智能電網

架空線路故障在線檢測與分段定位系統引言：架空線作為輸配電的重要環節，由于種種原因時常出現接地、短路故障，給用戶的安全生產帶來了極大的隱患。故障分析法中的單端測距算法，由于受信息量的影響，故障點定位精度受系統運行方式和過渡電阻的影響，效果不甚理想。目前對于故障點的檢測與定位主要是線路故障指示器。由于故障指示器只有故障翻牌功能，而沒有自動發射、傳輸功能。另外出現的一些線路故障定位系統，也是利用故障指示器實現線路故障分段定位，并采用GSM/GPRS網絡通信方式進行傳輸，即多點發射方式，因此運行費用高，不適用于長距離供電線路。為此，在現有線路故障檢測方法的基礎上，采用新興的ZigBee無線發射模塊自成獨立信息傳輸系統，達到信號可靠傳輸又能降低系統運行費用的目的。ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議。根據國際標準規定，ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。針對目前架空線路故障檢測準確性低和借助GSM通信網絡傳輸線路故障信息成本高的現狀，介紹了以工控機為核心的架空線路故障在線檢測與分段定位系統。將軟件與硬件結合、電流變化率與零電流檢測方法并用，提高了線路短路故障檢測的準確性;將相電壓信號與5次諧波電流信號相融合，提高了接地故障檢測線路的準確性;采用Zigbee無線傳輸芯片制成獨立的信號傳輸系統，既降低了系統的運行成本，又保證了信號的可靠傳輸。以組態王6.51軟件為開發平臺，設計出了具有多種功能的監控程序和顯示畫面。工控機（IndustrialPersonalComputer，IPC）即工業控制計算機，是一種采用總線結構，對生產過程及機電設備、工藝裝備進行檢測與控制的工具總稱2系統基本組成安裝在輸電線路桿塔上的諸多裝置主要完成線路短路故障、接地故障的檢測，以及故障信號的無線傳輸。每個裝置都設定有地址編碼，根據地址編碼就可實現故障的分段定位。通過裝置內部的Zig-Bee無線通信模塊，自成獨立的無線傳輸網絡，故障信號以逐級、接力方式傳輸給變電站的收發器，再經過有線方式將收發器接收到的信號送給變電站工控機，由工控機對故障信息進行分析、處理。當圖1系統結構框圖發生故障時，可進行聲音報警，并顯示、保存或打印故障類型和故障點位置，為排查線路故障和分析故障原因提供依據。同時變電站工控機還將故障信息送給收發器，通過GPRS網絡發送給線路維護人員的手機上，通知維護人員進行線路檢修。這樣既少占通信網絡資源，節省運行費用，又可實現快速查找故障，及時對線路的維護，減少停電時間，提高供電系統的可靠性。并且根據需要，變電站的工控機還可通過網線與生產調度系統的監控主機進行聯網，可隨時顯示、打印和存儲檢測數據，使生產調度人員及時了解線路的運行情況。另外，該系統還具有對信號傳輸的自檢功能。即通過軟件編程，工控機以應答方式對各個點進行定期巡檢，以便及時了解各個裝置的工作情況，以便發現問題及時處理，保證系統信號傳輸的可靠工作。3故障檢測1)短路故障檢測原理線路電流理想變化曲線，如下圖2示：圖2線路電流理想變化曲線圖中，Ig為線路的工作電流;Imax為線路的最大工作電流;IS為線路短路電流;t0～t1為保護裝置動作時間;t2～t3為重合閘裝置動作時間。線路正常時，工作電流在Ig附近變化，一般不超過最大電流Imax。如果在t0時刻發生短路故障，線路電流立刻由工作電流Ig陡升到短路電流IS，經過t0到t1后，速斷保護裝置動作，電流在t1刻降為0，切斷短路電流。