時狀態(tài)。

1.4.4 故障信號接收模塊

連接故障電纜與信號接收裝置后，系統(tǒng)的故障信號可先由能夠耐高壓的整流電路整流，再接入光隔離器進(jìn)行電氣隔離。上述設(shè)計方案的目的是有效降低輸出信號電壓值，避免因?yàn)樾盘栯妷褐灯叨斐珊蠓窖b置損壞。為確保單片機(jī)可單獨(dú)中斷及時，海旭對輸出信號的方波進(jìn)行處理，本文采取整形電路方法，該裝置的輸出將作為外部中斷源輸入單片機(jī)當(dāng)中。

1.4.5 輸入與輸出模塊設(shè)計

顯示模塊的功能是顯示高壓脈沖信號的相關(guān)參數(shù)值以及脈沖源運(yùn)行情況等，工作人員也可以根據(jù)顯示模塊記錄的信息分別調(diào)控脈沖寬度、周期長度與脈沖發(fā)射個數(shù)等[2]。為實(shí)現(xiàn)上述功能，在本次設(shè)計中選擇5個7 段共陰極數(shù)碼管，所有數(shù)碼管經(jīng)ULN2003 型液晶管驅(qū)動，現(xiàn)場觀察結(jié)果證實(shí)整個模塊的顯示效果滿意。在輸入按鍵功能設(shè)計中，按鍵鍵盤直接介入系統(tǒng)電路，上方安裝5 個按鍵，每個按鍵的功能介紹如表1 所示。

表1 按鍵功能介紹

1.5 軟件功能設(shè)計

1.5.1 故障狀態(tài)判定

（1）判定系統(tǒng)的短路故障。在系統(tǒng)啟動后為避免因?yàn)檎Ｋ碗姞顟B(tài)下的電流量變化而導(dǎo)致故障診斷結(jié)果失真，在軟件功能設(shè)計中所設(shè)定的故障檢測方案為：系統(tǒng)先記錄線路的預(yù)設(shè)閾值，先做線路故障狀態(tài)評估，此時當(dāng)系統(tǒng)檢測線路的電流變化率超過設(shè)定值時，可自動延時l 時長（此時的l 時長應(yīng)大于線路前方開關(guān)重合閘時間），之后再次判斷電流量是否為零，此時若發(fā)現(xiàn)不為零，即可認(rèn)為線路存在過流情況或者瞬間短路故障；但如果系統(tǒng)顯示電壓值為零，即可判斷線路停電。

（2）單相接地故障判定方案。本系統(tǒng)通過檢測高校輸電線路的電流尖峰值判斷有無單相接地故障情況，同樣為避免正常條件下因?yàn)殡娏鞑▌佣斐傻恼`判，本文選擇在暫態(tài)電流下實(shí)施檢測，根據(jù)系統(tǒng)評估結(jié)果判斷是否存在接地故障。

整個檢測流程如下：系統(tǒng)先識別線路運(yùn)行狀態(tài)，若檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)線路的電壓值大于等于預(yù)設(shè)閾值，即可認(rèn)定線路無異常；若發(fā)現(xiàn)暫態(tài)電容電流大于設(shè)定值后，系統(tǒng)需先觀察電壓是否有逐漸降低的發(fā)展趨勢，若變化量低于預(yù)設(shè)值時需先判斷線路是否可維持正常供電（這是因?yàn)橄到y(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時，若線路未產(chǎn)生保護(hù)動作，系統(tǒng)可能繼續(xù)運(yùn)動一段時間），若發(fā)現(xiàn)線路依然有電流，即可認(rèn)為線路下游存在單相接地等故障[3]。

1.5.2 數(shù)據(jù)采集器通信軟件設(shè)計

本次系統(tǒng)設(shè)計中所采用的數(shù)據(jù)采集器通信軟件主要包括兩個通信部分，分別為Si4432 模塊與GRPS 模塊。其中，Si4432 模塊的軟件設(shè)計與定位終端通信部分軟件設(shè)計相同，而GPRS 模塊內(nèi)部則布設(shè)了可以專門執(zhí)行特殊操作指令的內(nèi)嵌活動棧，其目的是在網(wǎng)絡(luò)條件差或者轉(zhuǎn)接延時等情況下依然可以快速傳輸供電系統(tǒng)電路資料，方便相關(guān)人員第一時間抵達(dá)現(xiàn)場解決問題。

1.5.3 后臺主系統(tǒng)軟件設(shè)計

后臺主系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、后臺數(shù)據(jù)處理模塊、可視化程度3 個部分組成，其中的數(shù)據(jù)處理模塊以及可視化程序均由VB 軟件編譯而成，并在編寫過程中最大限度上利用電網(wǎng)公司現(xiàn)有配網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源，達(dá)到降低工作量的效果，支持復(fù)雜條件下的信息查詢與記錄功能[4]。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計中，可以用于存儲、管理整個供電故障檢測系統(tǒng)的所有信息，采用SQL2000軟件開發(fā)，提供XML 支持，且在數(shù)據(jù)存儲中展現(xiàn)出良好的可用性與安全性功能。

