智能電網(wǎng)架空線路故障定位

1、智能電網(wǎng)架空線路故障在線檢測(cè)與分段定位系統(tǒng)引言： 架空線作為輸配電的重要環(huán)節(jié)，由于種種原因時(shí)常出現(xiàn)接地、短路故障，給用戶的安全生產(chǎn)帶來了極大的隱患。故障分析法中的單端測(cè)距算法，由于受信息量的影響，故障點(diǎn)定位精度受系統(tǒng)運(yùn)行方式和過渡電阻的影響，效果不甚理想。目前對(duì)于故障點(diǎn)的檢測(cè)與定位主要是線路故障指示器。由于故障指示器只有故障翻牌功能，而沒有自動(dòng)發(fā)射、傳輸功能。另外出現(xiàn)的一些線路故障定位系統(tǒng)，也是利用故障指示器實(shí)現(xiàn)線路故障分段定位，并采用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)通信方式進(jìn)行傳輸，即多點(diǎn)發(fā)射方式，因此運(yùn)行費(fèi)用高，不適用于長距離供電線路。為此，在現(xiàn)有線路故障檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，采用新興的ZigBee 無線

2、發(fā)射模塊自成獨(dú)立信息傳輸系統(tǒng)，達(dá)到信號(hào)可靠傳輸又能降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的目的。ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。 針對(duì)目前架空線路故障檢測(cè)準(zhǔn)確性低和借助GSM 通信網(wǎng)絡(luò)傳輸線路故障信息成本高的現(xiàn)狀，介紹了以工控機(jī)為核心的架空線路故障在線檢測(cè)與分段定位系統(tǒng)。將軟件與硬件結(jié)合、電流變化率與零電流檢測(cè)方法并用，提高了線路短路故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性; 將相電壓信號(hào)與5 次諧波電流信號(hào)相融合，提高了接地故障檢測(cè)線路的準(zhǔn)確性; 采用Zigbee 無線傳輸芯片制成獨(dú)立的信號(hào)傳輸系統(tǒng)，既降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本，又保證了信

3、號(hào)的可靠傳輸。以組態(tài)王6. 51 軟件為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)出了具有多種功能的監(jiān)控程序和顯示畫面。工控機(jī)（Industrial Personal Computer，IPC）即工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是一種采用總線結(jié)構(gòu)，對(duì)生產(chǎn)過程及機(jī)電設(shè)備、工藝裝備進(jìn)行檢測(cè)與控制的工具總稱2 系統(tǒng)基本組成 安裝在輸電線路桿塔上的諸多裝置主要完成線路短路故障、接地故障的檢測(cè)，以及故障信號(hào)的無線傳輸。每個(gè)裝置都設(shè)定有地址編碼，根據(jù)地址編碼就可實(shí)現(xiàn)故障的分段定位。通過裝置內(nèi)部的Zig-Bee 無線通信模塊，自成獨(dú)立的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，故障信號(hào)以逐級(jí)、接力方式傳輸給變電站的收發(fā)器，再經(jīng)過有線方式將收發(fā)器接收到的信號(hào)送給變電站工控機(jī)，由工

4、控機(jī)對(duì)故障信息進(jìn)行分析、處理。當(dāng)圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 發(fā)生故障時(shí)，可進(jìn)行聲音報(bào)警，并顯示、保存或打印故障類型和故障點(diǎn)位置，為排查線路故障和分析故障原因提供依據(jù)。同時(shí)變電站工控機(jī)還將故障信息送給收發(fā)器，通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給線路維護(hù)人員的手機(jī)上，通知維護(hù)人員進(jìn)行線路檢修。這樣既少占通信網(wǎng)絡(luò)資源，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，又可實(shí)現(xiàn)快速查找故障，及時(shí)對(duì)線路的維護(hù)，減少停電時(shí)間，提高供電系統(tǒng)的可靠性。 并且根據(jù)需要，變電站的工控機(jī)還可通過網(wǎng)線與生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，可隨時(shí)顯示、打印和存儲(chǔ)檢測(cè)數(shù)據(jù)，使生產(chǎn)調(diào)度人員及時(shí)了解線路的運(yùn)行情況。另外，該系統(tǒng)還具有對(duì)信號(hào)傳輸?shù)淖詸z功能。即通過軟件編程，工控機(jī)以應(yīng)答方

