loading变电站高压输配电线路故障
定位管理系统的设计
摘要：随着电网安全运行的要求逐渐增高，衡量电网运行的最重要核心指标是供电的可靠性,我国城乡配网大都是采用单辐射树状方式，尤其是郊区；架空线路主要以10kV馈电线路为主，由于线路供电半径较长、分支线路多，线路走廊条件差，在恶劣天气时接地和短路故障时有发生，严重影响了电网供电的安全和可靠性。对此，海内外学者纷纷就如何提高输配电线路的安全及可靠性进行了故障定位的研究。
Abstract:Increased gradually with the requirements of the power network safe operation, to measure the power grid operation is the most important core index of reliability of power supply match 网大 in urban and rural areas in China are using single radiation tree way, especially in the suburbs, Overhead lines mainly by 10 kv feeders is given priority to, owing to a long line power supply radius, branch lines, line corridors condition is poor, when bad weather grounding and short circuit fault occur frequently, the serious influence the safety and reliability of the power supply. , scholars at home and abroad in succession on how to improve the safety and reliability of power transmission and distribution line fault location of the study was carried out. 关键词：高压；输配电；故障定位系统
1引言
电力系统中性点接地方式可划分为两大类：大电流接地方式和小电流接地方式。在大电流接地方式中，主要有中性点直接接地方式、中性点经低电阻、低电抗接地方式；在小电流接地方式中，主要有中性点经消弧线圈接地方式、中性点不接地方式和中性点经高电阻接地方式。我国配电网中，66kV 及以下大都属于小电流接地系统。小电流接地系统的故障绝大多数是单相对地短路故障。小电流接地系统在发生单相对地短路故障时，由于大地与中性点之间没有直接电气连接或串接了电抗器，因此短路电流很小，保护装置不需要立刻动作跳闸，从而提高了系统运行的可靠性。尤其在瞬时故障条件下，短路点可以自行灭弧恢复绝缘，不需要运行人员采取什么措施，这对于减少用户短时停电次数具有积极意义。但是随之而来的问题是：如果故障是永久性的，系统仅仅允许在故障情况下继续运行 1～2 个小时，此时运行人员必须尽快查明短路线路和短路点，以便采取相应对策解除故障，恢复系统正常运行。这就提出了故障定位问题。 2故障定位系统综合分析 2.1定位原理
2008年华中科技大学苗教授基于无线传感器网络的配电线路故障定位方案中提出通过安装在配电网传输线上的无线传感器节点,可以得到该节点所在位置的电流信息。
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此种方法针对中性点不接地系统及中性点经消弧线圈接地系统中零序电流的特点,提出一种基于无线传感器网络故障定位新方法,该方法利用故障相邻节点间故障电流幅值差与对应非故障相邻节点间故障电流幅值差之比的方法来实现故障的精确定位。
同年佛山三水供电局王仁民教授针对城乡高压输电10Kv电网中指出10kV 配电网中性点不接地, 属于小电流接地系统。配电网在实际运行中, 有时会发生接地和短路故障, 一般发生接地故障较多, 特别
