李慶江

（國網(wǎng)山東省電力公司濟南市章丘區(qū)供電公司，山東 津南 250200）

0 引言

“十三五”規(guī)劃（2016-2020年）中提出，我國要加快智能電網(wǎng)建設，全面提升國家電網(wǎng)智能化建設水平，實現(xiàn)電力運營的自動化、信息化和互通性，廣泛開展電能需求側響應和電力市場服務，全面提升電網(wǎng)運行能力和可靠水平。研究得知，配電線路是連接電廠和終端用戶之間的重要紐帶，配電線運行狀態(tài)的健康與否是用戶電能使用可靠性的重要保障。由于配電線路分布廣泛和工作環(huán)境惡劣，在長期自然環(huán)境損害下容易出現(xiàn)故障，一些早期的故障如果不能及時發(fā)現(xiàn)并排除，很容易引發(fā)短路、線損等嚴重故障，給電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行造成嚴重危害[1]。現(xiàn)階段，部分地區(qū)對配電線路的診斷檢測依然采用傳統(tǒng)人工模式，不具備在線實時監(jiān)控能力，也無法對配電線路瞬時故障和高阻抗故障做出有效識別和診斷，更無法對潛在故障信號做出預警，配電線路運行的安全性和可靠性無法得到有效保證。鑒于此，本文提出了配電線路故障在線識別和診斷系統(tǒng)設計方案，通過監(jiān)測裝置對配電網(wǎng)運行狀態(tài)信息進行實時監(jiān)控，并且通過無線網(wǎng)絡傳輸給電力調(diào)度人員，從而為下一步的決策提供重要的依據(jù)。

1 配電線路故障診斷系統(tǒng)的特性

配電線路故障在線識別和診斷系統(tǒng)，主要是通過安裝在配電線路上的監(jiān)測裝置實時記錄配電線路運行狀態(tài)信息，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測、故障識別和在線診斷等操作。狀態(tài)檢修的實現(xiàn)則取決于故障識別技術的成功與否，該系統(tǒng)融合了電力傳感器技術、故障定位技術、無線通訊技術以及互聯(lián)網(wǎng)技術，具有智能化故障解決方案，當配電網(wǎng)出現(xiàn)接地、短路、雷擊、線路老化等故障時，系統(tǒng)會及時報告故障類型并顯示具體位置，方便維護人員快速排查故障，及時恢復正常供電[2]。下面就對配電線路故障在線識別和診斷系統(tǒng)的特點進行詳細分析：

1.1 監(jiān)測范圍廣

配電線路故障在線識別和診斷系統(tǒng)能夠實時采集各監(jiān)測點電流的狀態(tài)信息，包括：負荷電流、短路電流以及接地電流，并將這些信息上報至主站系統(tǒng)，在線調(diào)整短路、接地等故障監(jiān)測參數(shù)，對轄區(qū)內(nèi)配電線路進行全面監(jiān)控，及時、準確的判斷線路故障。

1.2 能夠適應嚴苛的外部環(huán)境

故障監(jiān)測裝置需要和配電線路共同適應嚴酷的外部環(huán)境，確保監(jiān)測精度不受影響。該系統(tǒng)的故障監(jiān)測裝置電源使用壽命長達5年，具備IP67的防護等級，抗老化時間長達8年，能夠承受-40℃-70℃的工作溫度，并且在風速≤34m/s，海拔高度≤4000m，相對濕度≤95%的環(huán)境下都能夠正常工作，適用范圍廣、運行可靠性高。

1.3 具備遠程操控功能

配電線路故障在線識別和診斷系統(tǒng)通信方式，采用雙向短距離無線調(diào)頻通信模塊，遠程通信采用GSM網(wǎng)絡通信，監(jiān)測中心可以對現(xiàn)場的故障進行遠程監(jiān)控、調(diào)試和配置，可以實時監(jiān)測配電線路的負荷電流、短路電流、接地電流[3]。

1.4 智能化故障監(jiān)測

可實時凍結和查詢?nèi)喙收媳O(jiān)測器的數(shù)據(jù)信息，用于某一相監(jiān)測到暫態(tài)過程時凍結另外兩相電流采樣信息，將三相暫態(tài)時刻電流信息綜合后進行故障判斷，防止合重閘期間由于負載變化引起的非故障分支誤報，提高故障診斷的精確性。

