基于無線傳感器網(wǎng)絡的配電線路故障定位方案研究

王波　孫小湘　李鵬剛

摘 要： 提出一種中低壓配電線路故障定位系統(tǒng)新方案。該方案采用無線傳感器網(wǎng)絡來進行配電線路的故障定位，然后通過低功耗無線路由裝置將配電線路故障定位信息以無線級聯(lián)的方式傳輸至公網(wǎng)信號地區(qū)，進而上傳至主站系統(tǒng)中，對故障信息進行及時、高效、可靠地采集和傳遞。經(jīng)仿真與試驗測試，該設計效果良好，能滿足無線傳感器網(wǎng)絡故障定位的快速性、準確性和可靠性的要求，同時能為中低壓配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的研究提供一定的技術支持。

關鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡； 配電線路； 故障定位； 信息采集； 低功耗無線路由

中圖分類號： TN711?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）20?0136?03

Abstract： Based on the requirements of wireless sensor network and fault location system， a new scheme of fault location system for medium and low voltage distribution lines is proposed. In this scheme， a wireless sensor network is used to locate the fault of the distribution line， the fault information of the distribution line is transmitted to the public network signal area in a wireless cascade way through the low?power consumption wireless router， and is uploaded to the master station system for timely， efficient and reliable acquisition and transmission of the fault information. The simulation and test results indicate that the scheme can meet the requirements of fastness， accuracy and reliability of fault location transmission for the wireless sensor network， which can provide technical support for the research on fault location systems for other medium and low voltage distribution nets.

Keywords： wireless sensor network； distribution lines； fault location； information acquisition； low?power wireless routing

使用中性點非有效接地方式的中低壓配電網(wǎng)，在發(fā)生單相接地故障時，只能發(fā)出有限強度的故障信號，不易被維修人員察覺并處理。而集信息采集、處理和高速傳輸于一身的無線傳感器網(wǎng)絡能夠利用無線通信網(wǎng)絡及時高效地采集、判斷并傳遞故障位置信息，并可為中低壓配電網(wǎng)的故障定位提供幫助。借助低功耗無線路由將配電線路故障信息傳輸至公網(wǎng)信號地區(qū)，進而上傳至主站系統(tǒng)，能夠避免故障信息傳輸在網(wǎng)絡信號較差的地方發(fā)生問題。因此，研究相應的故障測距技術與傳播方式具有重要的現(xiàn)實意義[1?4]。

1 無線傳感器網(wǎng)絡故障定位的原理和測試

結合無線傳感器網(wǎng)絡的自身特點，基于該傳感器網(wǎng)絡的故障定位系統(tǒng)應滿足電力系統(tǒng)故障測距的需求，具體表現(xiàn)在定位的準確和快速性、同步和可靠性以及低功耗等方面[5]。本文就故障定位系統(tǒng)方案及快速性、準確性和可靠性展開了研究。

1.1 原理分析

將傳感器分散安裝在配電網(wǎng)線路上，可得到各無線傳感器節(jié)點處的故障信息。配電網(wǎng)的饋線系統(tǒng)結構以及無線傳感器的節(jié)點位置，如圖1所示。本文重點對電力系統(tǒng)中的主要故障，即單相接地故障進行相應的檢測定位分析，并基于無線傳感器網(wǎng)絡，針對小電流接地系統(tǒng)，在采用可變負荷檢測方法的基礎上，提出了一種利用故障相與正常相相鄰節(jié)點的電流幅值差的比值來實現(xiàn)準確定位的故障定位方法。圖2是單相接地故障發(fā)生時的電流分布示意圖，虛線為C相節(jié)點1和2之間故障發(fā)生時的電流[6]。

節(jié)點j處故障未發(fā)生時，m相采樣電流可用[i0mj]來表示。因此，各節(jié)點處故障電流的幅值可以表示為：

1.2 仿真分析和實驗測試

利用PSCAD進行仿真分析與測試，網(wǎng)絡模型如圖3所示。仿真參數(shù)設置如下：R1（R0）=0.45（0.74） Ω/km，L1（L0）=0.93（4.13） mH/km，C1（C0）=0.07（0.05） μF/km；變壓器ZT=0.57+j0.40 Ω，各線路長度L1～L5分別為20 km，0.2 km，30 km，50 km，50 km；Rg=0～5 kΩ，RL=6 Ω，L=1.35 H。仿真獲得的k值結果見表1。

從表1結果可以獲知，無論何種情況，k值變化均較小。值得注意的是，故障位置處相鄰節(jié)點電流幅值差較小，其比值k仍較大。意味著利用式（1）～式（3），并令3

2 無線傳感器網(wǎng)絡故障定位的快速準確性分析

2.1 快速性仿真分析

快速切除故障的快速性主要表現(xiàn)為：線路一旦發(fā)生故障，節(jié)點必須立即進入工作狀態(tài)；故障數(shù)據(jù)信息只能有不超過4 s的傳輸延遲（匯聚延時）。本文采用的無線級聯(lián)裝置，在故障發(fā)生后的較短時間內觸發(fā)節(jié)點并使其快速進入工作狀態(tài)。匯聚延時主要關注的是各節(jié)點數(shù)據(jù)到管理節(jié)點的平均和最大延時：包括各節(jié)點數(shù)據(jù)處理延時tp、等待延時tw、傳輸延時tt等。網(wǎng)絡模型利用NS?2軟件見圖6，仿真結果見表2?？梢娫摼W(wǎng)絡最大的匯聚延時也僅為3.34 ms，能滿足故障定位系統(tǒng)的快速性要求。

