电缆故障定位系统
1、前言
电力线路故障指示器起源于德国二十世纪七十年代，发明它的目的是为了指示电力线路短路电流流过的途径，帮助人们查找到故障点。我国从八十年代开始引进和学习国外指示器的研制技术，也陆续有一些产品投入运行。进入二十一世纪，国内主要厂商开始研究短路接地二合一型的故障指示器，但是按照实际运行状况来看，这些产品除了对相间短路故障的检测基本能达到要求外，对单相接地故障及线路断线故障的检测和判断指示还存在不少问题，比如对接地故障拒动和误动、不能检测断线故障等。但是即便是如此，由于电力行业用户有着迫切的线路监测和供电保障需求，该类型的设备还是得到了大量的应用。每个省或直辖市市少则10几万只的使用量，已经催生了一个庞大的市场。仅以上海市为例，上海一地的使用量就已经达到30万只。
当前，智能电网已经成为电网建设的方向和趋势，智能电网的概念也已经深入人心。电网公司将中高压输配电线路全部纳入监控范围的需求也愈发强烈，但传统的故障指示器采用机械式的结构虽然能对故障进行定位，但无法实现线路的实时监控，线路出现问题后必须配合人工巡线才能确定和定位短路故障，直接造成故障定位慢，抢修相应效率低下等多种问题，无法满足电网公司的需求，更不符合建设智能电网的方向。
在此背景下，为了满足电网对监测的需求和配合智能电网的建设方向。我公司研发了电子式智能电力线路故障指示器，旨在对输配电网络实现分布式、无盲区、实时监控，并在线路发生短路、接地和短线故障时提供精确的故障定位服务。所有的线路故障信息和设备自检信息能够通过无线信号逐级或越级自动上传至主站，彻底解决了传统机械式线路故障指示器在实际使用中存在的问题。目前该产品的多项技术处于国际领先水平。
2、线路故障定位的技术分析
国内目前的故障指示器多为机械式故障指示器，其只能完成短路故障的定位，并且需要人工配合巡线。同时，也有少量的电子式故障指示器在试运行，这些设备一定程度上解决了巡线问题，实现了站内对故障进行定位的功能，但普遍存在故障判定种类单一，定位不准的问题，影响了全部线路监测这一方向下的大规模推广。
2.1故障指示器存在的缺陷
基于目前市场上故障指示器存在的问题，欲实现我们产品设计时所达到的技术性能需要解决以下的问题，在此我们就主要问题一一进行罗列。
2.1.1接地故障检测不准确
对于中性点小电流接地系统，单相接地故障检测及定位在世界范围内都是难题。发生单相接地故障时，所产生的故障信号本身较弱，并且受到电磁干扰和谐波污染，导致获得的信号失真，这些都直接影响了故障指示器的选择性和准确性。
2.1.2电流互感器精度达不到要求
目前这些故障指示器一般都是直接利用粗糙夹具夹在线路上以形成导磁回路，由于腐蚀及弹簧弹力下降等原因则必然导致电流互感器的气隙过大及磁通回路不理想等情况，进而导致了电流互感器的精度降低，从而反映不出较小的电流变化。
2.1.3不能从全局层面判断故障
虽然目前市面上有几种无线传输模块可供选择，如GPRS,ZIGBEE，蓝牙等，但是要么是通信费用太高，要么是通信距离太短，还有的待机功耗太大，都不能很好地用在故障指示器上，这些原因直接导致了线路上的故障指示器都是单独判断单独显示报警，由此产生的信息收集不完全或基本不能收集信息的问题，造成使用者不能从全局层面来综合判断故障点，从而降低了动作准确率。
2.1.4不具备故障信息上报功能
目前的架空线及电缆故障指示器一般采用故障时翻牌（指示牌翻红）或亮灯等本地手段来显示故障发生，这需要电力公司组织专门巡线人员，此种方式大幅增加了巡线人员的工作量，在消除人为判断因素和报警实时性上都存在很大缺陷。 且在夜间照明不佳，可视度不好的条件下，寻线工作的难度也被无形中加大。
2.2解决方案
针对以上所列缺陷，我们设计了一种新的线路智能故障定位系统，该系统基于故障指示器、无线通信技术和接地故障选线技术，可以自动高效的检测出故障（线路断线、相间短路和单相接地）所在区段。故障选线上位机的故障定位软件系统与线路上具有通信功能的故障指示器相配合，在故障发生后的几分钟内即可在监控中心的地理信息系统图上给出故障位置和故障时间的指示信息，帮助维修人员迅速赶赴现场，排除故障，恢复正常供电，大大提高供电可靠性。该系统提供的信息能够接入现有的电力控制系，成为智能电网中一个重要的组成部分。