通常變電站出線端還裝設有重合閘裝置，則經過t2到t3后重合閘動作。若為瞬間短路故障，重合閘時故障消失，電流恢復為Ig，重合閘成功;若為非瞬間短路故障，在t2瞬間短路電流未消除，經t2到t3后電流又降為0，重合閘失敗。通常負荷增加時電流的變化率明顯小于短路故障時的電流變換率，因此，可根據電流變化率區分短路與負荷增加情況。但為了可靠起見，利用零電流信號判別短路故障，即在檢測到較大的電流變換率后，延時1s左右再檢測線路電流信號，如果線路電流為零，則認為是短路故障;如果線路電路不為零，則認為是線路負荷增大引起的電流變化，或雖然線路發生了瞬間短路，但保護裝置重合閘成功，則不作為短路故障處理。2)接地故障檢測：原理目前現有單相接地故障的檢測方法主要包括零序電流法、電容電流法、首半波法、五次諧波法和信號注入法等。當線路的某一相發生接地時，則該相電壓降低，使三相電壓不對稱，通常配電網的負荷中都有感性負載，線路電流產生畸變，產生大量的高次諧波電流，即出現3，5，7，…諧波。但由于6～66kV配電網屬于中性點非有效接地系統，所以三次諧波電流無法通過，而其他的諧波分量占的比例很小，因此接地時五次諧波最為明顯。為此，采用五次諧波電流法，即通過檢測線路電流，提取五次諧波分量，根據五次諧波電流的大小判斷出接地故障，其檢測電路，如圖3所示。圖35次諧波電流檢測示意圖首先經特殊的開口式電流互感器對線路電流進行檢測，經選頻電路將五次諧波分量分離出來，再經整流電路變為直流電壓信號，最后經比較電路輸出。由于線路中非線性負載的存在，線路正常時也可能存在一定的高次諧波電流，這里采用比較輸出。根據正常時五次諧波電流的預測值確定比較器的基準值，當五次諧波電流大于或等于比較器的基準值時，輸出為高電位，則判定為接地故障;否則，輸出為低電位，判定為非接地。另外，為進一步提高接地故障檢測的可靠性，還對電路相電壓進行檢測，并作為判定接地故障的必要條件之一，當線路電壓降低為正常時的80%，同時五次諧波電流檢測電路輸出為高電位，此時才判定為接地故障，其他情況為非接地故障。4監控主機軟件開發1)軟件平臺該系統以組態王6.51軟件為開發平臺，設計出了具有通信、故障顯示、數據庫存儲、短信發送等多種功能的監控程序和顯示畫面。組態王是新型的工業自動控制系統軟件，它以標準的工業計算機軟、硬件平臺構成的集成系統取代傳統的封閉式系統，具有適應性強、開放性好、易于擴展、開發周期短等特點。組態王軟件結構由工程管理器、工程瀏覽器及運行系統三部分構成。工程管理器：用于新工程的創建和已有工程的管理，對已有工程進行搜索、添加、備份、恢復以及實現數據詞典的導入和導出等功能。工程瀏覽器：是一個工程開發設計工具，用于創建監控畫面、監控的設備及相關變量、動畫鏈接、命令語言以及設定運行系統配置等的系統組態工具。運行系統：相當于工程運行界面，從采集設備中獲得通訊數據，并依據工程瀏覽器的動畫設計顯示動態畫面，實現人與控制設備的交互操作。2)軟件功能及其實現：本軟件包含通信功能、故障顯示功能、數據庫功能、短信發送功能等幾大模塊。除了通信功能之外，其他功能都有各自的獨立界面，可通過主界面自由切換。其中，前3個為故障顯示畫面，其余4個分別為歷史報警畫面、數據庫顯示畫面、短信發送畫面和退出按鈕。畫面主頁包含7個轉換界面，如圖4所示。圖4畫面主頁①通信功能:當線路出現接地、短路等故障狀態時，檢測裝置便可檢測到變化的特征信號，并將故障編碼通過內置ZigBee無線發射模塊發射出去，并以無線方式經過逐級傳遞傳送到變電站的收發器，再以有線方式送給工控機，經串行口工控機可對故障信號的采集。