电力线路故障诊断与定位系统

1系统构成

电力线路故障诊断与定位系统方案的核心思想是:采用短距离无线传输和GPRS远程无线传输相结合的通信方式，将线路上的故障指示器和变电站端的接地故障选线设备有机结合起来，完成线路故障的判断和定位。整个系统由4个部分组成。

(1)主站系统主站系统主要完成对整个系统的监控及管理，同时包括与接地选线设备、特征信号注入装置的协调运作。当线路发生大电流故障时，分析故障数据，准确判断及显示故障类型，并在人机交互界面上正确提示故障区段，帮助电力运维人员缩短故障点查找时间。对于非有效接地的系统，当发生线路故障时，主站通过接地选线设备确定发生故障的线路，且控制特征信号的注入，最后由故障指示器采集特征信号，进行故障定位。

(2)接地选线装置和特征信号产生装置不同于大电流接地系统，对于非有效接地系统因其故障电流小，所以根据相电流是否越限的方法进行故障判断不可取。接地选线装置安装在变电站内，其主要功能为实时监测变压器中性点的零序电压及零序电流，当检测值超过设定值时，判断是否为稳定的单相接地故障，同时选定具体的故障线路中的故障相。随后特征信号产生装置投入中电阻，向线路中注入偶次谐波作为特征信号。相应线路上的故障指示器通过检测偶次谐波来进行故障判断和定位，只不过检测的对象由原来的电流改为了偶次谐波。

(3)故障指示器故障指示器挂在线路上，其电流互感器线圈可以检测线路上的负荷电流和偶次谐波信号，同时自带短距离无线通信模块，具备无线双向通信功能。当检测到线路故障时，主动上报故障信息，同时也可接收主站发送命令。

(4)数据集中器出于运行成本及低功耗的考虑，故障指示器采用ISM频段的中短距无线通信方式。为了与主站进行通信，需要增加数据集中器作为长距离的无线通信转发中继。数据集中器一般采用GPRS方式与主站端通信，并根据通信距离的要求，下辖多个故障指示器。

2通信组网方案

根据所采用通信方式的特点，系统使用如下通信组网方案。故障指示器在空旷、无遮挡条件下的单级传输距离可达500m，为了弥补通信距离的限制，故障指示器本身支持无线通信转发功能，并可组成通信级联网络，以扩展通信距离。数据集中器的作用是管理下级的多组故障指示器，并作为主站与故障指示器间的数据通信桥梁。

3故障定位技术

线路故障的类型可以分为很多种，根据故障电流的大小，可以把线路故障分为大电流故障和小电流故障两种类型。大电流故障主要包括相间短路故障和中性点有效接地系统的接地故障;小电流故障主要是针对于中性点非有效接地系统的接地故障，因其接地电阻大，当发生接地故障时，流经接地点的故障电流较小。

3.1大电流故障的判断定位方式在故障诊断与定位系统中，对于大电流故障的判断和定位相对比较简单。由于发生大电流故障时，故障点前的线路电流会产生瞬时突变，当故障指示器捕捉到的电流突变大于阈值时，马上会产生报警信号，并通过级联的方式将故障数据主动上传到集中器，由集中器上报给主站。由于故障点前后的故障指示器检测到的电流值有很大差别，可以以此作为故障点的定位依据。

3.2接地故障的判断定位方式根据中性点有效接地系统和中性点非有效接地系统，接地故障的判断和定位方法分为两类:在中性点有效接地系统中，接地故障同时将引发故障相的大电流产生，因此其定位方法与大电流故障的判断方式相同。而在中性点非有效接地系统中，由于消弧线圈、中性点大电阻等的加入，接地故障发生时，接地故障电流很小，不会发生故障相电流突变的情况，因此不能采用检测电流作为故障发生的判据。如果在接地故障发生时，故障指示器能检测到一个有明显特征的电流信号，该信号在接地点前后有明显幅度差异，则对于中性点非有效接地系统接地故障的定位将变得可行而简单。基于上述考虑，本方案通过投入二极管串联中电阻的方式，对故障线路加注一个电流特征信号，其幅值可达到几十A，故障指示器可以采集这个信号作为故障发生的判据，并确保故障点可靠定位。

4故障指示系统通信技术

故障指示器一般安装于户外，通信方式的选择是一个需要认真考虑的问题。由于故障指示器属于无法外接电源的户外设备，应具备低功耗、免维护的特点，其采用的短距离无线通信技术必须具备功耗低、传输距离远、抗干扰能力强和穿透力强的基本特性，因此故障指示器采用了基于FSK(GFSK)射频技术的无线通信模块，同时其频率范围采用ISM频段。对于需要进行远传通信的数据集中器，则采用GPRS通信技术。首先GPRS产品技术已经非常成熟，其次GPRS网络基本上覆盖了所有区域。相比其他技术而言，GPRS技术更经济、更实用，更符合数据远程通信的需求。

5故障诊断

对于线路相间短路故障，主要由线路上的故障指示器来完成判断。当故障指示器检测到线路电流发生突变并且满足相应判据时，就可以判定是否发生相间短路故障。对于接地故障，特别是中性点非有效接地系统，需要变电站侧的接地选线装置配合完成。

5.1相间短路故障相间短路故障判断的原理是:故障指示器通过线路中电流的突变来确认是否发生短路故障，它采用电流突变值和持续时间作为短路故障的判据。由于故障指示器能够较为准确地检测故障电流并计算持续时间，判据比较全面且易实现，因此可以大大减少误动作的可能性。其判据主要为:

(1)线路中的突变电流大于预设的电流阈值，并且持续一段时间;

(2)变电站内断路器的跳闸时间要大于电流突变持续时间Δt;

(3)断路器跳闸，检测到线路电流应降为0。根据以上3点条件，短路判据可以设定如下。1)It≥电流阈值;2)ΔI≥0.5o;3)0.02s≤Δt≤0.2s;4)I3s=0。在以上4个判据中:It为突变电流启动值，ΔI为电流变化率，Io为故障前电流值，Δt为电流突变持续时间，需要参照断路器的动作时间设定;I3s为自电流突变起3s后所测的的线路电流，此时断路器已经跳闸，线路电流降为0。当故障指示器检测到线路电流同时满足以上4个条件时，即可认为线路发生短路故障，此时故障指示器主动上报故障信息到主站服务器。

5.2接地故障目前中性点非有效接地系统接地故障的判断和定位策略一直是业界的难点，可靠性、易操作性是主要考虑的问题。本系统方案采用了特征信号注入的方式，通过在变压器中性点投入二极管串接中电阻，在线路中叠加稳定的偶次谐波作为特征信号，并利用故障点前后故障指示器检测到的偶次谐波差异量来判断故障点。对于中性点有效接地的系统，其判断策略可参照短路故障判断的原理。

6结语

本文对故障诊断与定位系统的方案做了较为详细的讲解，介绍了系统中的故障诊断与定位算法及通信技术等关键问题。在发生线路故障时，该系统能够快速实现准确的故障定位功能，为电力部门快速、高效修复故障提供了技术保障。

作者：吴爱军 陈海昆 陈宇 鲍光辉 张振       单位：上海市电力公司松江供电公司上海资和通信科技有限公司