2 配電線路故障類型及影響評價

電網(wǎng)的正常運行維系著人們的日常生活與生產(chǎn)，配電線路故障不僅會給人們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)造成影響，而且還會給電力公司造成巨大的損失。目前，常見配電線路故障包括：中性點接地、高阻故障、間歇性故障等故障，配電線路故障在線識別和診斷系統(tǒng)可根據(jù)故障類型，準確判斷故障位置，及時進行故障排除和處理。下文對配電線路常見故障類型和影響進行評價分析：

2.1 中性接地故障

目前，我國110kV及以上電網(wǎng)通常采用大電流接地方式，為了降低單相接地點流，對部分變壓器采取不接地的方式，即中性點有效接地方式，這樣中性點電位固定為地電位，發(fā)生單相接地故障時，非故障相電壓升高不會超過1.4倍運行相電壓；暫態(tài)過電壓水平也較低；故障電流很大，漏電保護能迅速動作于跳閘，切除故障，系統(tǒng)設備承受過電壓時間較短。在電力系統(tǒng)故障中，中性接地直接影響到電網(wǎng)系統(tǒng)的絕緣水平、供電可靠性、繼電保護以及通信穩(wěn)定性等多方面問題[4]。

2.2 高阻接地故障

高阻故障通常是指配電線路與高阻抗的地面發(fā)生接觸或者正常運行的電纜線路與周圍物體，如建筑物、樹木造成的短路或雷擊、絕緣子閃絡等原因造成的故障。電纜高阻故障的電流比直接短路接地故障的電流低，傳統(tǒng)的電流監(jiān)測方法無法有效進行監(jiān)測，如果線路長時間帶故障運行，很容易導致相間絕緣擊穿，造成相間故障，造成更大損失。

2.3 間歇性故障

間歇性故障主要是指配電線路發(fā)生間歇性放電，故障被監(jiān)測出來后可能會消失，但不代表故障消除，間歇性故障具有瞬時性和重復性，傳統(tǒng)的繼電保護裝置無法對間歇性故障采取針對性措施，由于間歇性故障持續(xù)時間短、單相接地電流大，電弧無法自熄，容易引發(fā)永久接地故障，給電網(wǎng)系統(tǒng)造成嚴重危害。

3 配電線路故障診斷系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)診斷流程的設計

配電線路故障在線識別和診斷系統(tǒng)工作流程包括：數(shù)據(jù)采集與預處理、數(shù)據(jù)處理、診斷決策和技術措施四個部分組成，系統(tǒng)工作流程如下圖1所示：

圖1 在線診斷流程示意圖Fig. 1 Schematic diagram of online diagnosis process

數(shù)據(jù)采集與預處理主要是測取配電線路出現(xiàn)故障的狀態(tài)信息，該信息是故障診斷的重要依據(jù)，因此，在監(jiān)測過程中需要傳感裝置及時、準確的獲取被監(jiān)測對象的狀態(tài)信息[5]。當傳感裝置獲得配電線路的參數(shù)信息后，通過信號調(diào)制解調(diào)器進行轉換并傳輸，把信號由連續(xù)轉變?yōu)殡x散的過程，根據(jù)不同的診斷目的和對象，選擇能夠反映被測對象狀態(tài)的信號，對采集到的數(shù)據(jù)信息進行分類整理，形成被監(jiān)測對象的狀態(tài)信息庫。

數(shù)據(jù)處理是對被監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)信息進行特征抽取，由于傳感器采集到的信號往往包含外部噪聲以及冗余信息，無法直接用來進行故障診斷，因此，需要對這些信號進行分析處理，包括：噪聲處理、信號放大或信號壓縮等，提取能夠反映故障狀態(tài)的特征，便于進行故障識別和診斷。

診斷決策的依據(jù)是配電網(wǎng)故障數(shù)據(jù)庫，把新發(fā)生的故障信息通過特征抽取后進入待檢模式，通過對故障數(shù)據(jù)庫中的基本模式進行對比判斷，從而確定出異常情況屬于何種故障類型。由于配電線路故障類型復雜多樣，需要對每一種故障類型進行建檔保存，根據(jù)基準模式進一步分析故障征兆和狀態(tài)，查清故障的類型和發(fā)生原因[6]。

