王喜柱

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030600）

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和智能化水平的提升，饋線自動(dòng)化技術(shù)在提高電網(wǎng)供電可靠性和管理效率方面發(fā)揮著重要作用。故障定位作為饋線自動(dòng)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其準(zhǔn)確性直接關(guān)系著電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和用戶的用電體驗(yàn)[1]。傳統(tǒng)的故障定位通常依賴人工巡檢與各種監(jiān)控設(shè)備，在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的不足[2]。因此，電力系統(tǒng)領(lǐng)域急需研究并開發(fā)新型、高效的故障定位技術(shù)，為智能電網(wǎng)建設(shè)提供有力的技術(shù)支撐[3]?；诖?，文章利用電力線載波通信，設(shè)計(jì)了一種全新的分布式饋線自動(dòng)化故障定位方法，能夠快速、準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，并提高故障處理的自動(dòng)化水平，減少人工干預(yù)。

1 分布式饋線自動(dòng)化故障定位方法設(shè)計(jì)

1.1 分布式饋線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集

分布式饋線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集是饋線自動(dòng)化故障定位中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，用于收集各個(gè)饋線節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。根據(jù)饋線系統(tǒng)的要求，配置數(shù)據(jù)采集設(shè)備的參數(shù)。

在分布式饋線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集過程中，傳感器被精準(zhǔn)部署在饋線節(jié)點(diǎn)處，實(shí)時(shí)監(jiān)測電流、電壓及溫度等關(guān)鍵物理量。這些物理量通常以模擬信號(hào)的形式存在，無法直接進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。而傳感器內(nèi)置的信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊會(huì)將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以便后續(xù)進(jìn)行傳輸和處理。數(shù)據(jù)采集器能夠接收來自傳感器的數(shù)字信號(hào)[4]。為確保數(shù)據(jù)的高效傳輸和存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)采集器會(huì)采用差分編碼技術(shù)對這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)壓縮。差分編碼不僅能顯著降低數(shù)據(jù)的冗余度，減輕傳輸和存儲(chǔ)的負(fù)載，還能在一定程度上提高數(shù)據(jù)的抗干擾能力。完成數(shù)據(jù)壓縮后，采集的數(shù)據(jù)會(huì)被暫存在饋線節(jié)點(diǎn)的本地存儲(chǔ)設(shè)備中。存儲(chǔ)設(shè)備通常采用高可靠性、高容量的存儲(chǔ)介質(zhì)，以確保數(shù)據(jù)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(wěn)定的通信方式，能夠在復(fù)雜的電力網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測通信鏈路的狀態(tài)，包括信號(hào)強(qiáng)度、傳輸速率及丟包率等關(guān)鍵指標(biāo)。一旦發(fā)現(xiàn)通信鏈路出現(xiàn)異?；虿环€(wěn)定的情況，立即采取相應(yīng)的措施進(jìn)行修復(fù)或調(diào)整，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)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(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集后，需要對饋線進(jìn)行故障檢測，以及時(shí)、準(zhǔn)確地識(shí)別饋線系統(tǒng)中發(fā)生的故障。首先，啟動(dòng)分布式饋線自動(dòng)化故障檢測機(jī)制，實(shí)時(shí)監(jiān)控饋線系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，確保饋線的安全與穩(wěn)定[6]。其次，根據(jù)饋線系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)、長期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及設(shè)備的技術(shù)規(guī)格等，設(shè)定各種關(guān)鍵參數(shù)的故障檢測閾值。這些閾值反映了饋線系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下的參數(shù)范圍，一旦實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超出這些范圍，就意味著饋線系統(tǒng)可能出現(xiàn)了故障或異常情況。最后，通過部署在饋線各節(jié)點(diǎn)的傳感器，實(shí)時(shí)采集饋線系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，包括電流、電壓及溫度等關(guān)鍵參數(shù)，以了解饋線系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。通過處理和分析這些數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出電流變化率、電壓波動(dòng)范圍等，更直觀地反映饋線系統(tǒng)的健康狀況，從而為后續(xù)的故障檢測提供有力支持。為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要定期校準(zhǔn)和維護(hù)傳感器，以確保其測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)，需要采用合適的數(shù)據(jù)處理和分析方法，以消除可能的干擾和噪聲，提高數(shù)據(jù)的可靠性。故障特征參數(shù)的計(jì)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(shí)間間隔；Umax、Umin分別表示電壓在一段時(shí)間內(nèi)的最大值和最小值。通過式（1）和式（2）提取分布式饋線自動(dòng)化故障特征，建立故障特征庫，并儲(chǔ)存已知的故障特征，以便與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。一旦饋線系統(tǒng)出現(xiàn)故障，故障電流或電壓會(huì)立即出現(xiàn)異常變化。

1.3 基于電力線載波通信的自動(dòng)化故障定位

在分布式饋線故障檢測的基礎(chǔ)上，借助電力線載波通信自動(dòng)化定位故障點(diǎn)?；陔娏€載波通信的饋線自動(dòng)化故障定位是將電力線作為通信介質(zhì)，通過發(fā)送和接收特定的信號(hào)來檢測和定位饋線系統(tǒng)中發(fā)生故障的位置，并通過調(diào)制和解調(diào)技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)。