是在雷雨、大风等恶劣自然天气的时候, 单相接地故障发生的几率比较频繁。虽然单相接地后, 故障相对地电压降低, 非故障相电压升高，电压依然对称, 不影响用户供电, 但是, 单相接地长时间运行会严重影响变电设备和配电网安全经济运行。因此, 发生单相接地后也需要将线路停电, 查找故障, 特别是在选线的时候, 会造成无故障线路的停电, 造成供电可靠性的降低。在配电网发生短路或者接地故障时, 电网中存在大量的故障信息, 可以利用一些量化的信息对故障点进行定位, 同时, 将故障或可疑线路与无故障发生的线路分开, 保证其他线路的供电。通常的做法是逐步减少连接在故障或者可疑发生故障线路上的正常运行设备的数量。针对这种情况提出一种基于计算机和通讯技术实现的新型配电线路故障在线定位系统 MODS ( Malfunction Online DetectSystem, MODS)。MODS 主要组成部分: 故障检测装置 ( 含无线传输模块) 、故障指示器、工业控制计算机、系统应用软件、接收发射交换机等组成。
相比安装传感器的方法使用 MODS 系统, 当配网线路发生故障时, 能够迅速判断故障区域, 尽快恢复无故障线路供电, 减少停电面积, 争取尽早恢复全线供电。
2010年佛山供电局在定位系统的基础上研发出自动定位系统，主要应用故障指示器，工作原理是当配电线路发生短路、接地、断电和送电等运行状态变化时，检测终端检测到变化的信号，通过短距离射频信号传输到信号传输终端，再经由信号传输终端通过移动无线通信模块将信息发送到监控中心。监控中心计算机通过线路颜色的变化直观显示故障所在区段，发出故障报警声，同时弹出对话框显示故障线路名称、杆位等信息报警，并以短信息将故障信息发送到相关的工作人员手机上。
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此系统通过通信技术和供电技术相结合，通信方式采用便捷成熟的 GSM 移动网络，对于用户来讲，属于免维护系统，大大降低了日常维护费用。同时充分利用了电信部门在通信领域强大的技术力量，只要在有 GSM 信号覆盖的区域，监控人员就能监测到线路的故障情况。供电技术采用自取电和太阳能相结合的取电方式，检测终端在线取电，而信号传输终端内置太阳能板专用蓄电池，采取太阳能供电方式，在连续阴雨两个月时间内仍然可以正常工作。
2011年四川电力公司改善自动定位系统中的故障指示器，将其安装在架空线、电缆等线路或开关柜的母排上。主要由故障电流检测电路、就地指示部分、数字编码及无线调制发射单元组成。在线路发生短路故障时,故障分支上的指示器在故障后将被触发,同时将其数字编码信号通过发射单元,以无线电波的方式发射给发IPU。
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文献给出故障指示器的示意图。
现有配电网故障定位算法主要采用由馈线终端单元（FTU）检测到的故障信息形成故障矩阵，再通过一定算法判断出故障区段，一种基于柱上 RTU 的配电网自动化系统的故障区段判断和隔离的统一矩阵算法，有在此基础上考虑了故障电流的方向性，使其可用于多电源多重故障的情况，并优化此算法，不需进行复杂的矩阵运算和规格化处理，计算量小，处理速度快。以上故障定位算法可以很好的判断出故障区段，但由于是根据安装于各分段开关和联络开关处 FTU 和 RTU 检测，判断出的故障区段局限于两个相邻 FTU 之间，不能有效地对配电变压器之间的线路及其所属线路支路进行故障判断。改进的算法是开环运行的树状网络，没有环路。
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华北电力大学专业硕士毕业论文中就架空系统和电缆系统进行研究，对于架空系统,通过无线信号传输系统将检测结果发送给通信终端\通信终端安装在线路的分支处,可以接收6只故障指示器(分别在两个分支的6相线路上)发送过来的动作信息\对于电缆系统,除了短路故障指示器外(它只检测短路故障),还要安装检测接地信号电流的零序CT,他们都通过塑料光纤与面板型指示器相连,面板型指示器可以给出就地的LED发光指示,还可以通过电子开关触点输出与通信终端连接\通信终端在收到动作信息后,将动作分支的故障指示器地址信息通过GSM或GPRS通讯系统发给中心站!主站(后台)系统,主站软件进行网络拓扑计算分析,确定故障段,实现故障定位,并将故障信息以短信方式通知有关人员,同时与地理信息系统相结合,在主站上直接显示出故障点地理位置信息,并在地理背景上显示出来,还可以打印出地理位置信息\运