通信程序用VB編寫，其主要功能是通過計算機串口接收由協調器傳來的數據，并進行數據的分析處理，最后將數據傳送給監控系統去進行顯示、報警等。②故障顯示功能：編程時首先進行設備變量的定義，通過設備變量的狀態變化顯示不同的故障類型。故障顯示分為圖形顯示和報表顯示兩種。a圖形故障顯示:圖形顯示利用軟件平臺提供的圖形工具，以形象直觀的方式再現實際線路的拓撲結構在計算機顯示的模擬線路中，標示出所有線路檢測裝置的地理位置，并用不同顏色的指示燈顯示當前線路工作狀態(綠色為正常，紅色為短路故障，黃色為接地故障，紫色為系統自檢故障)，工作人員可以通過計算機屏幕監測線路的運行狀態。b報表顯示:報表顯示利用軟件平臺提供的報表工具生成歷史顯示窗口。當故障發生時，自動切換到歷史報警窗口，通過報表的形式標明故障發生日期、時間、故障地點、故障類型。歷史報警報表按照故障發生的時間先后順序把故障保存下來，以供工作人員查詢。除了計算機直接顯示故障之外，軟件還提供了聲音報警功能。當出現報警信號時，計算機利用本身聲卡發出報警聲音，利用紅色按鈕可以解除聲音報警。③數據庫功能:當系統檢測到故障后，可進行圖形顯示和報表顯示，把相關故障信息保存進相應的數據庫中;在數據庫中可以進行分類查詢，可按時間、故障類型等方式進行查詢，也可生成報表隨時打印或定時打印。數據庫還直接與Excel相連，以Excel表格的形式保存信息，便于用戶使用。④短信發送:當故障發生時，首先生成相應的故障信息，主要有時間、地點、故障類型等，然后通過與計算機接口連接的TC35T短信發送模塊，將采集到的故障信息以短信的形式直接發送到維護人員的手機上，及時處理故障，縮短故障停電瞬間。3)軟件流程整個程序的工作流程，如圖5

所示。圖5軟件流程圖5現場安裝應用檢測電路經過多次模擬試驗達到要求后，進行制版、元件焊接、組裝。檢測與無線傳輸裝置封裝完后，還進行信號傳輸性能的檢測試驗，試驗結果如下:①傳輸距離離地高度1.7m，傳輸視在距離達到1200m。②路由等級大于20級。③網絡延遲遠小于0.5s(無法精確測試)。④數據丟幀小于0.1%。圖6檢測裝置現場安裝應用圖片經過多次試驗、改進、完善后，該系統于2009年11月在現場進行安裝、運行，安裝線路總長度3km左右，線路電壓等級為6kV，負荷最大電流300A，該供電系統為中性點非接地系統。根據檢測裝置檢測距離范圍情況，共選取故障檢測點數為7個，平均每兩檢測點之間的距離為450m左右，每個檢測點(A，B，C)安裝3個檢測裝置，整條線路共安裝21個故障檢測裝置。檢測裝置現場安裝應用圖片，如圖6所示。圖6檢測裝置現場安裝應用圖片6結語該系統的運行結果表明，短路故障檢測準確率接近100%，接地故障準確率達80%以上，并可實現檢測信息的接力、逐級式可靠傳輸。系統的運行費用明顯降低，達到預期目標，現代社會對供電系統的安全可靠性要求越來越高，亟需可靠的故障在線檢測與定位裝置。該系統可及時檢測線路故障信息，實現對故障的快速查找、快速處理、快速恢復供電，減少停電次數和停電時間，對提高供電的安全可靠性具有重要意義。因此，該技術的推廣應用具有很好的推廣應用前景。內容總結智能電網。將軟件與硬件結合、電流變化率與零電流檢測方法并用，提高了線路短路故障檢測的準確性。采用Zigbee無線傳輸芯片制成獨立的信號傳輸系統，既降低了系統的運行成本，又保證了信號的可靠傳輸。如果在t0時刻發生短路故障，線路電流立刻由工作電流Ig陡升到短路電流IS