配電線路故障定位裝置關(guān)鍵技術(shù)的研究

張建軍

摘要：智能型故障指示器在普通型就地顯示的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能。當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，裝置可以及時(shí)確定故障區(qū)段、發(fā)出故障報(bào)警指示并上報(bào)主站，大大縮短了故障區(qū)段查找時(shí)間，為快速排除故障、恢復(fù)正常供電，提供了有力保障。目前市場上產(chǎn)品種類繁多，但良莠不齊，實(shí)際使用存在故障誤報(bào)漏報(bào)、取電難及安全性差等問題。本文針對配電線路故障定位裝置存在的問題，給出詳細(xì)的解決方案。

關(guān)鍵詞：故障定位;配電線路;接地故障;零序電流;感應(yīng)取電

引言

國內(nèi)對故障指示器的研究主要集中在故障判據(jù)、指示器取能、通信上，并且也取得一定的成果。國內(nèi)市場上已經(jīng)有許多較為成熟的產(chǎn)品。但是，對于故障指示器昀優(yōu)配置數(shù)目和位置卻鮮有人研究。國內(nèi)配置故障指示器的做法一般是每隔一小段距離便安設(shè)一個(gè)，這樣的做法不僅耗資巨大，且往往實(shí)際的效果提升并不明顯。如何在經(jīng)濟(jì)性和縮短故障中斷時(shí)間之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，就是本文所要研究的內(nèi)容。

1配電線路故障定位裝置簡介

1.1應(yīng)用場景

配電線路故障定位裝置（以下簡稱定位裝置）由采集單元、匯集單元和主站組成。采集單元負(fù)責(zé)線路電流的采集、短路故障的判定以及接地故障特征數(shù)據(jù)的采集;匯集單元負(fù)責(zé)把采集單元采集信息匯總傳輸給主站;主站進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和故障定位，并將故障信息及時(shí)下發(fā)。

1.2系統(tǒng)功能

當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，定位裝置可以自動(dòng)定位故障區(qū)間，將故障信息及時(shí)下發(fā)，幫助維修人員迅速趕赴現(xiàn)場，排除故障，實(shí)現(xiàn)配電線路故障定位的“遙信”功能;當(dāng)線路正常運(yùn)行時(shí)，定位裝置對線路電流、相電場及溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測及故障預(yù)警，提前發(fā)現(xiàn)并解除故障隱患，實(shí)現(xiàn)配電線路故障定位的“遙測”功能。

2配電網(wǎng)的主要特點(diǎn)

為了準(zhǔn)確快速地定位配電網(wǎng)故障，必須對目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中的故障現(xiàn)象充分考慮并對配電網(wǎng)特點(diǎn)充分了解的前提下，通過對網(wǎng)絡(luò)中故障的傳播方式來描述故障對網(wǎng)絡(luò)實(shí)體狀態(tài)變化的影響。相較于高壓電網(wǎng)，由于低壓配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)眾多和三相不完全平衡的原因，導(dǎo)致了10kV配電網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上要復(fù)雜得多，從而增加了網(wǎng)絡(luò)故障定位的難度。我國低壓配電網(wǎng)主要有以下特點(diǎn)。

）電網(wǎng)呈樹狀分部，其結(jié)構(gòu)環(huán)網(wǎng)較少，網(wǎng)絡(luò)的電壓等級低，輸電容量小，而且配電網(wǎng)絡(luò)的支路和節(jié)點(diǎn)數(shù)目較大，整個(gè)配電網(wǎng)的分布特點(diǎn)增加了故障定位的難度。

）低壓配電線路在很多情況下會(huì)發(fā)生三相參數(shù)不平衡甚至可能缺相的現(xiàn)象，而且三相電壓電流、節(jié)點(diǎn)負(fù)荷經(jīng)常存在不平衡的情況。

）由于配電網(wǎng)直接面向客戶，不可能每個(gè)節(jié)點(diǎn)都裝有測量計(jì)算儀器，很多支路的在線數(shù)據(jù)只能通過預(yù)測或估計(jì)得到，誤差較大，給定位測距帶來了困難。

3定位裝置當(dāng)前存在的問題

3.1取電功率無法維持全功能工作要求

采集單元安裝在架空線路上，通過太陽能或 TA磁感應(yīng)取電，同時(shí)配置超級電容和鋰電池作為后備電源。由于太陽能取電受天氣影響較大，TA磁感應(yīng)取電方式更加可靠。目前傳統(tǒng)廠家磁感應(yīng)取電效率不高，廠家通常標(biāo)稱當(dāng)線路負(fù)荷達(dá)到 15A開始取電，達(dá)到 30A可以滿足全功能工作要求。但在 10kV配電線路末梢或夜晚時(shí)段，線路負(fù)荷較小，經(jīng)常低至 15A以下，取電效率低導(dǎo)致電池使用頻繁，嚴(yán)重降低了裝置的使用壽命。提高 TA磁感應(yīng)取電效率和降低設(shè)備的平均功耗對裝置性能的提升意義重大。

