1、智能電網(wǎng)架空線路故障在線檢測與分段定位系統(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距算法，由于受信息量的影響，故障點定位精度受系統(tǒng)運行方式和過渡電阻的影響，效果不甚理想。目前對于故障點的檢測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現(xiàn)線路故障分段定位，并采用GSM/GPRS網(wǎng)絡通信方式進行傳輸，即多點發(fā)射方式，因此運行費用高，不適用于長距離供電線路。為此，在現(xiàn)有線路故障檢測方法的基礎上，采用新興的ZigBee 無線

2、發(fā)射模塊自成獨立信息傳輸系統(tǒng)，達到信號可靠傳輸又能降低系統(tǒng)運行費用的目的。ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國際標準規(guī)定，ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。 針對目前架空線路故障檢測準確性低和借助GSM 通信網(wǎng)絡傳輸線路故障信息成本高的現(xiàn)狀，介紹了以工控機為核心的架空線路故障在線檢測與分段定位系統(tǒng)。將軟件與硬件結合、電流變化率與零電流檢測方法并用，提高了線路短路故障檢測的準確性; 將相電壓信號與5 次諧波電流信號相融合，提高了接地故障檢測線路的準確性; 采用Zigbee 無線傳輸芯片制成獨立的信號傳輸系統(tǒng)，既降低了系統(tǒng)的運行成本，又保證了信

3、號的可靠傳輸。以組態(tài)王6. 51 軟件為開發(fā)平臺，設計出了具有多種功能的監(jiān)控程序和顯示畫面。工控機（Industrial Personal Computer，IPC）即工業(yè)控制計算機，是一種采用總線結構，對生產(chǎn)過程及機電設備、工藝裝備進行檢測與控制的工具總稱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，以及故障信號的無線傳輸。每個裝置都設定有地址編碼，根據(jù)地址編碼就可實現(xiàn)故障的分段定位。通過裝置內(nèi)部的Zig-Bee 無線通信模塊，自成獨立的無線傳輸網(wǎng)絡，故障信號以逐級、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)器接收到的信號送給變電站工控機，由工

4、控機對故障信息進行分析、處理。當圖1 系統(tǒng)結構框圖 發(fā)生故障時，可進行聲音報警，并顯示、保存或打印故障類型和故障點位置，為排查線路故障和分析故障原因提供依據(jù)。同時變電站工控機還將故障信息送給收發(fā)器，通過GPRS 網(wǎng)絡發(fā)送給線路維護人員的手機上，通知維護人員進行線路檢修。這樣既少占通信網(wǎng)絡資源，節(jié)省運行費用，又可實現(xiàn)快速查找故障，及時對線路的維護，減少停電時間，提高供電系統(tǒng)的可靠性。 并且根據(jù)需要，變電站的工控機還可通過網(wǎng)線與生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的監(jiān)控主機進行聯(lián)網(wǎng)，可隨時顯示、打印和存儲檢測數(shù)據(jù)，使生產(chǎn)調(diào)度人員及時了解線路的運行情況。另外，該系統(tǒng)還具有對信號傳輸?shù)淖詸z功能。即通過軟件編程，工控機以應答方

5、式對各個點進行定期巡檢，以便及時了解各個裝置的工作情況，以便發(fā)現(xiàn)問題及時處理，保證系統(tǒng)信號傳輸?shù)目煽抗ぷ鳌? 故障檢測1) 短路故障檢測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為保護裝置動作時間; t2 t3為重合閘裝置動作時間。線路正常時，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，速斷保護裝置動作，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有重合閘裝置，則經(jīng)過

6、t2到t3后重合閘動作。若為瞬間短路故障，重合閘時故障消失，電流恢復為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。 通常負荷增加時電流的變化率明顯小于短路故障時的電流變換率，因此，可根據(jù)電流變化率區(qū)分短路與負荷增加情況。但為了可靠起見，利用零電流信號判別短路故障，即在檢測到較大的電流變換率后，延時1 s 左右再檢測線路電流信號，如果線路電流為零，則認為是短路故障; 如果線路電路不為零，則認為是線路負荷增大引起的電流變化，或雖然線路發(fā)生了瞬間短路，但保護裝置重合閘成功，則不作為短路故障處理。 2) 接地故障檢測：原理目前現(xiàn)有單相接地故

7、障的檢測方法主要包括零序電流法、電容電流法、首半波法、五次諧波法和信號注入法等。當線路的某一相發(fā)生接地時，則該相電壓降低，使三相電壓不對稱，通常配電網(wǎng)的負荷中都有感性負載，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，因此接地時五次諧波最為明顯。為此，采用五次諧波電流法，即通過檢測線路電流，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，其檢測電路，如圖3 所示。圖3 5 次諧波電流檢測示意圖 首先經(jīng)特殊的開口式電流互感器對線路電流進行檢測，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)橹绷麟妷盒盘枺詈蠼?jīng)比較電路輸出。由于線路中非線性負載的存在，線路正常時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)正常時五次諧波電流的預測值確定比較器的基準值，當五次諧波電流大于或等于比較器的基準值時，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，為進一步提高接地故障檢測的可靠性，還對電路相電壓進行檢測，并作為判定接地故障的必要條件之一，當線路電壓降低為正常時的80 %，同時五次諧波電流檢測電路輸出為高電位，此時才判定為接地故障，其他情況為非接地故障。4 監(jiān)控主機軟件開發(fā) 1) 軟件平臺該系統(tǒng)以組態(tài)王6. 51 軟件為開發(fā)