該后臺主系統(tǒng)可支持多個功能，后臺主系統(tǒng)功能如表2 所示。

表2 后臺主系統(tǒng)功能

1.6 系統(tǒng)故障集中控制

為降低故障對整個高校供電系統(tǒng)造成的破壞，在本次系統(tǒng)設(shè)計中采用集中控制方式，即通過傳感裝置采集現(xiàn)場故障信息后，再將故障檢測數(shù)據(jù)經(jīng)邏輯通道發(fā)送至控制中心，由控制中心按照開關(guān)器件的狀態(tài)以及故障檢測結(jié)果、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析，判斷故障區(qū)的故障數(shù)據(jù)狀態(tài)，工作人員即可下達(dá)遙控指令，經(jīng)遠(yuǎn)程控制方法直接跳開故障區(qū)兩側(cè)的開關(guān)器件并重合出線位置的開關(guān)器件，達(dá)到器件閉合狀態(tài)。

根據(jù)現(xiàn)有的成功經(jīng)驗(yàn)，在高校供電系統(tǒng)作為子站，可與主站之間實(shí)現(xiàn)故障定位與隔離、恢復(fù)供電等功能，在子站系統(tǒng)中增設(shè)故障檢測（FDIR）系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)所轄范圍內(nèi)的故障定位與隔離，此時當(dāng)配電網(wǎng)中的多個子站同時出現(xiàn)故障時，需要啟動主站內(nèi)的故障檢測裝置，此時FDIR 系統(tǒng)的功能主要包括：①做故障自動定位，系統(tǒng)記錄開關(guān)跳閘狀態(tài)信息后快速判斷故障區(qū)域。②自動隔離故障，將供電系統(tǒng)故障影響范圍控制在最小狀態(tài)，系統(tǒng)經(jīng)人機(jī)交互或者自動解決等方法實(shí)現(xiàn)故障區(qū)域的自動隔離[5]。③快速恢復(fù)上游停電區(qū)的正常供電，即系統(tǒng)經(jīng)檢測后判斷故障區(qū)段是否與已經(jīng)跳閘的開關(guān)器件直接連接，如果沒有連接，則會要求進(jìn)行合閉，因此可在短時間內(nèi)恢復(fù)上游區(qū)域正常供電。

2 應(yīng)用實(shí)例評價

為綜合評估基于脈沖法供電系統(tǒng)故障檢測與診斷方法的應(yīng)用價值，本文將結(jié)合某高校的實(shí)際情況展開判斷。

2.1 單相接地故障評估

某高校內(nèi)部有多條10kV 分支線路，因?yàn)榫€路的分布廣且人力資源不足，導(dǎo)致故障排除難度大。

之后經(jīng)過現(xiàn)場勘查以及技術(shù)可行性評估，決定在線路上安裝10 組故障定位終端，其中主干線上2 組，其余分散安裝在支線段與分叉位置。在2022 年8 月某日，當(dāng)?shù)卮笥辏瑢?dǎo)致變電站10kV 母線發(fā)生單相失地現(xiàn)象，調(diào)度通過查詢站內(nèi)選線裝置信號，確定單相接地故障發(fā)生在高校10kV 配電網(wǎng)上。之后運(yùn)維人員隨即到主站臺了解故障數(shù)據(jù)，根據(jù)故障定位結(jié)果顯示，故障出現(xiàn)在線路#31 桿與#37 桿之間，為B 相故障。運(yùn)維根據(jù)系統(tǒng)反饋結(jié)果立即拉#31 桿開關(guān)，有效解決故障，同時后臺主站的實(shí)時更新數(shù)據(jù)也證明故障消失。在本次故障處理中，故障從發(fā)生至消失的整個過程大約需要半個小時。最后根據(jù)運(yùn)維人員現(xiàn)場觀察，最終確定了故障點(diǎn)為#33 號桿。

2.2 短路故障應(yīng)用實(shí)例

短路是高校供電系統(tǒng)運(yùn)維管理中的常見問題，本系統(tǒng)的應(yīng)用可顯著降低短路故障發(fā)生率，例如根據(jù)某高校2022 年7 月某次降雨天為例，因?yàn)榻涤陮?dǎo)致供電系統(tǒng)短路故障，變電站跳閘。根據(jù)運(yùn)維人員觀察發(fā)現(xiàn)，高校直線#5 至#13 號桿之間存在故障，之后立即拉開對應(yīng)的分段開關(guān)，隔離故障線路后申請試送變電站，結(jié)果顯示非故障線路恢復(fù)正常。最后根據(jù)檢查觀察發(fā)現(xiàn)，本次故障是因?yàn)閺?qiáng)風(fēng)降雨導(dǎo)致樹木折斷而破壞輸電線桿所致。

3 結(jié)語

根據(jù)應(yīng)用實(shí)例的成功經(jīng)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，本文所介紹的供電系統(tǒng)故障檢測與診斷方法充分發(fā)揮脈沖法的技術(shù)優(yōu)勢，具有響應(yīng)速度快、數(shù)據(jù)精度高等優(yōu)勢，可精準(zhǔn)評估故障的位置，對于保證高校正常用電的意義重大，是一種科學(xué)方法，可顯著提升高校用電服務(wù)水平，值得做進(jìn)一步推廣。