5、式對(duì)各個(gè)點(diǎn)進(jìn)行定期巡檢，以便及時(shí)了解各個(gè)裝置的工作情況，以便發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理，保證系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)目煽抗ぷ鳌? 故障檢測(cè)1) 短路故障檢測(cè)原理線路電流理想變化曲線，如 下圖2示：圖2 線路電流理想變化曲線圖中，Ig為線路的工作電流; Imax為線路的最大工作電流; IS為線路短路電流; t0 t1為保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間; t2 t3為重合閘裝置動(dòng)作時(shí)間。線路正常時(shí)，工作電流在Ig附近變化，一般不超過最大電流Imax。如果在t0時(shí)刻發(fā)生短路故障，線路電流立刻由工作電流Ig陡升到短路電流IS，經(jīng)過t0到t1后，速斷保護(hù)裝置動(dòng)作，電流在t1刻降為0，切斷短路電流。通常變電站出線端還裝設(shè)有重合閘裝置，則經(jīng)過

6、t2到t3后重合閘動(dòng)作。若為瞬間短路故障，重合閘時(shí)故障消失，電流恢復(fù)為Ig，重合閘成功; 若為非瞬間短路故障，在t2瞬間短路電流未消除，經(jīng)t2到t3后電流又降為0，重合閘失敗。 通常負(fù)荷增加時(shí)電流的變化率明顯小于短路故障時(shí)的電流變換率，因此，可根據(jù)電流變化率區(qū)分短路與負(fù)荷增加情況。但為了可靠起見，利用零電流信號(hào)判別短路故障，即在檢測(cè)到較大的電流變換率后，延時(shí)1 s 左右再檢測(cè)線路電流信號(hào)，如果線路電流為零，則認(rèn)為是短路故障; 如果線路電路不為零，則認(rèn)為是線路負(fù)荷增大引起的電流變化，或雖然線路發(fā)生了瞬間短路，但保護(hù)裝置重合閘成功，則不作為短路故障處理。 2) 接地故障檢測(cè)：原理目前現(xiàn)有單相接地故

7、障的檢測(cè)方法主要包括零序電流法、電容電流法、首半波法、五次諧波法和信號(hào)注入法等。當(dāng)線路的某一相發(fā)生接地時(shí)，則該相電壓降低，使三相電壓不對(duì)稱，通常配電網(wǎng)的負(fù)荷中都有感性負(fù)載，線路電流產(chǎn)生畸變，產(chǎn)生大量的高次諧波電流，即出現(xiàn)3，5，7，諧波。但由于6 66 kV 配電網(wǎng)屬于中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)，所以三次諧波電流無法通過，而其他的諧波分量占的比例很小，因此接地時(shí)五次諧波最為明顯。為此，采用五次諧波電流法，即通過檢測(cè)線路電流，提取五次諧波分量，根據(jù)五次諧波電流的大小判斷出接地故障，其檢測(cè)電路，如圖3 所示。圖3 5 次諧波電流檢測(cè)示意圖 首先經(jīng)特殊的開口式電流互感器對(duì)線路電流進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)選頻電路將五次