3.2數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩詿o法保證

根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布的《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》（2014年第 14號令）要求：生產(chǎn)控制大區(qū)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)在與其終端的縱向聯(lián)接中使用無線通信網(wǎng)、電力企業(yè)其他數(shù)據(jù)網(wǎng)（非電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)）或者外部公用數(shù)據(jù)網(wǎng)的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)方式（VPN）等進(jìn)行通信的，應(yīng)當(dāng)設(shè)立安全接入?yún)^(qū)。本系統(tǒng)遠(yuǎn)程信道租用運(yùn)營商公網(wǎng)GPRS，網(wǎng)絡(luò)安全性差，需要加密傳輸;本地信道采用的微功率無線通信方式，存在被偵聽、欺騙攻擊等安全隱患，也有必要對其通信數(shù)據(jù)進(jìn)行加密傳輸。目前配電自動(dòng)化和用電信息采集系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全加密傳輸，但隸屬于生產(chǎn)控制大區(qū)的配電線路故障定位系統(tǒng)，很少有廠家實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全加密傳輸，實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全加密不容忽視。

4定位裝置關(guān)鍵技術(shù)的研究

4.1基于零序電流合成的接地故障判定方法研究

相對于架空型，采用零序電流分析判斷接地故障的電纜型故障定位裝置故障定位準(zhǔn)確率要高出很多。由于 10kV架空線路三相分開走線，架空型故障定位裝置不能直接檢測到零序電流，零序電流分析法無法直接采用，但可以參考配電自動(dòng)化饋線終端 FTU的零序電流合成法。與饋線終端FTU采用有線傳輸不同，架空線路在線監(jiān)測系統(tǒng)中匯集單元和采集單元通過微功率無線方式通信，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和時(shí)鐘同步準(zhǔn)確度性能較低，高準(zhǔn)確度三相時(shí)鐘同步要求對零序電流合成帶來了挑戰(zhàn)。為此，定位裝置增加故障錄波功能并通過對故障錄波數(shù)據(jù)同步來合成零序電流，作為接地故障的判據(jù)。

4.2故障定位模式

通常采用的配電網(wǎng)故障定位方式是通過安裝故障指示器來實(shí)現(xiàn)的。配電網(wǎng)絡(luò)故障定位的工作模式可以分為3類：就地顯示的故障定位模式（沒有故障信息的遠(yuǎn)傳功能），通過就地顯示功能減少人工巡線發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)的時(shí)間，這種模式不常使用;帶有通信功能的“一遙”故障定位模式，是以故障指示器為基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)對故障點(diǎn)快速、準(zhǔn)確定位的經(jīng)濟(jì)方案;帶有遙測功能的“二遙”故障定位模式。這3種工作模式中，后2種模式均帶通信系統(tǒng)，是目前主要應(yīng)用模式，具有升級為“三遙”的潛力。

3基于國密算法數(shù)據(jù)安全策略的研究

3.1安全加密的實(shí)現(xiàn)方式

采集單元和匯集單元內(nèi)置 ESAM數(shù)據(jù)安全芯片，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)加/解密、雙向身份認(rèn)證等功能。主站側(cè)增加密鑰管理系統(tǒng)和加/解密機(jī)，密鑰管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對外提供密鑰管理服務(wù)和 Web服務(wù)，與密碼機(jī)共同完成密鑰全生命周期的管理，負(fù)責(zé)整個(gè)安全體系密鑰的生成、傳遞、備份、應(yīng)用和銷毀等全生命周期的管理與維護(hù);加/解密機(jī)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)加/解密，負(fù)責(zé)產(chǎn)生和存儲(chǔ)密鑰索引和密鑰數(shù)據(jù)，配合密鑰管理服務(wù)器完成密鑰全生命周期的管理。數(shù)據(jù)安全加密業(yè)務(wù)流程。

4.3.2加密算法的選擇

本項(xiàng)目使用的是國家密碼管理局指定的商用密碼算法，其中，對稱算法為 SM1算法，非對稱算法為 SM2算法，數(shù)據(jù)壓縮算法為 SM3算法。SM1算法因其加密速度快的特點(diǎn)，主要用于數(shù)據(jù)的加解密;SM2算法主要用于數(shù)據(jù)的簽名和鑒簽，實(shí)現(xiàn)雙向認(rèn)證和會(huì)話密鑰協(xié)商;SM3算法主要用于數(shù)據(jù)簽名過程中的摘要計(jì)算。

結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種新型配電網(wǎng)數(shù)字故障指示器及定位系統(tǒng)，通過對各模塊電路原理圖、接線方式的分析，闡明了該系統(tǒng)在配電網(wǎng)智能化監(jiān)控和管理中的作用。該系統(tǒng)具有功能全面、性價(jià)比高，主控屏監(jiān)測系統(tǒng)操作方便、安全可靠，監(jiān)測實(shí)時(shí)性高，使用和維護(hù)方便等特點(diǎn)，可提高配電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性。

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