技術措施屬于對監(jiān)測出故障的線路進行發(fā)展趨勢分析，對可繼續(xù)運行時間進行有效預估，及時根據(jù)故障原因進行維護和搶修，最大限度地降低由于配電線路故障造成的經(jīng)濟損失。

3.2 配網(wǎng)故障識別和定位設計

根據(jù)上述配電線路故障類型及產(chǎn)生原理，對其故障點進行預測和定位追蹤是本系統(tǒng)的核心功能之一，該系統(tǒng)作為一種大型配電網(wǎng)診斷系統(tǒng)，監(jiān)控范圍廣、線路環(huán)境復雜，因此，故障監(jiān)測和定位方法主要采用低壓脈沖反射法、高壓閃絡法以及沖擊高壓閃絡法。其中低壓脈沖反射法可以對低阻接地和開路故障進行精準快速地識別和定位，有效監(jiān)測配電線路的長度和電波傳播速度，在配電線路出現(xiàn)開路故障時，故障等效阻抗為故障電阻和配電線路特性阻抗串聯(lián)，此時，開路中的故障電阻表現(xiàn)為無窮大，通過接入低壓脈沖測試儀器，將脈沖信號形成全反射狀態(tài)，測試端將接收到同極性的脈沖反射信號，與故障點的發(fā)射波形恰好對應，此時可判斷出該區(qū)域內(nèi)線路運行狀態(tài)[7]。高壓閃絡測試法的設計，適用于配電線路中高阻故障的監(jiān)測，例如：高阻泄漏故障和高阻閃絡性故障，配電線路故障點的直流電阻大于該電纜的特性阻抗的故障均稱為高阻故障，配電線路中的大部分故障屬于高阻故障。直流高壓閃絡法適用于監(jiān)測高阻閃絡故障，監(jiān)測波形較為簡單和直觀。

但是，采用低脈沖法是無法對高阻故障進行測試的，因為故障點等效阻抗幾乎等于電纜特性阻抗，所以其反射系數(shù)幾乎為零，無法進行正常測試。因此，針對該問題，系統(tǒng)還采用沖擊高壓閃絡法技術，增強配網(wǎng)線路故障類型的識別率，提高故障診斷的準確性。該方法與直流高壓閃絡都屬于高壓閃絡的范疇，因此，試驗電路存在高度相似，而沖擊高壓閃絡法更適用于測試配電線路中的高阻故障和閃絡故障。沖擊高壓閃絡法只需要在充電電容器與配電線路之間增加一個球型放電間隙（如圖2所示）。在系統(tǒng)監(jiān)測過程中，首先對充電電容進行充電，當配電線路電壓充滿后，此時球型放電間隙會擊穿放電，配電線路會得到一個瞬時高壓，此時，如果配電線路電壓大于故障點的臨界擊穿電壓時，故障點會擊穿放電，將電流電壓信號向兩端進行傳播[8]。此時，配電線路故障在線識別和診斷系統(tǒng)捕捉到該信號后，即可對線路故障點進行判斷和定位。然后啟動通信機制將故障信號傳輸至系統(tǒng)主站進行數(shù)據(jù)處理，通過可視化設備對配網(wǎng)線路故障區(qū)域、故障類型進行風險預警，工作人員可及時對故障進行處理，恢復配網(wǎng)線路的正常運行。

圖2 沖擊高壓閃絡法實現(xiàn)原理Fig. 2 Principle of impulse High voltage flashover method

4 結論

綜上所述，我國配電網(wǎng)線路分布廣泛、結構復雜、環(huán)境多變，其檢修、維護工作量較大，目前，配電線路自動化技術的研究還處于發(fā)展階段，針對該系統(tǒng)的設計方案還處于不斷完善和優(yōu)化的階段。為了進一步提升配電網(wǎng)運行的可靠性和安全性，為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的電網(wǎng)服務，本文重點研究了配電線路故障在線識別和診斷系統(tǒng)，通過自動化和信息通信技術幫助工作人員及時發(fā)現(xiàn)故障問題，及時排除故障，恢復電網(wǎng)運行，從而提升配電線路運行的可靠性和穩(wěn)定性，增加電力企業(yè)的經(jīng)濟效益。