8、諧波分量分離出來，再經(jīng)整流電路變?yōu)橹绷麟妷盒盘?hào)，最后經(jīng)比較電路輸出。由于線路中非線性負(fù)載的存在，線路正常時(shí)也可能存在一定的高次諧波電流，這里采用比較輸出。根據(jù)正常時(shí)五次諧波電流的預(yù)測(cè)值確定比較器的基準(zhǔn)值，當(dāng)五次諧波電流大于或等于比較器的基準(zhǔn)值時(shí)，輸出為高電位，則判定為接地故障; 否則，輸出為低電位，判定為非接地。另外，為進(jìn)一步提高接地故障檢測(cè)的可靠性，還對(duì)電路相電壓進(jìn)行檢測(cè)，并作為判定接地故障的必要條件之一，當(dāng)線路電壓降低為正常時(shí)的80 %，同時(shí)五次諧波電流檢測(cè)電路輸出為高電位，此時(shí)才判定為接地故障，其他情況為非接地故障。4 監(jiān)控主機(jī)軟件開發(fā) 1) 軟件平臺(tái)該系統(tǒng)以組態(tài)王6. 51 軟件為開發(fā)

9、平臺(tái)，設(shè)計(jì)出了具有通信、故障顯示、數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)、短信發(fā)送等多種功能的監(jiān)控程序和顯示畫面。組態(tài)王是新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件，它以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)，具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、開發(fā)周期短等特點(diǎn)。組態(tài)王軟件結(jié)構(gòu)由工程管理器、工程瀏覽器及運(yùn)行系統(tǒng)三部分構(gòu)成。工程管理器：用于新工程的創(chuàng)建和已有工程的管理，對(duì)已有工程進(jìn)行搜索、添加、備份、恢復(fù)以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)詞典的導(dǎo)入和導(dǎo)出等功能。工程瀏覽器：是一個(gè)工程開發(fā)設(shè)計(jì)工具，用于創(chuàng)建監(jiān)控畫面、監(jiān)控的設(shè)備及相關(guān)變量、動(dòng)畫鏈接、命令語言以及設(shè)定運(yùn)行系統(tǒng)配置等的系統(tǒng)組態(tài)工具。運(yùn)行系統(tǒng)：相當(dāng)于工程運(yùn)行界面，從采集設(shè)備中獲得通

10、訊數(shù)據(jù)，并依據(jù)工程瀏覽器的動(dòng)畫設(shè)計(jì)顯示動(dòng)態(tài)畫面，實(shí)現(xiàn)人與控制設(shè)備的交互操作。2) 軟件功能及其實(shí)現(xiàn) ：本軟件包含通信功能、故障顯示功能、數(shù)據(jù)庫功能、短信發(fā)送功能等幾大模塊。除了通信功能之外，其他功能都有各自的獨(dú)立界面，可通過主界面自由切換。其中，前3 個(gè)為故障顯示畫面，其余4 個(gè)分別為歷史報(bào)警畫面、數(shù)據(jù)庫顯示畫面、短信發(fā)送畫面和退出按鈕。畫面主頁包含7 個(gè)轉(zhuǎn)換界面，如圖4 所示。圖4 畫面主頁 通信功能: 當(dāng)線路出現(xiàn)接地、短路等故障狀態(tài)時(shí)，檢測(cè)裝置便可檢測(cè)到變化的特征信號(hào)，并將故障編碼通過內(nèi)置ZigBee 無線發(fā)射模塊發(fā)射出去，并以無線方式經(jīng)過逐級(jí)傳遞傳送到變電站的收發(fā)器，再以有線方式送給工控

11、機(jī)，經(jīng)串行口工控機(jī)可對(duì)故障信號(hào)的采集。通信程序用VB 編寫，其主要功能是通過計(jì)算機(jī)串口接收由協(xié)調(diào)器傳來的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理，最后將數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控系統(tǒng)去進(jìn)行顯示、報(bào)警等。 故障顯示功能：編程時(shí)首先進(jìn)行設(shè)備變量的定義，通過設(shè)備變量的狀態(tài)變化顯示不同的故障類型。故障顯示分為圖形顯示和報(bào)表顯示兩種。a 圖形故障顯示: 圖形顯示利用軟件平臺(tái)提供的圖形工具，以形象直觀的方式再現(xiàn)實(shí)際線路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)顯示的模擬線路中，標(biāo)示出所有線路檢測(cè)裝置的地理位置，并用不同顏色的指示燈顯示當(dāng)前線路工作狀態(tài)( 綠色為正常，紅色為短路故障，黃色為接地故障，紫色為系統(tǒng)自檢故障) ，工作人員可以通過計(jì)算機(jī)屏幕監(jiān)測(cè)線路

