配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

高海博

摘 要： 隨著配電網(wǎng)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，線路數(shù)量與分支逐漸增多，接線方式更加復(fù)雜，造成接地故障定位復(fù)雜，為了快速準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)接地故障定位，盡快恢復(fù)電網(wǎng)正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種高精度配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由處理模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、海量存儲(chǔ)模塊、GPRS模塊等構(gòu)成，分析了所設(shè)計(jì)配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)的運(yùn)行原理，通過(guò)Visual C++中API函數(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)了配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的三個(gè)功能層，給出后臺(tái)軟件控制流程，設(shè)計(jì)配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)軟件，給出配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)中的部分C語(yǔ)言代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性和可靠性。

關(guān)鍵詞： 配電網(wǎng)； 接地故障； GPRS； 優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN710?34； TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）06?0157?04

Optimization design and implementation of earth fault location system for

power distribution network

GAO Haibo

（Northeast Dianli University， Jilin 132012， China）

Abstract： With the gradual expanding of power distribution network scale， the number of power line and branches are increased gradually， and the wire connection mode becomes more complex， which make the earth fault location complex. To quickly locate the earth fault of the power grid and recover the normal operation， a high?precision earth fault location system for power distribution network was designed and realized， which is mainly composed of processing module， wireless transceiving module， mass storage module， GPRS module， etc. The operation principle of this system is analyzed. The three functional layers of this system were developed with database and API function in Visual C++. The software of this system was designed. The backstage software control process and part C language codes of this system are given. The experimental results show that the designed earth fault location system for power distribution network has strong practicability and reliability.

Keywords： power distribution network； GPRS； location； optimization design

0 引 言

近年來(lái)，隨著配電網(wǎng)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，電纜線路在供電網(wǎng)中的使用量越來(lái)越大，很多配電系統(tǒng)都選擇消弧線圈并/串聯(lián)電阻的派生接地形式運(yùn)行[1?2]。在配電網(wǎng)發(fā)生故障的情況下，必須及時(shí)定位故障位置，并做出對(duì)應(yīng)的措施[3]。因此，設(shè)計(jì)一種配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)具有重要意義，已經(jīng)成為相關(guān)學(xué)者研究的重點(diǎn)課題，受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注[4?5]。

目前研究配電網(wǎng)接地故障定位的方法有很多，但均存在一定的弊端。其中，文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種基于行波法的配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)，利用行波傳輸特性對(duì)配電網(wǎng)故障位置進(jìn)行定位，但該系統(tǒng)存在易受過(guò)渡電阻與分支數(shù)量干擾的弊端。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種基于直流法的配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)，但該系統(tǒng)需登桿檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程較麻煩；文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種基于故障指示器法的配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)配電網(wǎng)短路故障的定位效果較好，但對(duì)小電流接地系統(tǒng)故障定位則容易出現(xiàn)誤差；文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種基于信號(hào)注入法的配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)需安裝信號(hào)注入設(shè)備，成本相對(duì)較大，對(duì)瞬時(shí)故障的定位效果不佳；文獻(xiàn)[10]提出一種基于零序電流比幅法的配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)受系統(tǒng)運(yùn)行方式、過(guò)渡電阻等因素的影響，可能會(huì)造成定位精度低下。

為了解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)。分析了所設(shè)計(jì)配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)的運(yùn)行原理；通過(guò)Visual C++中API（Application Programming Interface，應(yīng)用程序編程接口）函數(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)了配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的三個(gè)功能層；給出后臺(tái)軟件控制流程，設(shè)計(jì)了配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)軟件；給出配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)中的部分C語(yǔ)言代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性和可靠性。

1 配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作的基本思想如下：通過(guò)測(cè)量電磁場(chǎng)的傳感器得到配電網(wǎng)故障電壓和電流信息，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后，傳入A/D轉(zhuǎn)換器，將經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)傳輸給處理單元，處理單元將經(jīng)處理后的信息和該節(jié)點(diǎn)的地址信息利用無(wú)線GPRS通信模塊傳輸至故障自動(dòng)定位系統(tǒng)主站，從而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)接地故障的準(zhǔn)確定位。分析圖1可知，本文設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)主要由處理模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、海量存儲(chǔ)模塊、GPRS模塊等構(gòu)成。