9、平臺，設計出了具有通信、故障顯示、數(shù)據(jù)庫存儲、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)自動控制系統(tǒng)軟件，它以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)，具有適應性強、開放性好、易于擴展、開發(fā)周期短等特點。組態(tài)王軟件結構由工程管理器、工程瀏覽器及運行系統(tǒng)三部分構成。工程管理器：用于新工程的創(chuàng)建和已有工程的管理，對已有工程進行搜索、添加、備份、恢復以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)詞典的導入和導出等功能。工程瀏覽器：是一個工程開發(fā)設計工具，用于創(chuàng)建監(jiān)控畫面、監(jiān)控的設備及相關變量、動畫鏈接、命令語言以及設定運行系統(tǒng)配置等的系統(tǒng)組態(tài)工具。運行系統(tǒng)：相當于工程運行界面，從采集設備中獲得通

10、訊數(shù)據(jù)，并依據(jù)工程瀏覽器的動畫設計顯示動態(tài)畫面，實現(xiàn)人與控制設備的交互操作。2) 軟件功能及其實現(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立界面，可通過主界面自由切換。其中，前3 個為故障顯示畫面，其余4 個分別為歷史報警畫面、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 個轉(zhuǎn)換界面，如圖4 所示。圖4 畫面主頁 通信功能: 當線路出現(xiàn)接地、短路等故障狀態(tài)時，檢測裝置便可檢測到變化的特征信號，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，經(jīng)串行口工控機可對故障信號的采集。通信程序用VB 編寫，其主要功能是通過計算機串口接收由協(xié)調(diào)器傳來的數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)的分析處理，最后將數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控系統(tǒng)去進行顯示、報警等。 故障顯示功能：編程時首先進行設備變量的定義，通過設備變量的狀態(tài)變化顯示不同的故障類型。故障顯示分為圖形顯示和報表顯示兩種。a 圖形故障顯示: 圖形顯示利用軟件平臺提供的圖形工具，以形象直觀的方式再現(xiàn)實際線路的拓撲結構在計算機顯示的模擬線路中，標示出所有線路檢測裝置的地理位置，并用不同顏色的指示燈顯示當前線路工作狀態(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算機屏幕監(jiān)測線路

12、的運行狀態(tài)。b 報表顯示: 報表顯示利用軟件平臺提供的報表工具生成歷史顯示窗口。當故障發(fā)生時，自動切換到歷史報警窗口，通過報表的形式標明故障發(fā)生日期、時間、故障地點、故障類型。歷史報警報表按照故障發(fā)生的時間先后順序把故障保存下來，以供工作人員查詢。除了計算機直接顯示故障之外，軟件還提供了聲音報警功能。當出現(xiàn)報警信號時，計算機利用本身聲卡發(fā)出報警聲音，利用紅色按鈕可以解除聲音報警。 數(shù)據(jù)庫功能: 當系統(tǒng)檢測到故障后，可進行圖形顯示和報表顯示，把相關故障信息保存進相應的數(shù)據(jù)庫中; 在數(shù)據(jù)庫中可以進行分類查詢，可按時間、故障類型等方式進行查詢，也可生成報表隨時打印或定時打印。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: 當故障發(fā)生時，首先生成相應的故障信息，主要有時間、地點、故障類型等，然后通過與計算機接口連接的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)送到維護人員的手機上，及時處理故障，縮短故障停電瞬間。3) 軟件流程整個程序的工作流程，如圖5所示。圖5 軟件流程圖5 現(xiàn)場安裝應用 檢測電路經(jīng)過多次模擬試驗達到要求后，進行制版、元件焊接、組裝。檢測與無線傳輸裝置封裝完后，還進行信號傳輸性能的檢測試驗，試驗結果如下: 傳輸距離離地高度1. 7 m，傳輸視在距離達到1 200 m。 路由等級大于20 級。 網(wǎng)絡延遲遠小于0. 5 s( 無法精確測試) 。 數(shù)據(jù)丟幀小于0. 1 %。圖6 檢測裝置現(xiàn)場安裝應用圖片 經(jīng)過多次試驗、改進、完善后， 該系統(tǒng)于2009 年11 月在現(xiàn)場進行安裝、運行，安裝線路總長度3 km 左右，線路電壓等級為6 kV，負荷最大電流300 A，該供電系統(tǒng)為中性點非接地系統(tǒng)。根據(jù)檢測裝置檢測距離范圍情況，共選取故障檢測點數(shù)為7 個，平均每兩檢測點之間的距離為450 m 左右，每個檢測點( A，B，C) 安裝3 個檢測裝置，整條線路共安裝21 個故障檢測裝置。檢測裝置現(xiàn)場安裝應用圖片，如圖6 所示。圖6 檢測裝置現(xiàn)場安裝應用圖片