12、的運(yùn)行狀態(tài)。b 報(bào)表顯示: 報(bào)表顯示利用軟件平臺(tái)提供的報(bào)表工具生成歷史顯示窗口。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，自動(dòng)切換到歷史報(bào)警窗口，通過報(bào)表的形式標(biāo)明故障發(fā)生日期、時(shí)間、故障地點(diǎn)、故障類型。歷史報(bào)警報(bào)表按照故障發(fā)生的時(shí)間先后順序把故障保存下來，以供工作人員查詢。除了計(jì)算機(jī)直接顯示故障之外，軟件還提供了聲音報(bào)警功能。當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)時(shí)，計(jì)算機(jī)利用本身聲卡發(fā)出報(bào)警聲音，利用紅色按鈕可以解除聲音報(bào)警。 數(shù)據(jù)庫功能: 當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到故障后，可進(jìn)行圖形顯示和報(bào)表顯示，把相關(guān)故障信息保存進(jìn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中; 在數(shù)據(jù)庫中可以進(jìn)行分類查詢，可按時(shí)間、故障類型等方式進(jìn)行查詢，也可生成報(bào)表隨時(shí)打印或定時(shí)打印。數(shù)據(jù)庫還直接與Excel

13、 相連，以Excel 表格的形式保存信息，便于用戶使用。 短信發(fā)送: 當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，首先生成相應(yīng)的故障信息，主要有時(shí)間、地點(diǎn)、故障類型等，然后通過與計(jì)算機(jī)接口連接的TC35T 短信發(fā)送模塊，將采集到的故障信息以短信的形式直接發(fā)送到維護(hù)人員的手機(jī)上，及時(shí)處理故障，縮短故障停電瞬間。3) 軟件流程整個(gè)程序的工作流程，如圖5所示。圖5 軟件流程圖5 現(xiàn)場(chǎng)安裝應(yīng)用 檢測(cè)電路經(jīng)過多次模擬試驗(yàn)達(dá)到要求后，進(jìn)行制版、元件焊接、組裝。檢測(cè)與無線傳輸裝置封裝完后，還進(jìn)行信號(hào)傳輸性能的檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下: 傳輸距離離地高度1. 7 m，傳輸視在距離達(dá)到1 200 m。 路由等級(jí)大于20 級(jí)。 網(wǎng)絡(luò)延遲遠(yuǎn)小于0. 5 s( 無法精確測(cè)試) 。 數(shù)據(jù)丟幀小于0. 1 %。圖6 檢測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝應(yīng)用圖片 經(jīng)過多次試驗(yàn)、改進(jìn)、完善后， 該系統(tǒng)于2009 年11 月在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝、運(yùn)行，安裝線路總長度3 km 左右，線路電壓等級(jí)為6 kV，負(fù)荷最大電流300 A，該供電系統(tǒng)為中性點(diǎn)非接地系統(tǒng)。根據(jù)檢測(cè)裝置檢測(cè)距離范圍情況，共選取故障檢測(cè)點(diǎn)數(shù)為7 個(gè)，平均每兩檢測(cè)點(diǎn)之間的距離為450 m 左右，每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)( A，B，C) 安裝3 個(gè)檢測(cè)裝置，整條線路共安裝21 個(gè)故障檢測(cè)裝置。檢測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝應(yīng)用圖片，如圖6 所示。圖6 檢測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝應(yīng)用圖片