電力線路多點式故障定位方法研究

朱成喜，韓曉新，于冬梅，邢紹邦

(江蘇理工學院電氣信息工程學院，江蘇 常州 213001)

0 引言

當電力線路發(fā)生接地故障時，如不及時排除故障會產(chǎn)生很大的經(jīng)濟損失甚至導(dǎo)致電網(wǎng)的崩潰，所以需要準確地判定故障地點，及時修復(fù)故障線路，確保整個電網(wǎng)的安全運行。

現(xiàn)今的電力線路故障定位方法主要有兩類[1]:一類是阻抗法，一類是行波法。阻抗法由于不能消除接地故障點存在的過渡電阻等參數(shù)的影響，所以此方法的故障定位精度低且不適合長距離輸電。行波法是利用行波在輸電線路上以一定速度傳播的特性監(jiān)測故障點，它不受線路參數(shù)的影響，可以實現(xiàn)精確的故障定位。但是現(xiàn)在提出的行波測距法由于行波波速的不確定性和需要GPS同步時間的原因，都存在精度不準或者成本較高的問題。

本文提出了一種多點式的行波故障測距，主要在電力線路中安裝若干個檢測裝置，利用線路發(fā)生接地故障時電流行波在輸電線路上傳播的特性，各個檢測點對故障行波達到裝置的時間進行監(jiān)測，然后通過后臺計算，找出線路故障點位置。此方法可以消除線路參數(shù)以及行波波速未知的影響，不需要GPS同步，既降低了成本又提高了定位的精度。

1 多點式故障定位原理

輸電線路在發(fā)生接地故障時，會產(chǎn)生故障電壓和電流行波，并且在輸電線路中傳播。線路中的電流行波在沿著電力線路傳播時，若遇到阻抗不連續(xù)處會發(fā)生折射和反射。本系統(tǒng)采用多點式故障測距，由輸電線路上的若干個監(jiān)測裝置來檢測線路電流行波的傳輸時間，利用故障電流行波及其反、折射波的波頭到達裝置的不同時間來獲得波速信息，從而獲得故障點離桿塔的距離[2]。故障定位原理如圖1所示。

圖1 多點式故障定位原理

電力線路發(fā)生接地故障時，由于故障電流行波的反、折射波到達各檢測裝置的時間各不相同，利用這些時間差可以消除輸電線路參數(shù)和行波波速參數(shù)的影響，檢測裝置測得的數(shù)據(jù)則通過GSM/GPRS通信傳回實驗室，由后臺電腦進行分析計算，準確的計算出故障點的位置。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本系統(tǒng)主要由電源模塊、CPU主控模塊、電流數(shù)據(jù)采集模塊、無線通信模塊、GPRS/GSM通信模塊五個部分組成。如圖2所示。

圖2 故障定位系統(tǒng)硬件框圖

2.1 電源模塊

電源模塊采用特制取電線圈利用電磁感應(yīng)的原理從電力線路上取電，同時配合鋰電池的充放電特性給系統(tǒng)供電，保證系統(tǒng)24h不斷電。在線路電流在40A到850A的范圍內(nèi)，供電裝置可以穩(wěn)定輸出+4.2V的電壓，保證了裝置的穩(wěn)定工作

2.2 CPU主控模塊

本系統(tǒng)的CPU采用ARM7系列的LPC2292作為系統(tǒng)的控制芯片，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制，包括導(dǎo)線溫度和電流數(shù)據(jù)的采集、行波到達時間的測定、故障點距離的計算、監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯總和與實驗室后臺的通信等。

2.3 電流數(shù)據(jù)采集模塊

電流采集主要使用羅氏線圈[3]對輸電線路上的電流進行采集。可分為常態(tài)電流采集電路和故障電流采集電路。

2.3.1 常態(tài)電流采集電路

本系統(tǒng)采用羅氏線圈對電力線路的常態(tài)電流進行采集。

電流采集電路又分為前端積分電路和后端電壓偏置電路。前端積分電路如圖3所示。

圖3 前端積分電路

線路運行時，電力線路上經(jīng)羅氏線圈輸出的電壓信號經(jīng)過積分電路后，送入主控單元。由于主控單元的CPU采用ARM7系列的LPC2292，它內(nèi)置的12位AD轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍是0—3.3V，因此在輸入信號前需加入電壓偏置電路。電壓偏置電路如圖4所示。

圖4 電壓偏置電路

由于在測量電路的電流時，輸出端信號波形中存在高次諧波干擾，因此在電路末端加入了RC濾波電路，用來濾去高頻部分。

2.3.2 故障電流采集電路

高頻故障電流采集單元是故障定位裝置的核心部分，準確的故障數(shù)據(jù)采集是定位成功的基礎(chǔ)。本裝置采用自積分式羅氏線圈，采用CPLD配合芯片LPC2292以10M的采樣頻率采集故障電流數(shù)據(jù)。采集電路如圖5所示。