而且，该系统在安装和维护时无需中断线路供电，所有的安装和拆卸工作都能通过系统专门配置的工具来实施（晴天条件下）。产品上更配有便于夜间观测的LED指示灯和荧光贴。
3、系统架构
系统总体功能为：
- 准确定位相间短路故障和单相接地故障；
- 辅助断线故障的定位。
系统方案核心理念是，用短距离无线传输模块、GPRS网络等设备，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，综合判断线路的短路故障、接地故障，并对配电网断线点辅助定位。
整个系统共有四大部分组成：
- 接地判断及选线设备；
- 故障指示器；
- 通信链路部分（数据集中器）；
- 架空线路故障定位主站。
3.1接地判断及选线装置
为了对接地故障进行定位，系统中加入了接地判断和选线装置。该设备适用于站内采用消弧线圈接地或大电阻接地的配电网，而对于采用中心点小电阻接地的系统，接地故障通常会产生巨大的故障电流，继保设备将会分断该配网，此故障也将被故障定位系统以短路电流的形式上报故障点。
接地故障判断及选线装置安装在变电站内，配合故障指示器完成接地故障判定和选线工作。其主要功能为实时监控变压器中性点的零序电压及零序电流，当检测到零序电压和零序电流超过设定值时，即启动零序故障诊断，辨识出是否为稳定的单相接地故障，然后辨识出具体故障线路的故障相，接着投入信号发生装置注入100Hz偶次谐波；同时，通过无线通信前置机召回故障相的故障指示器当前100Hz偶次谐波电流大小，根据故障点前后100Hz偶次谐波电流大小发生突变的原理来定位具体故障点位置并输出信号给监控设备。
3.2故障指示器
负荷电流及100Hz偶次谐波检测的主体，直接挂在线路上，通过线路感应取电和后备电池获得工作电流，同时自带短距离无线通信模块，实现数据的实时采集。其使用电流互感器线圈可以采集线路上的工频电流和100Hz偶次谐波，同时具备故障当地LED闪烁报警功能(选配，不建议采用，因为在电网电流较小的情况下，互感取电无法保证系统的电流供给，LED闪烁将会大量消耗电池电量)。故障发生后通过和主站监控中心之间进行通行确定故障的具体位置。
另外，故障指示器采用线路感应取电和后备电池相结合的双电源方案，当一次侧电流达到20A时，感应取电能支撑整个电子线路系统的正常工作，感应取电模块具备自保护功能，确保当一次侧电流过大时，整个系统能安全稳定的运行。
3.3通信链路部分
站内的通信前置机和站外线路故障指示器上的无线模块构成了通信链路的物理层。整个通信链路如下图所示：
前置机和故障指示器中的无线模块之间可以根据回传数据的方式和现有的技术手段，组成自适应的级联工作网络。
在典型应用中，每组（3只）中每个挂在线路上的指示器中均安装有一个短距离无线模块，传输距离为800m，并且相互之间可以级联组成自适应网络，当接收到故障选线召唤时可以将数据接力传回故障选线装置。
在以上方案中所用到的无线模块所具有的优势有以下几个：
- 室外直视通信距离最大可达1200M；
- 串口波特率2400～9600bps，8位数据位，1位停止位，无校验；
- 在民用433M开发频段运行；
- 点对点通信，点对多通信，中继方式通信；
- 组网方式灵活，可组成树状，星状等网络；
- 可以灵活设置路由，相邻无线模块可以互为备份路由，当一级路由发生故障时可以自动选择备份路由来回传数据，保证了数据传输的安全性和稳定性；
- 待机电流小于1mA；
- 可设置不同的发射功率来适应不同的传输距离。
对于距离较远的设备，也可以采用集中器收集现场数据，再通过GPRS网络将数据直接回传主站。
3.4 架空线路故障定位主站
架空线路故障定位主站在硬件上包括：主站服务器、数据服务器、通信前置机。其主要完成的功能是连接系统各个组成部分，通过多种通信方式诊断架空线路故障并对故障进行定位。