圖1 配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

新一代配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)，將MSP430系列單片機(jī)作為處理模塊的核心，MSP430系列單片機(jī)為16位單片機(jī)，具有強(qiáng)大的處理能力。依據(jù)本文系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，并且考慮到RAM空間要求、A/D精度要求等，本文選擇MSP430F1610型單片機(jī)，完成對(duì)信號(hào)的處理后，將結(jié)果利用DMA保存至單片機(jī)的RAM中。海量存儲(chǔ)模塊主要負(fù)責(zé)保存故障后的數(shù)據(jù)，對(duì)配電網(wǎng)故障進(jìn)行判斷后，如果確定是故障，則將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至海量存儲(chǔ)器中，本文系統(tǒng)將FM25L256作為存儲(chǔ)器擴(kuò)展，F(xiàn)M25L256是RAMTRON公司生產(chǎn)的，其采用SPI總線控制，不僅操作簡(jiǎn)單，而且占用硬件資源少，適用于高可靠場(chǎng)合信息存儲(chǔ)。無(wú)線收發(fā)模塊主要負(fù)責(zé)小區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)模塊間的通信，將數(shù)據(jù)處理結(jié)果傳輸給中心故障指示器，從而實(shí)現(xiàn)模糊運(yùn)算。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，無(wú)線模塊被激活；當(dāng)正常運(yùn)行時(shí)，無(wú)線模塊處于休眠狀態(tài)；依據(jù)上述分析本文選擇nRF905無(wú)線收發(fā)芯片。GPRS模塊主要負(fù)責(zé)將故障信息傳輸給監(jiān)控中心，在配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，單片機(jī)控制GPRS模塊傳輸故障信息到監(jiān)控中心，指出故障所處區(qū)段和故障類型，以便于維修人員及時(shí)做出相應(yīng)的處理。

2 配電網(wǎng)接地故障定位過(guò)程的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 零序有功電流判據(jù)

配電網(wǎng)發(fā)生接地故障時(shí)各保護(hù)裝置測(cè)得的零序基波電流的相量如圖2所示。

圖2 零序基波電壓和電流相量

圖2中：[U0]為零序基波電壓；[I0L，NF]用于描述非故障路線路的零序電，相位超前[U0]90°；[I0L，F(xiàn)]為故障路徑線路區(qū)段的零序電流，因?yàn)橛泄Ψ至康挠绊懀湎辔怀癧U0]超過(guò)90°。通過(guò)式（1）可獲取不同段線路測(cè)得的零序電流中的有功分量：

[I0L，AC=I0cosθ] （1）

其中：[I0]用于描述[I0L，NF]或[I0L，F(xiàn)]的幅值；[θ]用于描述[I0L，NF]或[I0L，F(xiàn)]與[U0]的相位差。故障路徑中零序電流的有功分量方向和規(guī)定的正方向相反，因此，式（1）的值為負(fù)值，引入一個(gè)合理的閾值[I0_set，AC]，從而判斷配電網(wǎng)某線路是否為故障路徑的線路。

2.2 配電網(wǎng)接地故障區(qū)段定位判據(jù)

假設(shè)變壓器到負(fù)載的方向是正方向，將保護(hù)裝置作為配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)，對(duì)配電網(wǎng)的n條線路和首端保護(hù)裝置進(jìn)行編號(hào)。通過(guò)通信功能將零序電流信息依據(jù)式（2）描述的規(guī)則構(gòu)建電網(wǎng)結(jié)構(gòu)信息矩陣：

[Dij= 1， 線路j以節(jié)點(diǎn)i為起點(diǎn) -1， 線路j以節(jié)點(diǎn)i為終點(diǎn) 0， 其他] （2）

式中：[i]用于描述節(jié)點(diǎn)的編號(hào)；[j]用于描述線路編號(hào)；[i，j∈1，2，…，n]，建立故障特征行向量：

[F=P1 P2 … Pn] （3）

式中：

[Pi= 1， I0_i，AC

再計(jì)算式（5）：

[Fl=F?Dij] （5）

獲取行向量：

[Fl=F11F12…F1j…F1n] （6）

獲取[F1j=1]，則[j]就是故障所處線路的編號(hào)。

3 配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件開發(fā)系統(tǒng)模型

本文依據(jù)Visual C++中API 函數(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)了配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的三個(gè)功能層：綜合應(yīng)用層、數(shù)據(jù)管理層及數(shù)據(jù)采集層，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3所示，后臺(tái)軟件控制流程圖如圖4所示。

圖3 配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

圖4 配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)軟件控制流程圖

數(shù)據(jù)采集層以GSM通信形式接入現(xiàn)場(chǎng)終端，其主要包括通信接入設(shè)備與通信協(xié)議解析軟件等，主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理以及監(jiān)測(cè)通信質(zhì)量等。數(shù)據(jù)管理層主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件等，用于對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步存儲(chǔ)和處理，構(gòu)建配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺(tái)，在綜合應(yīng)用層開發(fā)了多個(gè)功能模塊，以達(dá)到配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的應(yīng)用需求，使故障監(jiān)控更加簡(jiǎn)潔。

