基于電力線載波通信的分布式饋線自動化故障定位方法

王喜柱

（晉中職業技術學院，山西 晉中 030600）

0 引 言

隨著電力系統的不斷發展和智能化水平的提升，饋線自動化技術在提高電網供電可靠性和管理效率方面發揮著重要作用。故障定位作為饋線自動化的關鍵環節，其準確性直接關系著電力系統的穩定運行和用戶的用電體驗[1]。傳統的故障定位通常依賴人工巡檢與各種監控設備，在實際應用中存在一定的不足[2]。因此，電力系統領域急需研究并開發新型、高效的故障定位技術，為智能電網建設提供有力的技術支撐[3]。基于此，文章利用電力線載波通信，設計了一種全新的分布式饋線自動化故障定位方法，能夠快速、準確定位故障點，并提高故障處理的自動化水平，減少人工干預。

1 分布式饋線自動化故障定位方法設計

1.1 分布式饋線節點數據采集

分布式饋線節點數據采集是饋線自動化故障定位中的關鍵環節，用于收集各個饋線節點的實時數據。根據饋線系統的要求，配置數據采集設備的參數。

在分布式饋線節點數據采集過程中，傳感器被精準部署在饋線節點處，實時監測電流、電壓及溫度等關鍵物理量。這些物理量通常以模擬信號的形式存在，無法直接進行數據分析和處理。而傳感器內置的信號轉換模塊會將這些模擬信號轉換成數字信號，以便后續進行傳輸和處理。數據采集器能夠接收來自傳感器的數字信號[4]。為確保數據的高效傳輸和存儲，數據采集器會采用差分編碼技術對這些數字信號進行適當壓縮。差分編碼不僅能顯著降低數據的冗余度，減輕傳輸和存儲的負載，還能在一定程度上提高數據的抗干擾能力。完成數據壓縮后，采集的數據會被暫存在饋線節點的本地存儲設備中。存儲設備通常采用高可靠性、高容量的存儲介質，以確保數據的長期保存和快速訪問[5]。

電力線載波通信作為一種高效、穩定的通信方式，能夠在復雜的電力網絡環境中實現數據的可靠傳輸。在數據傳輸過程中，實時監測通信鏈路的狀態，包括信號強度、傳輸速率及丟包率等關鍵指標。一旦發現通信鏈路出現異常或不穩定的情況，立即采取相應的措施進行修復或調整，以確保數據傳輸的穩定性和可靠性。

1.2 分布式饋線故障檢測

完成分布式饋線節點數據采集后，需要對饋線進行故障檢測，以及時、準確地識別饋線系統中發生的故障。首先，啟動分布式饋線自動化故障檢測機制，實時監控饋線系統的運行狀態，確保饋線的安全與穩定[6]。其次，根據饋線系統的歷史數據、長期的運行經驗及設備的技術規格等，設定各種關鍵參數的故障檢測閾值。這些閾值反映了饋線系統在正常運行狀態下的參數范圍，一旦實時數據超出這些范圍，就意味著饋線系統可能出現了故障或異常情況。最后，通過部署在饋線各節點的傳感器，實時采集饋線系統的各項數據，包括電流、電壓及溫度等關鍵參數，以了解饋線系統的實時運行狀態。通過處理和分析這些數據，可以計算出電流變化率、電壓波動范圍等，更直觀地反映饋線系統的健康狀況，從而為后續的故障檢測提供有力支持。為確保數據的準確性，需要定期校準和維護傳感器，以確保其測量結果的準確性。同時，需要采用合適的數據處理和分析方法，以消除可能的干擾和噪聲，提高數據的可靠性。故障特征參數的計算公式為

式中：ROC表示電流的變化率；ΔI表示電流的變化量；Δt表示時間間隔；Umax、Umin分別表示電壓在一段時間內的最大值和最小值。通過式（1）和式（2）提取分布式饋線自動化故障特征，建立故障特征庫，并儲存已知的故障特征，以便與實時數據進行比對。一旦饋線系統出現故障，故障電流或電壓會立即出現異常變化。

1.3 基于電力線載波通信的自動化故障定位

在分布式饋線故障檢測的基礎上，借助電力線載波通信自動化定位故障點。基于電力線載波通信的饋線自動化故障定位是將電力線作為通信介質，通過發送和接收特定的信號來檢測和定位饋線系統中發生故障的位置，并通過調制和解調技術傳輸數據。

在饋線自動化故障定位中，可以利用電力線載波通信技術發送特定的信號，并通過接收的信號特征來判斷饋線中是否存在故障。在實際應用中，會在饋線系統中設置多個通信節點，這些節點通過電力線實現相互連接。當系統發生故障時，系統會啟動故障定位機制，且故障節點會發送特定的定位信號。這些信號會沿著電力線傳播，一旦遇到故障點，信號就會發生反射或衰減；而其他節點會接收這些信號，并對信號進行分析，以確定故障點的位置。