同时，该主站还提供了完备的用户界面，方便用户远程查看了解输配电网的工作状态。整个系统的拓扑结构如下图所示：
4、故障检测原理
本系统对线路断线故障、相间短路故障及接地故障的判据稍有不同，检测方式不同，其它的通讯及报警等功能为共用。对于线路断线故障和相间短路故障，主要由挂在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发生线路断线或者相间短路故障，随后主动上报故障并开启当地LED报警提示；对于接地故障，需要变电站侧的接地判断选线装置配合完成，具体工作原理在下面会详细说明。
4.1断线判据
对于线路断线判据，可以分为两种情况：普通断线故障和断线后间歇性地放电故障。
这两种断线故障最主要的区别是断线后线路的残余电流大小不同，普通断线后，线路残余电流不超过5A，而断线后间歇性放电的线路残余电流会在5～40A范围内波动。
4.1.1普通断线判据
判断普通断线的判据主要有以下三个：
- 1. If≠0且If=正常负荷电流
- 2. Ik＜Iset且1＜Ik＜8
- 3. I2s＜5A，△T＞2S
在上述条件中，If为前一刻线路电流，Ik为当前电流，Iset为设定的断线检测门限电流，△T为当前电流小于门限电流的持续时间，I2s为自检测到电流小于门限电流2S以后所检测到的线路电流。
满足判据1和2之后，如果在2秒钟内，电流持续小于5A，则可认为线路发生普通断线故障，接着故障指示器会立即上报故障。
4.1.2断线后间歇放电判据
判断断线后间歇性放电的判据主要有以下三个：
- 1. If≠0且If=正常负荷电流
- 2. Ik＜Iset且1＜Ik＜8
- 3. △T＞5S，5A＜I2s＜40A
在上面所列三个条件中，If为前一刻线路电流，Ik为当前电流，Iset为设定的断线检测门限电流，△T为当前电流小于门限电流的持续时间，I2s为自检测到电流小于门限电流2S以后所检测到的线路电流。
满足判据1和2之后，如果在2秒钟内，电流出现过大于5A的情况，则不能马上进行断定，必须检查至电流持续低于Iset时间大于5秒后方能做出判断，如果在此期间电流恢复至40A以上，则放弃该可能故障。
4.2相间短路判据
相间短路检测原理是：线路上的故障指示器通过感应流过线路中的突变电流及持续时间来确认短路故障。短路故障的判定，必须适应负荷电流的变化，这就要求其具有比较全面的判据，以最大限度的减少误动作可能性。
通常，相间短路的判据为：
- 1. 线路中突变电流大于设定值（Iset），并且持续一段时间；
- 2. 电流突变时间△t处于一定时间段内，要小于断路器跳闸时间；
- 3. 自电流发生突变2S后（可配置）检测到断路器跳闸，线路电流降为0。
根据以上三点条件，短路判据可以设定如下：
- 1. It≥150A
- 2. △I≥0.5Io
- 3. 0.02S≤△t≤0.2S
- 4. I2s=0
在以上4个判据中：It为突变量电流启动值，△I为电流变化率，Io为故障前电流值，△t为电流突变时间，可以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，故障指示器即可主动上报短路故障，当变电站内的主站监控设备接收到远程故障指示器发回的故障提示后，再和站端的继电保护系统的信息进行对比，若是线路跳闸，则认为故障指示器上报信息准确，监控主站会发出短路报警提示；若是变电站内主站监控设备接收到的短路信息与站端的继电保护跳闸信息不符，则认为是无效信息。
4.3接地判据
4.3.1核心判据
核心判据为：利用信号源方式，通过在变压器中性点投入中电阻和二极管，用信号源向电网注入稳定的100Hz谐波，利用故障点前后100Hz谐波幅值差异量的特点来判断故障点。
4.3.2检测原理
在电网正常工作和发生稳定接地故障时时，系统内部的100Hz偶次谐波含量极其微小，利用这一特点，在系统发生稳定接地故障时，向系统注入偶次谐波来和正常的负荷电流加以区分，通过检测偶次谐波大小即可判断出故障区间。经过仿真模拟显示，故障点前后偶次谐波的幅值差可最少达到10倍。