3.2 代碼設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)可在Matlab環(huán)境下進(jìn)行仿真，部分C語(yǔ)言代碼如下：

#include "iostream.h"

#include "string.h"

#include "fstream.h"

class po

{

public：

int x；

int y；

}

class img

{

public：

int width；

int high；

char get（int x，int y）；

void setat（int x，int y，char value）；

void create（int w，int h）；

void del（）；

}

void img：：setat（int x，int y，char value）

{

content[x*width+y]=value；

}

void img：：del（）

{

if（content==NULL） return；

delete [] content；

}

void img：：create（int w，int h）

{

content=new char[w*h]；

for（int i=0；i

for（int j=0；j

content[i*width+j]=′0′；

}

char img：：get（int x，int y）

{

if（x<0||x>=high||y<0||y>=width）

return ′0′；

else

return content[x*width+y]；

}

4 仿真實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)的有效性，需要進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析。本文將A相故障作為研究對(duì)象，在短路條件不同的情況下，將基于行波法的配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)作為對(duì)比，對(duì)兩種系統(tǒng)的測(cè)距結(jié)果進(jìn)行了分析，詳細(xì)結(jié)果如表1所示。

表1 兩種系統(tǒng)測(cè)距結(jié)果

從表1可以看出，在電阻和故障初相角相同的情況下，隨著故障距離的增加，兩種系統(tǒng)的測(cè)距結(jié)果與實(shí)際測(cè)距結(jié)果的差距均越來(lái)越大，但與基于行波法的配電網(wǎng)接地故障系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)的誤差增加幅度明顯較低，而且一直低于基于行波法的配電網(wǎng)接地故障系統(tǒng)，說(shuō)明本文系統(tǒng)具有很高的定位精度。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文系統(tǒng)的實(shí)用性，分別采用本文系統(tǒng)和基于行波法的配電網(wǎng)接地故障系統(tǒng)進(jìn)行7次實(shí)驗(yàn)，對(duì)兩種系統(tǒng)所需時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，得到的結(jié)果如圖5所示。

圖5 兩種系統(tǒng)所需時(shí)間比較結(jié)果

從圖5可以看出，上述進(jìn)行的7次實(shí)驗(yàn)中，采用本文系統(tǒng)所需的時(shí)間明顯低于基于行波法的配電網(wǎng)接地故障系統(tǒng)；而且本文系統(tǒng)的時(shí)間曲線相對(duì)平穩(wěn)，說(shuō)明本文系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)的性能。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種高精度配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由處理模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、海量存儲(chǔ)模塊、GPRS模塊等構(gòu)成，分析了所設(shè)計(jì)配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)的運(yùn)行原理，通過(guò)Visual C++中API函數(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)了配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的三個(gè)功能層，給出后臺(tái)軟件控制流程，設(shè)計(jì)了配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)軟件，給出配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)中的部分C語(yǔ)言代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] 王科，石孝文，鄒文平，等.一種基于概率預(yù)估的配電網(wǎng)線路短路及接地故障定位系統(tǒng)[J].電氣自動(dòng)化，2013，35（5）：73?75.

[2] 劉健，張小慶，張志華，等.配電網(wǎng)兩相接地短路故障定位與供電恢復(fù)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37（5）：105?110.

[3] 王晨，吳俊勇，圖爾蓀·依明，等.基于無(wú)線通信的配電網(wǎng)單相接地故障定位系統(tǒng)及其動(dòng)模實(shí)驗(yàn)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014，38（8）：2280?2285.

[4] 鐘達(dá)，黃盛亮，張建國(guó).基于拓?fù)渲悄芊治雠c展示的配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2014（5）：37?38.

[5] 莊偉，牟龍華.基于零序電流有功分量的配電網(wǎng)接地故障定位[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，42（3）：468?473.

[6] 王繼星，任波，宋娜.10 kV配電網(wǎng)單相接地故障定位的研究[J].黑龍江電力，2013，35（4）：295?298.

[7] 劉濤，盧春林，朱凱，等.配電網(wǎng)接地故障診斷管理軟件設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2013（20）：273.

[8] 趙永昌，胡保有.S32電纜故障定位系統(tǒng)在配電網(wǎng)故障探測(cè)中的應(yīng)用[J].河南城建學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（6）：59?60.

[9] 王勇曉.基于零序電流突變量的配電網(wǎng)單相接地故障定位方法研究[J].現(xiàn)代制造，2013（15）：28?29.

[10] 苑博，邱湘可.基于PSCAD/EMTDC的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的仿真研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2015，23（4）：36?39.