由分布式傳輸線理論可知，應用高頻電源時，可以將分布式饋線視作一個雙線傳輸的分布式參數模型，以更準確地描述電力線在高頻信號傳輸過程中的行為特性。饋線分布式參數等效模型如圖1 所示。

圖1 饋線分布式參數等效模型

在該模型中，電力線不僅是輸送電能的介質，還是承載高頻信息的通信信道。分布式饋線每單位長度的串聯電阻R和串聯電感L的計算公式為

式中：r表示導體半徑；D表示兩個導體中心的距離；σs表示導體電導率；μa表示導體相對磁導率；μ0表示導體的真空磁導率。饋線每單位長度的并聯電容C與并聯電導G的計算公式為

式中：δa為導體相對介電常數；δ0為導體真空介電常數；tanβ為導體的損耗因子。

通過式（3）～式（6）可以得出等效模型的各項參數。傳感器將檢測到的異常數據通過電力線載波通信模塊發送至饋線自動化系統的中央控制器。在此基礎上，利用行波在饋線中的傳播速度計算故障點與測量點之間的距離，計算公式為

式中：L表示饋線的長度；t表示信號從一端傳播到另一端所需的時間。

在饋線系統中，故障定位信號首先會沿著電力線傳播，并經過系統中的各個節點。其次，節點上的電力線載波通信模塊將接收到的故障定位信號轉發至中央控制器。再次，中央控制器接收到該信號后，對其進行分析和處理。最后，利用測量的信號到達時間和行波速度，結合饋線的拓撲結構，計算故障點距饋線終端的距離，公式為

式中：tm為測量點接收到信號的時間；ti為信號注入時間。

由于信號傳播可能會受到饋線阻抗、分支線路等因素的影響，需要對計算故障位置進行校準。利用反射系數和行波速度，對故障定位結果進行調整，用公式表示為

式中：dc為校準后的故障點距饋線終端的距離；R為反射系數，反映信號在饋線中傳播時受到的反射程度，通常取-1 ～1。其中，R=0 表示沒有反射，R＜0 表示反射方向與行波傳播方向相反，R＞0 表示反射方向與行波傳播方向相同。

2 實驗分析

2.1 實驗準備

為驗證文章設計的基于電力線載波通信的分布式饋線自動化故障定位方法的有效性，模擬一個中等規模的電力系統。該系統包括10 條饋線，總長度約為50 km，每條饋線上均勻分布著20 個節點，節點間的距離約為2.5 km。同時，采用具有高速數據傳輸能力的電力線載波通信設備，通信速率為1 Mb/s，誤碼率低于0.000 1%。為每個節點安裝電流傳感器和電壓傳感器，實時監測線路狀態，采樣頻率為1 kHz。此外，利用故障模擬裝置，模擬不同類型的電力故障。本次實驗測試的參數包括3 個：第一，通信參數。載波頻率為50 kHz，通信協議采用自定義的傳輸控制協議/網際協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），以確保數據的可靠傳輸。第二，故障模擬參數。模擬短路故障時，短路電阻設置為0.1 Ω。第三，數據處理參數。采用分布式算法處理數據，數據處理延遲不超過100 ms。在此基礎上，啟動載波通信設備，建立通信鏈路。

2.2 結果分析

將分布式饋線自動化故障定位精度作為此次實驗的評價指標，以衡量故障定位結果的準確性。定位精度用實際故障位置與定位結果之間的誤差表示，計算公式為

式中：La為分布式饋線實際故障位置到饋線終端的距離；Lr為分布式饋線故障定位結果。A值越小，分布式饋線實際故障位置與定位結果之間的誤差越小，故障定位精度越高；反之，同理。

為驗證所提方法的有效性，分別將文獻[1]提出的基于路徑故障特征的定位方法、文獻[3]提出的基于改進多元宇宙算法的定位方法作為對照組1 與對照組2，將文章提出的定位方法作為實驗組，進行對比實驗。在相同的實驗環境下，模擬不同類型的故障，分別使用文章提出方法和兩種常規方法進行故障定位，記錄并分析3 種方法的定位精度（即實際故障位置與檢測位置之間的距離差），對比結果如表1 所示。

表1 分布式饋線故障定位精度對比結果 單位：m

由表1 可知，應用文章提出的故障定位方法后，6 種不同類型的分布式饋線故障定位的A值明顯小于另外2 種方法，能夠有效提高故障定位精度，為電力系統的故障定位提供更加準確的解決方案。

3 結 論

基于電力線載波通信的分布式饋線自動化故障定位方法不僅具備較高的理論價值，還展現出廣闊的實際應用前景。該方法通過實時、高效的通信機制，實現對饋線故障的準確定位。隨著技術的不斷進步和應用范圍的擴大，該方法將在構建更加智能、高效的電力系統中發揮重要的作用，為未來的電力系統高效運行與能源發展提供有力支撐。