4.3.3判断方法
利用变电站内的接地故障判断选线诊断装置，实时监控变压器中性点的零序电压，当检测到零序电压变动值超出15%（经消弧线圈接地系统为30%）时，启动零序故障诊断，辨识出是否为单相接地故障，若为单相接地则选出具体故障相线路以及故障相，通过站内的故障诊断装置将接地故障定位在某线路的某一相上。并且当判断出单相接地故障为稳定故障时，则投入信号源，注入100Hz的偶次谐波，根据仿真分析可知在故障点前后的幅值相差至少达到10倍；此外，故障接地选线装置通过通信前置机召回故障相线路上的故障指示器的实时100Hz偶次谐波电流数据，通过对比采集到的偶次谐波幅值大小，判断出发生突变的两个故障指示器即可判断出故障发生的具体区段。下图为故障选线装置的工作框图：
5、故障指示器设计参数
5.1故障指示器参数
线路中运行的故障指示器其本质工作原理是感应导线周围的磁场变化，从而产生工作电流及采样电流；当线路的某点发生故障时，故障点前的线路中流过的电流和故障点后的线路电流会有不同，那么故障点前的故障指示器所采集到的电流就和故障点后的不同，因此采样功能对于故障指示器至关重要，在保证良好的采样精度的前提下，故障指示器还需具有很好的抗干扰性和使用寿命，安装拆卸方便。
5.1.1故障指示器技术参数
由于故障指示器需要具备接地故障定位功能，要求其具有很好的数据采集精度，并能准确采集工频负荷电流和100Hz偶次谐波电流。在偶次谐波采集方面，在输入通道设置带通滤波器，整体滤出100Hz的谐波电流送入A/D转换处理；在工频电流采集方面，电流信号经滤波后直接送入A/D采样处理。交流电流采集要求达到一次侧电流为0～500A时，采集精度优于10%，大于500A时，采样线路不损坏。
故障指示器支持级联功能，以方便数据传输。支持远程设定各种参数，以适应不同的应用环境。
故障指示器采用线路感应取电和后备电池相结合的双电源方案，当一次侧电流达到20A时，感应取电能支撑整个电子线路系统的正常工作，感应取电模块具备自保护功能，确保当一次侧电流过大时，整个系统能安全稳定的运行。故障指示器具备一块后备电池，在感应取电无法获取足够的电能时，系统使用后备电池进行工作，电池供电能独立支撑整个系统正常工作5年以上（保守估计）；
为了达到较好的电器性能，要求外壳防护等级为IP66，外壳材质选用聚碳酸酯（即PC材料），以使故障指示器具备良好的抗老化性、抗腐蚀性及其它电气性
能，确保其在户外能够长时间稳定运行。
故障指示器采用操作杆安装，外形设计上充分考虑的具体的安装环境及安装方式，并且考虑拆卸的可操作性；原则上安装和拆卸都能借助操作杆通过目视方式来完成。
5.1.2故障指示器硬件参数
针对项目实施的目标及现有条件，可供我们选择的核心处理器主要有两个指标限制：低功耗及高速采样计算。低功耗的要求是针对我们的供电部分而言，故障指示器主要采用感应线圈供电方式，容易受负荷电流变化的影响，所以必须保证整机的功耗不能太大，为0.5W左右；高速采样计算主要针对所要进行的交流采样计算，在此基础上才可以分析故障波形及暂态数据；
根据以上条件，我们最终选择TI公司新推出的TMS320F28023低功耗DSP作为我们的处理器芯片，它是一款32位的定点DSP芯片，拥有12位A/D采样模块，此外还具备12KB的片上RAM，整机功耗在0.35W左右，非常符合我们的技术要求。
其它硬件参数如下：
- 整机防护等级： IP66
- 壳体材料： 聚碳酸酯
- 整机质量： 不大于1千克
- 整机功耗： 最大0.2瓦
- 防滑措施： 橡胶线夹防滑
- 线缆截面范围： 25～300mm²（线径5.64mm～19mm）
- 电池使用寿命： 5年
- 使用温度： -40℃～85℃
- 线路电压： 10KV
- 测量精度： 5%
- 采样精度： 12位
- 测量范围： 0～500A
- 通信方式： 短距离无线方式
- 组网方式： 自适应级联
- 无线频段： 433MHz
- 无线通信距离： 800～1000米
