1系統(tǒng)構(gòu)成

電力線路故障診斷與定位系統(tǒng)方案的核心思想是:采用短距離無線傳輸和GPRS遠(yuǎn)程無線傳輸相結(jié)合的通信方式，將線路上的故障指示器和變電站端的接地故障選線設(shè)備有機(jī)結(jié)合起來，完成線路故障的判斷和定位。整個(gè)系統(tǒng)由4個(gè)部分組成。

(1)主站系統(tǒng)主站系統(tǒng)主要完成對整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控及管理，同時(shí)包括與接地選線設(shè)備、特征信號注入裝置的協(xié)調(diào)運(yùn)作。當(dāng)線路發(fā)生大電流故障時(shí)，分析故障數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確判斷及顯示故障類型，并在人機(jī)交互界面上正確提示故障區(qū)段，幫助電力運(yùn)維人員縮短故障點(diǎn)查找時(shí)間。對于非有效接地的系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生線路故障時(shí)，主站通過接地選線設(shè)備確定發(fā)生故障的線路，且控制特征信號的注入，最后由故障指示器采集特征信號，進(jìn)行故障定位。

(2)接地選線裝置和特征信號產(chǎn)生裝置不同于大電流接地系統(tǒng)，對于非有效接地系統(tǒng)因其故障電流小，所以根據(jù)相電流是否越限的方法進(jìn)行故障判斷不可取。接地選線裝置安裝在變電站內(nèi)，其主要功能為實(shí)時(shí)監(jiān)測變壓器中性點(diǎn)的零序電壓及零序電流，當(dāng)檢測值超過設(shè)定值時(shí)，判斷是否為穩(wěn)定的單相接地故障，同時(shí)選定具體的故障線路中的故障相。隨后特征信號產(chǎn)生裝置投入中電阻，向線路中注入偶次諧波作為特征信號。相應(yīng)線路上的故障指示器通過檢測偶次諧波來進(jìn)行故障判斷和定位，只不過檢測的對象由原來的電流改為了偶次諧波。

(3)故障指示器故障指示器掛在線路上，其電流互感器線圈可以檢測線路上的負(fù)荷電流和偶次諧波信號，同時(shí)自帶短距離無線通信模塊，具備無線雙向通信功能。當(dāng)檢測到線路故障時(shí)，主動(dòng)上報(bào)故障信息，同時(shí)也可接收主站發(fā)送命令。

(4)數(shù)據(jù)集中器出于運(yùn)行成本及低功耗的考慮，故障指示器采用ISM頻段的中短距無線通信方式。為了與主站進(jìn)行通信，需要增加數(shù)據(jù)集中器作為長距離的無線通信轉(zhuǎn)發(fā)中繼。數(shù)據(jù)集中器一般采用GPRS方式與主站端通信，并根據(jù)通信距離的要求，下轄多個(gè)故障指示器。

2通信組網(wǎng)方案

根據(jù)所采用通信方式的特點(diǎn)，系統(tǒng)使用如下通信組網(wǎng)方案。故障指示器在空曠、無遮擋條件下的單級傳輸距離可達(dá)500m，為了彌補(bǔ)通信距離的限制，故障指示器本身支持無線通信轉(zhuǎn)發(fā)功能，并可組成通信級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，以擴(kuò)展通信距離。數(shù)據(jù)集中器的作用是管理下級的多組故障指示器，并作為主站與故障指示器間的數(shù)據(jù)通信橋梁。

3故障定位技術(shù)

線路故障的類型可以分為很多種，根據(jù)故障電流的大小，可以把線路故障分為大電流故障和小電流故障兩種類型。大電流故障主要包括相間短路故障和中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)的接地故障;小電流故障主要是針對于中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)的接地故障，因其接地電阻大，當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，流經(jīng)接地點(diǎn)的故障電流較小。

3.1大電流故障的判斷定位方式在故障診斷與定位系統(tǒng)中，對于大電流故障的判斷和定位相對比較簡單。由于發(fā)生大電流故障時(shí)，故障點(diǎn)前的線路電流會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)突變，當(dāng)故障指示器捕捉到的電流突變大于閾值時(shí)，馬上會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號，并通過級聯(lián)的方式將故障數(shù)據(jù)主動(dòng)上傳到集中器，由集中器上報(bào)給主站。由于故障點(diǎn)前后的故障指示器檢測到的電流值有很大差別，可以以此作為故障點(diǎn)的定位依據(jù)。