在饋線自動(dòng)化故障定位中，可以利用電力線載波通信技術(shù)發(fā)送特定的信號(hào)，并通過接收的信號(hào)特征來判斷饋線中是否存在故障。在實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)在饋線系統(tǒng)中設(shè)置多個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)通過電力線實(shí)現(xiàn)相互連接。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)故障定位機(jī)制，且故障節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送特定的定位信號(hào)。這些信號(hào)會(huì)沿著電力線傳播，一旦遇到故障點(diǎn)，信號(hào)就會(huì)發(fā)生反射或衰減；而其他節(jié)點(diǎn)會(huì)接收這些信號(hào)，并對信號(hào)進(jìn)行分析，以確定故障點(diǎn)的位置。

由分布式傳輸線理論可知，應(yīng)用高頻電源時(shí)，可以將分布式饋線視作一個(gè)雙線傳輸?shù)姆植际絽?shù)模型，以更準(zhǔn)確地描述電力線在高頻信號(hào)傳輸過程中的行為特性。饋線分布式參數(shù)等效模型如圖1 所示。

圖1 饋線分布式參數(shù)等效模型

在該模型中，電力線不僅是輸送電能的介質(zhì)，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(lián)電阻R和串聯(lián)電感L的計(jì)算公式為

式中：r表示導(dǎo)體半徑；D表示兩個(gè)導(dǎo)體中心的距離；σs表示導(dǎo)體電導(dǎo)率；μa表示導(dǎo)體相對磁導(dǎo)率；μ0表示導(dǎo)體的真空磁導(dǎo)率。饋線每單位長度的并聯(lián)電容C與并聯(lián)電導(dǎo)G的計(jì)算公式為

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

通過式（3）～式（6）可以得出等效模型的各項(xiàng)參數(shù)。傳感器將檢測到的異常數(shù)據(jù)通過電力線載波通信模塊發(fā)送至饋線自動(dòng)化系統(tǒng)的中央控制器。在此基礎(chǔ)上，利用行波在饋線中的傳播速度計(jì)算故障點(diǎn)與測量點(diǎn)之間的距離，計(jì)算公式為

式中：L表示饋線的長度；t表示信號(hào)從一端傳播到另一端所需的時(shí)間。

在饋線系統(tǒng)中，故障定位信號(hào)首先會(huì)沿著電力線傳播，并經(jīng)過系統(tǒng)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)。其次，節(jié)點(diǎn)上的電力線載波通信模塊將接收到的故障定位信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至中央控制器。再次，中央控制器接收到該信號(hào)后，對其進(jìn)行分析和處理。最后，利用測量的信號(hào)到達(dá)時(shí)間和行波速度，結(jié)合饋線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，計(jì)算故障點(diǎn)距饋線終端的距離，公式為

式中：tm為測量點(diǎn)接收到信號(hào)的時(shí)間；ti為信號(hào)注入時(shí)間。

由于信號(hào)傳播可能會(huì)受到饋線阻抗、分支線路等因素的影響，需要對計(jì)算故障位置進(jìn)行校準(zhǔn)。利用反射系數(shù)和行波速度，對故障定位結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，用公式表示為

式中：dc為校準(zhǔn)后的故障點(diǎn)距饋線終端的距離；R為反射系數(shù)，反映信號(hào)在饋線中傳播時(shí)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(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證文章設(shè)計(jì)的基于電力線載波通信的分布式饋線自動(dòng)化故障定位方法的有效性，模擬一個(gè)中等規(guī)模的電力系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間的距離約為2.5 km。同時(shí)，采用具有高速數(shù)據(jù)傳輸能力的電力線載波通信設(shè)備，通信速率為1 Mb/s，誤碼率低于0.000 1%。為每個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝電流傳感器和電壓傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測線路狀態(tài)，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(shí)驗(yàn)測試的參數(shù)包括3 個(gè)：第一，通信參數(shù)。載波頻率為50 kHz，通信協(xié)議采用自定義的傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），以確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。第二，故障模擬參數(shù)。模擬短路故障時(shí)，短路電阻設(shè)置為0.1 Ω。第三，數(shù)據(jù)處理參數(shù)。采用分布式算法處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理延遲不超過100 ms。在此基礎(chǔ)上，啟動(dòng)載波通信設(shè)備，建立通信鏈路。

2.2 結(jié)果分析

將分布式饋線自動(dòng)化故障定位精度作為此次實(shí)驗(yàn)的評價(jià)指標(biāo)，以衡量故障定位結(jié)果的準(zhǔn)確性。定位精度用實(shí)際故障位置與定位結(jié)果之間的誤差表示，計(jì)算公式為

式中：La為分布式饋線實(shí)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(jié)果。A值越小，分布式饋線實(shí)際故障位置與定位結(jié)果之間的誤差越小，故障定位精度越高；反之，同理。

為驗(yàn)證所提方法的有效性，分別將文獻(xiàn)[1]提出的基于路徑故障特征的定位方法、文獻(xiàn)[3]提出的基于改進(jìn)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(shí)驗(yàn)組，進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)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(guī)方法進(jìn)行故障定位，記錄并分析3 種方法的定位精度（即實(shí)際故障位置與檢測位置之間的距離差），對比結(jié)果如表1 所示。

表1 分布式饋線故障定位精度對比結(jié)果 單位：m

由表1 可知，應(yīng)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(tǒng)的故障定位提供更加準(zhǔn)確的解決方案。

3 結(jié) 論

基于電力線載波通信的分布式饋線自動(dòng)化故障定位方法不僅具備較高的理論價(jià)值，還展現(xiàn)出廣闊的實(shí)際應(yīng)用前景。該方法通過實(shí)時(shí)、高效的通信機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對饋線故障的準(zhǔn)確定位。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，該方法將在構(gòu)建更加智能、高效的電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用，為未來的電力系統(tǒng)高效運(yùn)行與能源發(fā)展提供有力支撐。