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配電網遠程故障自動定位系統技術報告

1.概述

配電系統因為分支線多而復雜,在中國發生短路故障時一般僅出口斷路器跳閘,即使在主干線上用開關分段,也只能隔離有限的幾段,要找出具體故障位置往往需耗費大量人力、物力和時間。 
    小電流接地系統在發生單相接地故障時沒有明顯的電流變化特征作為接地故障的判據,查找該故障一直是一個世界性的難題。為了確定接地故障點所在的出線、分支和區段,該系統用不平衡電流源使故障線路上產生具有明顯特征的電流信號作為接地故障判據。特征電流流經故障線路、接地故障點和大地返回信號源。掛在線路上的故障指示器檢測到該電流信號后自動翻牌指示接地故障點所在的出線、分支和區段。這種方式克服了現有產品準確度低的缺陷,部分解決了單相接地故障定位的難題。
    故障自動定位系統可以在配網故障發生后的幾分鐘內,利用安裝在線路上的故障指示器檢測出故障所在的區段,同時利用現代的通信技術將故障指示器的動作信息收集到監控中心,經過網絡拓撲計算出故障點,然后將故障點在監控系統畫面上顯示出故障的具體位置,并且將該信息以短消息的方式發送給相關運行人員,便于其趕赴現場,盡快處理事故,提高供電可靠性。

2.系統功能

配電網故障定位系統使用范圍為:供電公司的配網運行、搶修管理部門和調度部門。
本系統設計目標是幫助生產一線工作人員快速確定配電線路故障的位置, 把人員從過去漫無目的的逐桿查找中解放出來, 同時與現有的應急指揮系統相結合,極大的提高故障查找和處理效率, 提高供電可靠性。
系統的主要功能是:當線路發生短路或單相接地故障后,安裝在線路上和開關柜內的相應故障指示器動作,給出報警信息,運行人員沿著線路查找給出報警信息的故障指示器,找到最后一個報警的故障指示器時就查到了故障區段,從而大大縮短查找故障的時間,降低查找故障的盲目性。
    將該系統與通信和計算機技術相結合構成故障自動定位系統。該系統可以在配網故障發生后的幾分鐘內,利用安裝在線路上的故障指示器檢測出故障,同時利用現代的通信技術將故障指示器的動作信息收集到監控中心,經過網絡拓撲自動計算出故障所在的區段,可以使得調度人員按照路程最短原則對運行維護人員進行調度,使維修人員在故障發生后最短時間內趕到現場,進一步縮短故障響應時間,避免了故障范圍進一步擴大。

2.1系統原理

    整個系統的工作原理簡述如下:


    故障探頭FD安裝在各線路分支處的分支線上,系統出現短路故障時,FD檢測到短路故障電流或特定信號電流流過,通過短距離無線收發系統,將動作信號傳送給相隔5~20m的子站。當線路上任何一點發生單相接地故障時,不平衡電流源使故障線路中產生特殊的脈沖工頻信號,FD檢測流過本線路的特定信號時翻牌指示,并向相應數據轉發站發送無線信息。數據轉發站安裝在線路的分支處(對于較長的主干線,也可以適當安裝幾組),最多可以接收9只FD(分別在三個分支的9相線路上)發送過來的動作信息。數據轉發站在收到動作信息后,將動作分支的FD地址信息通過短消息發送給中心站。中心站接收到數據轉發站發來的信息后,進行初步處理分析,可就地顯示地址信息并保存,同時將該信息以RS232的方式送給監控主站。監控主站得到這些動作信息后,進行網絡拓撲計算分析,與地理信息系統相結合進行故障定位,可以直接顯示出故障點地理位置信息,并在地理背景上顯示出來,同時監控主站將定位信息送給中心站,中心站以中文短消息的方式發送給事先設定好的10個相關人員的手機。運行維修人員根據這些信息可以直接到故障點排除故障。