3.2接地故障的判斷定位方式根據(jù)中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)，接地故障的判斷和定位方法分為兩類:在中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)中，接地故障同時(shí)將引發(fā)故障相的大電流產(chǎn)生，因此其定位方法與大電流故障的判斷方式相同。而在中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)中，由于消弧線圈、中性點(diǎn)大電阻等的加入，接地故障發(fā)生時(shí)，接地故障電流很小，不會(huì)發(fā)生故障相電流突變的情況，因此不能采用檢測電流作為故障發(fā)生的判據(jù)。如果在接地故障發(fā)生時(shí)，故障指示器能檢測到一個(gè)有明顯特征的電流信號，該信號在接地點(diǎn)前后有明顯幅度差異，則對于中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)接地故障的定位將變得可行而簡單。基于上述考慮，本方案通過投入二極管串聯(lián)中電阻的方式，對故障線路加注一個(gè)電流特征信號，其幅值可達(dá)到幾十A，故障指示器可以采集這個(gè)信號作為故障發(fā)生的判據(jù)，并確保故障點(diǎn)可靠定位。

4故障指示系統(tǒng)通信技術(shù)

故障指示器一般安裝于戶外，通信方式的選擇是一個(gè)需要認(rèn)真考慮的問題。由于故障指示器屬于無法外接電源的戶外設(shè)備，應(yīng)具備低功耗、免維護(hù)的特點(diǎn)，其采用的短距離無線通信技術(shù)必須具備功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)和穿透力強(qiáng)的基本特性，因此故障指示器采用了基于FSK(GFSK)射頻技術(shù)的無線通信模塊，同時(shí)其頻率范圍采用ISM頻段。對于需要進(jìn)行遠(yuǎn)傳通信的數(shù)據(jù)集中器，則采用GPRS通信技術(shù)。首先GPRS產(chǎn)品技術(shù)已經(jīng)非常成熟，其次GPRS網(wǎng)絡(luò)基本上覆蓋了所有區(qū)域。相比其他技術(shù)而言，GPRS技術(shù)更經(jīng)濟(jì)、更實(shí)用，更符合數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信的需求。

5故障診斷

對于線路相間短路故障，主要由線路上的故障指示器來完成判斷。當(dāng)故障指示器檢測到線路電流發(fā)生突變并且滿足相應(yīng)判據(jù)時(shí)，就可以判定是否發(fā)生相間短路故障。對于接地故障，特別是中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)，需要變電站側(cè)的接地選線裝置配合完成。

5.1相間短路故障相間短路故障判斷的原理是:故障指示器通過線路中電流的突變來確認(rèn)是否發(fā)生短路故障，它采用電流突變值和持續(xù)時(shí)間作為短路故障的判據(jù)。由于故障指示器能夠較為準(zhǔn)確地檢測故障電流并計(jì)算持續(xù)時(shí)間，判據(jù)比較全面且易實(shí)現(xiàn)，因此可以大大減少誤動(dòng)作的可能性。其判據(jù)主要為:

(1)線路中的突變電流大于預(yù)設(shè)的電流閾值，并且持續(xù)一段時(shí)間;

(2)變電站內(nèi)斷路器的跳閘時(shí)間要大于電流突變持續(xù)時(shí)間Δt;

(3)斷路器跳閘，檢測到線路電流應(yīng)降為0。根據(jù)以上3點(diǎn)條件，短路判據(jù)可以設(shè)定如下。1)It≥電流閾值;2)ΔI≥0.5o;3)0.02s≤Δt≤0.2s;4)I3s=0。在以上4個(gè)判據(jù)中:It為突變電流啟動(dòng)值，ΔI為電流變化率，Io為故障前電流值，Δt為電流突變持續(xù)時(shí)間，需要參照斷路器的動(dòng)作時(shí)間設(shè)定;I3s為自電流突變起3s后所測的的線路電流，此時(shí)斷路器已經(jīng)跳閘，線路電流降為0。當(dāng)故障指示器檢測到線路電流同時(shí)滿足以上4個(gè)條件時(shí)，即可認(rèn)為線路發(fā)生短路故障，此時(shí)故障指示器主動(dòng)上報(bào)故障信息到主站服務(wù)器。

5.2接地故障目前中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)接地故障的判斷和定位策略一直是業(yè)界的難點(diǎn)，可靠性、易操作性是主要考慮的問題。本系統(tǒng)方案采用了特征信號注入的方式，通過在變壓器中性點(diǎn)投入二極管串接中電阻，在線路中疊加穩(wěn)定的偶次諧波作為特征信號，并利用故障點(diǎn)前后故障指示器檢測到的偶次諧波差異量來判斷故障點(diǎn)。對于中性點(diǎn)有效接地的系統(tǒng)，其判斷策略可參照短路故障判斷的原理。

6結(jié)語

本文對故障診斷與定位系統(tǒng)的方案做了較為詳細(xì)的講解，介紹了系統(tǒng)中的故障診斷與定位算法及通信技術(shù)等關(guān)鍵問題。在發(fā)生線路故障時(shí)，該系統(tǒng)能夠快速實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的故障定位功能，為電力部門快速、高效修復(fù)故障提供了技術(shù)保障。

作者：吳愛軍 陳海昆 陳宇 鮑光輝 張振       單位：上海市電力公司松江供電公司上海資和通信科技有限公司