2.2 準確性仿真分析

故障定位系統(tǒng)的準確性是本文最為重要的性能指標之一，而準確性與節(jié)點的配置間隔距離有關。用δ代表相對誤差（應滿足δ≤2%），l代表線路總長，r代表配置間隔，D代表各個節(jié)點傳輸?shù)淖畲蟀霃?。因此，必須滿足δ≤[rl]≤[Dl]。若采用MICA2傳感器節(jié)點，D一般為0.5～1 km。實際工程應用中通常取r為0.05 km，計算得到l不能小于2.5 km，才能滿足準確性的要求，而中低壓配電網(wǎng)傳輸系統(tǒng)肯定能滿足這一要求。因此，本文基于無線傳感器網(wǎng)絡的故障定位系統(tǒng)方案也能夠滿足準確性要求。

3 無線傳感器網(wǎng)絡故障定位的可靠性分析

故障定位系統(tǒng)的可靠性表現(xiàn)為：一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，相關節(jié)點總能發(fā)現(xiàn)并傳遞故障信息；節(jié)點之間的數(shù)據(jù)信息總能被可靠傳輸并上傳至控制中心[8?9]，這兩點由行無線級聯(lián)裝置和多路徑可靠信息路由機制來保證。本文利用NS?2軟件構建仿真模型，并在邊長100 m正方形范圍內使用300個節(jié)點，采用相同拓撲結構多次進行仿真實驗。首先，本文在信道差錯率逐步提高的前提下，對多路徑傳輸可靠性進行了分析，相關結果如圖7所示。從圖中可以看到，考察了40%和70%的期望傳輸可靠性，而實際可靠性均能夠滿足期望值，且并沒有因信道差錯率的提高而使可靠性降低。

其次，本文在信道差錯率分別為20%和40%的前提下，對多路徑傳輸期望與實際可靠性進行了比較分析。其相關結果可見圖8，實際可靠性均能滿足期望值。

結合上述兩個方面可知，本文的多路徑可靠信息路由協(xié)議完全能夠滿足可靠性要求，實際可靠性在各種信道差錯率條件下均能達到期望值。

4 無線路由網(wǎng)絡

通過設置在電線或是電線桿上的微功耗無線路由器組成接力無線網(wǎng)絡，如圖9所示。

GW（新開發(fā)并設置在變電所）通過無線GPRS或光纖網(wǎng)絡將信息向后臺主站系統(tǒng)發(fā)送。新開發(fā)的 GW設置在變電所屋內。無線路由器間的傳送距離為1.5～2 km，故障指示器可以直接與之通信。故障指示器與無線通信器之間是以既有的短距離無線通信方式通信，無線通信器將最大9臺故障指示器的信息收集到一起。

5 結 語

基于無線傳感器網(wǎng)絡和故障定位系統(tǒng)要求，本文設計并提出了一種中低壓配電線路故障定位系統(tǒng)新方案。該方案采用無線傳感器網(wǎng)絡來進行配電線路的故障定位，通過低功耗無線路由裝置將配電線路故障定位信息以無線級聯(lián)的方式傳輸至公網(wǎng)信號地區(qū)，進而上傳至主站系統(tǒng)中，對故障信息進行及時、高效、可靠地采集和傳遞。經(jīng)仿真與試驗測試，效果良好，能滿足無線傳感器網(wǎng)絡故障定位的快速性、準確性和可靠性的要求，同時能為中低壓配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的研究提供一定的技術支持。

參考文獻

[1] 李曉琦，林山，沈倩，等.智能配電網(wǎng)饋線自動化方案研究及應用[J].電工技術，2013（9）：16?17.

[2] 牛山草.基于IEC61850的行波故障定位關鍵技術的研究[D].昆明：昆明理工大學，2013.

[3] 林瑨.配電網(wǎng)單相接地故障定位技術的研究[D].武漢：華中科技大學，2013.

[4] 杜剛，劉迅，蘇高峰.基于FTU和“S”信號注入法的配電網(wǎng)接地故障定位技術的研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38（12）：73?76.

[5] 葛耀中.新型繼電保護和故障測距的原理與技術[M].2版.西安：西安交通大學出版社，2007.

[6] NORDMAN M. An architecture for wireless sensors in distributed management of electrical distribution systems [J]. Helsinki University of Technology， 2004（7）： 97?101.

[7] 王丹，王振鋒，李志遠，等.應用于變電站自動化系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡技術[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2016，6（14）：91?92.

[8] LOU N W. An efficient N?to?1 multipath routing protocol in wireless sensor networks [C]// Proceedings of IEEE International Conference on Mobile Ad hoc and Sensor Systems Conference. Roma： IEEE， 2005： 111?120.

[9] HURNI P， BRAUN T. Energy?efficient multi?path routing in wireless sensor networks [C]// Proceedings of International Conference on Ad?Hoc，Mobile and Wireless Networks. Germany： Springer?Verlag， 2008： 11?20.