5.1.3故障指示器的外形
侧视图 1 侧视图 2
5.2站内设备及参数
5.2.1接地选线设备的原理
接地选线设备的原理大致描述如下：实时采集母线端的零序电压及零序电流，当检测到零序电压和零序电流越限时，即启动接地选线程序，待选出故障相线路后即可通知主站监控中心召唤数据。该选线设备采用高端32位600MHz DSP（数字信号处理）技术及双CPU的硬件设计，对故障前后的波形进行长周期，高精度录波，采用基于故障过程分析的辨识方法实现电网的故障辨识及单相接地选线，可靠性高，工作可靠！
5.2.2接地故障选线设备的参数
本装置采用高端32位600MHZ DSP（数字信号处理）技术，具有强大的高速运算能力，支持100路信号的实时录播，每路信号采样率高达12.8kB/s；采用16位高速A/D转换芯片，数据采集速度快、精度高；装置电流输入精度可达0.1%，保证接地电流很小时（高阻接地）能准确选线；最大可支持4个母段，64条支路；可记忆10000次故障信息，装置掉电后信息不丢失；通过对瞬间故障的捕获，为运行人员提供技术参考依据，及时排除潜在隐患，避免频繁发生的瞬间故障转化为永久性接地故障。对于是单相接地故障的，装置可以准确选出接地支路；对稳定接地选线准确率100%。其技术参数如下：
- 1. 母段数：1～4段，每段支持：
- 3路相电压，1路零序电压（开口三角形电压）；
- 最大64路零序电流；
- 1路中性点电流。
- 2. 选线支路：1～64路；
- 3. 诊断响应时间：1000毫秒；
- 4. 跳闸路数：1-64路；
- 5. 波形记录：10000条录波数据；
- 6. 电压测量精度：0.1%（相对引用误差）；
- 7. 电流测量精度：0.1%（相对引用误差）；
- 8. 频率测量偏差正负0.05Hz；
- 9. 通讯接口：RS232、RS422、RS485、以太网口；支持多种电力通讯规约；
- 10. PT输入：
额定电压100V，功耗：≤0.5VA。
- 11. CT输入：
额定电流：5A，功耗：≤0.5VA。
- 12. 工作电源：
- AC220V±10% 50Hz或DC220V±10%、DC110V±10%；
- 电源容量： 118W。
- 13. 装置使用条件：
- 环境温度：-40℃～+55℃；
- 湿 度：≤90%；且无导电尘埃存在；
- 大气压力：80～110Kpa；
- 海拔高度不超过2500米；
- 安装场所：室内不含腐蚀金属及绝缘的气体和蒸汽；
- 无剧烈震动和强烈颠簸及地面水平度不超过5度。
5.2.3接地故障选线设备的外形
监控上位机
控制下位机
5.2.4故障诊断上位机功能
故障诊断上位机主要任务是以下几个方面：
故障指示器管理：主要实现对故障指示器台帐的管理，及巡视、缺陷管理。
故障信号接入管理：实现故障采集点与故障设备的对应关系管理
故障判断：可以制定与故障指示器信号相关的故障判断规则。故障判断规则可以结合SCADA和DSCADA采集信息进行配置。
故障管理：主要实现故障指示器图形显示、故障信号显示、故障通路显示、异常故障指示显示。
故障确认记录：调度根据相关故障判断结果及SCADA、DSCADA采集信息确认故障后再进行故障记录。结合PMS现有故障管理功能展开相关的故障处理过程。
故障清除：故障确认处理完毕后，清除相关故障显示。
5.2.5系统软件及系统开发工具
软件系统主要采用C++和java开发。具有良好的人机界面，并且容易扩展功能；其界面可以实现线路故障指示器的管理，报警，设置参数，召唤数据等功能。
系统方案核心思想是：用短距离无线传输模块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，综合判断线路的断线故障、短路故障、接地故障。整个系统共有三大部分组成：
- 接地判断及选线设备
- 挂在线路上的故障指示器；
- 无线通讯部分。
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