電力線路發(fā)生接地故障時，短路電流包括兩部分:周期分量和非周期分量。短路電流的周期分量與外加電源電勢有相同的變化規(guī)律，是幅值恒定的正弦交流。短路電流的非周期分量與外加電源無關(guān)，它是按指數(shù)規(guī)律衰減的直流。我們通過選擇特定參數(shù)的羅氏線圈，可以準確地測量故障脈沖電流的波形，讓波形不會畸變，從而準確的監(jiān)測到故障電流的到來。

2.4 無線通信模塊

輸電線路的三相線路安裝好檢測裝置后，需要使用無線通信技術(shù)將測得的數(shù)據(jù)匯集起來進行處理，本系統(tǒng)采用了基于ZigBee技術(shù)的IP－Link 1223模塊作為無線通信模塊。無線通信原理如圖6所示。

圖5 故障電流采集電路

圖6 無線通信原理

無線通信的原理如圖6所示，三相線路上都配有IP－Link 1223模塊，其中一相的模塊配置為協(xié)調(diào)器，其余兩相為子節(jié)點，模塊在上電后可以組成一個Mesh網(wǎng)絡(luò)。可以實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，具有很高的通信效率。

2.5 GPRS/GSM通信模塊

由無線通信模塊收集的數(shù)據(jù)最終將通過GPRS/GSM通信模塊傳送至實驗室后臺進行處理。本系統(tǒng)的通信模塊選用Motorola G24作為主要的通信模塊。GSM通信電路如圖7所示。

圖7 GSM通信電路

G24模塊可以外接SIM卡，可以實現(xiàn)手機的短信通信功能，數(shù)據(jù)則是通過主控單元向G24發(fā)送命令和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸。G24模塊可以設(shè)置一定時間頻率向?qū)嶒炇抑髡景l(fā)送短信息傳送數(shù)據(jù)，而后臺可以隨時向G24發(fā)送短信召喚數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件工作流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)程序流程圖

把三相線路上安裝的3個檢測裝置分為1個主節(jié)點和2個子節(jié)點。系統(tǒng)每隔一段時間就讓子節(jié)點通過無線通信發(fā)送一次監(jiān)測數(shù)據(jù)至主節(jié)點處。在接收到實驗室后臺的數(shù)據(jù)召喚短信時，主節(jié)點開始采集導(dǎo)線溫度數(shù)據(jù)和導(dǎo)線的電流數(shù)據(jù)，同時主節(jié)點通知兩個子節(jié)點對另外兩相線路也進行溫度和電流采集，并將采集數(shù)據(jù)通過無線通信發(fā)送至主節(jié)點。主節(jié)點接受到數(shù)據(jù)后，把所以三相線路的檢測數(shù)據(jù)通過GPRS通信的方式發(fā)送至實驗室后臺進行處理，從而計算出故障點的位置。

4 實驗分析

本試驗采用大電流發(fā)生器來模擬輸電線路的狀態(tài)。采集電流及溫度數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 采集的電流及溫度數(shù)據(jù)

從表1可以看出，在40A到850A的范圍內(nèi)，電流測量的誤差在2%以內(nèi)，溫度測量精度在2.5%之內(nèi)，在設(shè)計的誤差范圍之內(nèi)，可以準確的檢測溫度和電流信息。

按此設(shè)計的輸電線路故障定位裝置已經(jīng)安裝在山東省菏澤市電力線路桿塔上，到目前為止運行穩(wěn)定，通過短信接收的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以時刻監(jiān)測輸電線路的狀態(tài)，保證輸電線路的穩(wěn)定運行。

5 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)的行波定位法的基礎(chǔ)上提出了多點式行波故障定位法，由輸電線路上的若干個監(jiān)測裝置來檢測線路電流行波的傳輸時間，利用故障電流行波及其反、折射波的波頭到達時間不同獲得波速信息，從而獲得故障點離桿塔的距離，實現(xiàn)精確檢測輸電線路故障點的目的。

[1]邵慶祝，盛戈皞.分布式輸電線路故障定位裝置的研制[J].電氣自動化，2011，33(2):79－81.

[2]陳錚，蘇進喜，吳欣榮，等，基于分布參數(shù)模型的高壓輸電線路故障定位算法[J].電網(wǎng)技術(shù).2000，24(11):31－32.

[3]李偉，尹項根.基于Rogowski線圈的電子式電流互感器暫態(tài)特性的研究[J].電力自動化設(shè)備.2008，18(10):34－37.