行维修人员接收到故障位置后,可以直接到故障点排除故障\基于故障指示器的故障自动定位系统。
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随着科学技术的发展，学者们已不仅仅局限于对故障定位的研究，而逐步迈向对故障定位并自愈的研究，珠海许继电气公司曾针对城乡10Kv用电进行故障管控与馈线自动化建设，提出对主干线故障自动隔离，对于架空线路或架空电缆混合线路，从实用化角度出发，可考虑建设就地智能型馈线自动化，选用电压时间型或电压电流型自动化分段负荷开关。当线路发生短路故障时，变电站出线开关保护跳闸，通过变电站出线开关的重合闸和线路上分段开关电压时间的逻辑时序配合，完成主干线路短路故障的隔离和非故障区间恢复送电。当线路发生单相接地故障时，变电站接地选线装置选出故障线路，通过手动拉合站内出线开关和线路上分段开关电压时间的逻辑时序配合，完成主干线接地故障的隔离和非故障区间恢复送电；对分支线故障智能拦截，在分支线首端设置分支分界点，选用快速分断开关智能设备，防主干线停电。当分支线发生短路故障时，依靠分支分界快速分断开关与变电站出线开关的保护级差配合，抢先于变电站出线开关跳闸，自动拦截分支线路的短路故障，有效减少变电站出线开关跳闸率。对于线路较长的分支线路，可合理设置电压时间型或电流型自动化分段开关，实现分支线路少停电，其动作原理和主干线分段开关类似。2.2定位方法
随着综合国力的不断提升与电力事业的飞速发展,我国电力系统已经步入了高电压、大电网和大机组的时代。高压输电线路作为电力系统的重要组成部分,它担负着传输电能的重任,是电力系统乃至国民经济建设的命脉。但与此同时,高压输电线路也是输电网中发生故障最多的地方,而且随着输电容量及电压等级的不断提高、输电距离的不断增长,高压输电线路的故障将对电力系统的稳定运行、国民经济建设及人民日常生活带来更为严重的危害与影响;近几年来,国内外便出现了多起因输电线路故障而诱发的大停电事故快速、准确的输电线路故障分类是故障定位与快速恢复电网供电的前提,也是电力系统故障分析的一个重要部分,因此,对高压输电线路故障分类方法的研究对保障系统的安全性与经济性具有重要意义另一方面,高压输电走廊的地理环境较恶劣,而线路故障又常发生在天气环境比较恶劣的情况下;同时,继电保护装置的快速动作使得大部分故障线路没有明显的损坏痕迹,这些使得对输电线路故障的查找变得极其困难因此,准确快速的高压输电线路故障定位不仅能够缩短故障修复时间、减少停电损失、减轻工作人员的巡检工作强度,而且对提高电网的供电可靠性与稳定运行都具有重要意义。
高压输配电线路故障定位早有研究，尤其是随着计算机技术的应用、微机保护和故障录波装置的开发及大量投运，更加速了故障定位的实用化进程。近几年国内外定位方法主要分为两大类：行波法，测距法。
双端故障行波定位方法计算故障点位置时，只需利用行波波头到达时间、行波波速和线路长度三个参数。其中行波信号的高精度检测、高精度同步时钟的实现和行波波速的确定是影响故障定位结果的关键因素。随着电力系统规模日益扩大，自动化水平日益提高，已经提出了基于整个输电网的故障行波定位方法。对于整个电网而言，通信技术和故障信息发布技术就显得尤为重要。
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我国农村配电网一般采
用中性点不接地方式运行，由单端电源供电，网络结构多为树型拓扑，且其继电保护装置比较简陋，一般不设有故障测距装置，不能利用故障发生时变电所纪录的信息进行故障测距，仅有供电端的测量条件较为方便。近年来，随着研究的深入，针对10kV配电网，山东工业大学提出“S信号”注入法，通过母线PT向接地线的接地相注入信号电流，其基波频率处于工频n次谐波与n+1次谐波之间，然后利用专用的信号电流探测器查找故障线路和故障点，能迅速判断出接地分支和接地点的确切位置，具有较大推广性。国内的故障定位方法的研究还包括：（1）从树型分支电网集中参数等网络模型出发，找出电源端测