3.系統設備

3.1故障指示器

在線路發生故障時,故障分支上的FD在故障后將被觸發,給出紅色翻牌顯示,同時將其數字編碼信號通過短距離無線發射單元,以無線電波的方式發送給附近的數據轉發站,通訊距離在5~20m之間。
    故障探頭FD的短路檢測部分根據短路電流的特征,通過電磁感應方法測量線路中的電流突變及持續時間判斷故障。因而它是一種適應負荷電流變化,只與故障時短路電流分量有關的故障檢測裝置,它的判據比較全面,可以大大減少誤動作的可能性。單相接地故障發生時,裝在變電站內的配電自動化柜檢測到3U0升高后,首先判斷出故障相,然后對故障相施加特定信號,安裝在線路上的FD檢測流過本線路的特定信號,若滿足故障特征則FD起動,給出紅色顯示,同時發出一無線編碼信息。

3.2數據轉發站

架空型數據轉發站一般安裝在線路分支點處,它能接收三個分支共9個FD的編碼信息,它與FD的關系是1只對9只為一組。電纜型的數據轉發站一般安裝在開閉所或環網柜內,采用線路取能的方式工作,與各個出線上的故障指示器通過無線進行數據交換(國內唯一用此技術)。數據轉發站收到的動作信息通過處理后,經過地址編碼和時序控制,由一個GSM數據傳輸裝置(相當于受機)以短消息的方式發送給中心站。第一代架空型的數據轉發站裝在一個鐵箱內,由太陽能電池供電,太陽能電池同時給蓄電池充電。在夜晚或陰雨天氣時,由蓄電池供電。蓄電池在充足電后的情況下,可以維持子站連續20天工作而不需補充能量。第二代架空型數據轉發站可以直接掛在線路上,通過線路取能。

3.3中心站

中心站主要是接收子站發來的短消息,并對數據進行處理,最后將數據送往相關設備。通訊主站本身帶有LCD顯示及兩個操作鍵,可通過LCD及操作鍵,直接查詢故障線路信息,及在必要時清除內存等;在接收到故障信息后還可以給出音響報警。

  1. 采用32位高性能微處理器,主頻88MHz
  2. uC/OS-II實時嵌入式多任務操作系統,使系統具有較強的信息處理能力和事件響應能力
  3. 4個光隔離串口,一個10M以太網口,便于與其他系統互連
  4. GSM通信盒
  5. 具有兩級軟硬件看門狗,確保系統工作穩定

3.4主站軟件

故障定位系統的軟件系統的主要作用是搜集通訊主站傳送的地址信息,對其進行糾錯、校正后,通過拓撲分析和計算找出故障位置及故障通路,最終顯示在GIS的地理背景上。
    故障定位系統以地理信息系統GIS為圖形支撐平臺,既可以單獨運行,也可以作為DMS的一個高級應用與SCADA系統集成。系統的核心算法(如拓撲分析、故障查找、糾錯和補漏)是采用組件技術實現的,GIS平臺采用了MapObjects 2.0組件。除了基本的GIS功能,如顯示、放大縮小和漫游等,本系統在GIS平臺上實現了如下特有的功能:(1)以不同的顏色顯示故障通路;(2)不斷閃爍故障支路直至調度員清除;(3)以不同的顏色顯示動作不正確的故障指示器以提醒調度員;(4)保存、打印故障信息以便故障重演和分析。
其邏輯構架如下:

4.系統實現線路單相接地的主要技術手段介紹

4.1不平衡電流源單相接地檢測技術簡介

為了確定小電流接地系統接地故障點所在的出線、分支和區段,該系統用不平衡電流源使故障線路上的負荷電流疊加一個具有明顯特征的電流信號作為接地故障判據,特征電流流經故障線路、接地故障點和大地返回配電自動化柜。掛在線路上的故障指示器檢測到該電流信號后自動翻牌,從而指示出接地故障點所在的出線、分支和區段。這種方式克服了現有產品準確度低的缺陷,解決了單相接地故障定位的難題。
    當不平衡電流源檢測到開口三角電壓升高到設定值(或者準電子PT檢測到接地故障發生)并持續5秒鐘后,控制內部的高壓交流接觸器工作,使得故障線路上產生具有特殊特征的電流信號。
具體原理如下:

該系統具有很高的安全性,不平衡電流源產生的信號不影響變電站主變、接地變、消弧線圈及線路的正常運行(相當于一個阻性負荷投入和退出),不平衡電流源在系統正常運行時與一次線路完全隔離。同時由于不平衡電流源產生的信號是低頻純阻性的,還可以消除諧振,抑制過電壓,降低過電壓對系統的危害。由于不平衡電流源使故障線路上流過具有明顯特征的電流信號,掛在線路上的指示器檢測到該特殊信號后才會給出故障指示,因此該檢測方法不受系統運行方式、拓撲結構、中性點接地方式的影響,檢測準確率很高。
    對于有消弧線圈的系統,由于接地變壓器的存在,使得不平衡電流源可以通過接地變壓器制造的中性點來接入系統,當有接地故障發生時,Z型接線方式的接地變壓器的零序阻抗很小,零序電壓驅動不平衡電流源內部的高壓電阻使系統產生附加電流信號,該信號流經故障線路和故障點,線路上的故障檢測裝置檢測到該信號后,即可準確的檢測出故障。具體的接線方式如下:

4.2準電子PT

不平衡電流源有時安裝在變電站比較困難,而且安裝時影響停電范圍比較大,有時會要求將其安裝在線路上的某個配電變壓器附近。而配電變壓器附近無PT可用,安裝另一個戶外PT會導致系統有第二個接地點,在系統中是不允許的。為此采用分布電容構成一個準電子PT來檢測三相對地電壓。
準電子PT的簡化物理模型如下圖:

圖中的高壓電極是不平衡電流源中的三相高壓端,準電子PT內部的取樣電極與高壓電極之間的分布電容構成取樣電容Cx,其值約在80pF左右,取樣電極與不平衡電流源的機箱之間的分布電容構成接地電容Co,其值在1pF左右。
    Rx為取樣電極與高壓電極之間絕緣介質的體電阻,Ro為取樣電極與機箱之間的空氣絕緣電阻。Rx為取樣電極與高壓電極之間絕緣介質選用電阻率很高的聚四氟乙烯(>1019W·cm),Rx約為1000MW,遠遠的大于Cx的容抗(40MW)。同樣Ro也遠遠大于Co的容抗,因此分布電阻的影響可以暫時不考慮。
則取樣電壓Ux

    由此可見,Ux與所在高壓電極的對地電壓成正比,因此可以利用檢測到的Ux來檢測每個相的對地電壓。
    Ux信號的內阻比較高,很難被直接用來采樣計算,準電子PT的處理電路如下圖:

限幅濾波電路防止外部操作過電壓或雷電過電壓對內部處理電路的破壞,同時濾除一些電壓諧波,該信號被送入高輸入阻抗放大器進行放大和阻抗變換,放大后的信號送給單片機的A/D轉換器轉換成數字信號,同時進行傅立葉變換,計算出有效值,該有效值就代表了此時該高壓電極的對地電壓。
    只所以稱其為準電子PT,是因為上面測到的電壓值受外部環境的影響。Co受空氣的濕度、壓強等因素的影響,導致測量結果會出現偏差,但是,我們利用該信號判斷單相接地故障是否發生并不是計算絕對值,而是判斷相對值,同時利用單相接地發生時三相電壓變化的特征(接地相電壓下降,其他兩個健全相電壓上升)來判斷單相接地發生和故障相,因此這種影響并不會影響我們的判斷。
    有了準電子PT,不平衡電流源原則上可以裝在線路上的任何位置,這樣有些不好在變電站安裝的可以直接安裝在線路上的某個配電變壓器附近。

 

         

 

 
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