试参数变化与故障发生处短路过渡电阻之间的关系；（2）提出 C 型行波故障定位方法；（3）提出了一种利用软件算法实现树状配电网短路识别和定位的方法；（4）提出一种同时完成树形配电线路单相接地故障的故障分支识别和接地点定位的算法。
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行波法早在本世纪四十年代初就开始了输电线路行波法测距的研究。行波测距法的基础是:行波在输电线路上有固定的传播速度(接近光速)。根据这一特点，测量和记录故障点产生的行波到达母线的时间可实现精确测距。行波法根据测距原理的不同，一般可分为 A, B, C,D,E,F型6类。其中C型可适用于多终端的配电网络。C 型为单端测距，不需要线路两端通讯;因都需要根据测距装置安装处到故障点的往返时间来定位，故又称为回波定位法;C型需外加高频或直流脉冲(也可以加调频波)，其原理与雷达定位相同，故也称为脉冲雷达法。
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行波法基于单端定位方法，主要通过利用故障点产生的行波，传输到测量点（测量行波第一次到达时刻），由测量点母线反射的行波传向故障点，又在故障点发生反射，重新传向测量点（测量行波第二次到达时刻）根据测量点到故障点往返一次的时间t和行波波速 v确定故障点距离 X 。或者在故障发生后由定位装置在线路始端注入高压高频或直流脉冲，根据高频脉冲从装置到故障点的往返时间t和脉冲波的传播速度 v确定故障位置 X 。公式为X=1/2vt。
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这类方法的研究早在三十年代初就己开始，目前已有了较大的发展，已提出了多种不同的测距原理和方(算)法。按所采用电路模型来看，可分为集中参数法和分布参数法；按所使用的物理量的特征分，可分为工频(相)量方法和瞬时值方法(大部分使用工频量)；按所需要的测量信息来分类，可分为利用单端数据的测距算法和利用双端（或多端）数据的测距算法等。
测距法分为单端测距，双端测距和其他测距。单端测距就是根据单端（本端)的电压和电流及必要的系统参数，计算出故障距离。由于只使用单端信息，且测量设备与保护装备及故障录波装置共用同一套 PT, CT 等设备，硬件投资小，现场实现简单方便，也不受系统通讯条件的限制，因此，60 多年来一直受到人们的重视；双端测距是从两端列出电路方程，经化简得到测距方程，解出故障距离。利用双端数据的测距算法，方程数等于未知量数，原理上可以完全消除故障过渡电阻的影响，实现准确测距。但它须使用通道来传递两端的信息，还要解决两端数据的同步及测距方程的伪根问题。双端测距算法大体可分为两大类，即基于两端非同步采样数据的测距算法和基于两端同步采样数据的测距算法；在我国电力系统中，3～66kV 的中低压配电网一般采用中性点非有效接地方式，主要包括中性点不接地、经消弧线圈接地和经电阻接地方式等，这样的系统也称之为小电流接地系统。其故障测距方法除了以上两种方法外，还有注入信号法、五次谐波零序电场、磁场探测接地点法和基于 FTU 法等。2.3故障定位的应用
通过分析多种现有的配电网故障定位方法，针对单相接地故障确定出将配电网故障定位理论转为实际应用的合适方法，并提出线路拓扑特征波的概念。该方法分 2 步进行，首先利用 C 型行波法对故障线路进行高采样率的离线录波，并采用自适应滤波法与数值差分法进行有效的数据处理，从而计算故障距离；再通过对录波的峰值扫描以及伪特征的排除提取线路拓扑特征波，从而确定故障分支。故障测距与故障分支结果相结合达到精确定位。经现场试验验证，证明了该方法的正确性及在配电网故障定位中有良好的应用前景。对于行波法，过大接地电阻(几百 k?)产生的波形相当于该点开路，而当接地电阻为几十 k?时，对输入信号的分压就会导致返回特征不明显。经过多次实验验证，此方法适用于接地过渡电阻较小(3 k?以内)，且线路均匀(即全架空线或全电缆)，线路原始长度参数已知的配电网络单相接地故障定位。
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