姚昌模，張占龍

（1.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶400030;2.重慶電力高等專科學(xué)校，重慶 400053）

輸電線路運(yùn)行故障分析與在線檢測(cè)

姚昌模1，2，張占龍1

（1.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶400030;2.重慶電力高等?？茖W(xué)校，重慶 400053）

通過分析線路運(yùn)行故障的機(jī)理，設(shè)計(jì)以PIC18F4420單片機(jī)為核心的輸電線路在線檢測(cè)終端系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)線路單相接地和相間短路等故障的在線檢測(cè)。

故障;在線檢測(cè);GSM

0 前言

當(dāng)前我國(guó)的電網(wǎng)建設(shè)正取得快速發(fā)展，電網(wǎng)容量、電網(wǎng)潮流越來越大，電力設(shè)備越來越多，國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)電力的依賴性也越來越強(qiáng)，對(duì)供電可靠性的要求也越來越高。在城市配電網(wǎng)中多采用中性點(diǎn)不接地的運(yùn)行方式。線路故障，尤其是單相接地故障的快速準(zhǔn)確定位對(duì)于提高供電可靠性、減少停電時(shí)間、減少人工故障巡線時(shí)間具有重要意義，這就要求研制出可靠的、智能的線路在線檢測(cè)系統(tǒng)。

本文通過分析線路運(yùn)行故障的機(jī)理，設(shè)計(jì)了以PIC18F4420單片機(jī)為核心的輸電線路在線檢測(cè)終端系統(tǒng)，其主要功能是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)線路單相接地和相間短路等故障的在線檢測(cè)，且系統(tǒng)可安裝在輸配電線路上，是一套具有遠(yuǎn)程傳輸能力的可分步監(jiān)控、集中管理、即時(shí)通知型的智能化在線檢測(cè)系統(tǒng)。

1 線路運(yùn)行故障分析

1.1 單相接地故障分析

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，各相對(duì)地分布電容相同，三相對(duì)地電容電流對(duì)稱，且其和為零，各相對(duì)地分布電壓為相電壓。如圖1所示，圖中為k點(diǎn)發(fā)生單相完全接地故障的情況。由此可分析得出:中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相完全接地故障時(shí)，線電壓不變，而非故障相對(duì)地電壓升高為原來的倍;單相接地后，單相接地電流等于正常時(shí)單相對(duì)地電容電流的3倍。

當(dāng)然，線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，根據(jù)不同的接地條件（例如金屬性接地、高阻接地等），會(huì)出現(xiàn)多種復(fù)雜的暫態(tài)現(xiàn)象，包括出現(xiàn)線路對(duì)地的分布電容放電電流，接地線路對(duì)地電壓下降，接地線路出現(xiàn)5，7次等高次諧波增大現(xiàn)象，以及該線路零序電流增大。綜合以上情況，本系統(tǒng)在線路發(fā)生單相接地故障時(shí)判據(jù)如下:

1）線路中有突然增大的暫態(tài)電容電流;

2）接地線路電壓降低3kV以上;

3）接地線路依然處于供電狀態(tài)。

以上三個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)，檢測(cè)終端判斷該位置的線路后，出現(xiàn)單相接地故障。

圖1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的A相接地及其對(duì)應(yīng)的相量圖

1.2 相間短路故障分析

長(zhǎng)期以來，電力系統(tǒng)研究人員提出了多種易于在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的故障點(diǎn)定位算法，主要是針對(duì)單相接地故障的，而對(duì)相間短路故障點(diǎn)定位方法的研究還不夠，雖然相間短路故障的機(jī)率遠(yuǎn)小于單相接地故障，但進(jìn)一步完善其故障點(diǎn)定位方法仍然有其必要性。

圖2 輸電線路的相間短路

相間短路故障如圖2所示，由此可分析得出:配電線路發(fā)生相間短路時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)電源直接短接，變電站和故障點(diǎn)直接的回路上會(huì)流過很大的電流，同時(shí)變電所的繼電保護(hù)裝置會(huì)按照實(shí)現(xiàn)設(shè)定的規(guī)則啟動(dòng)保護(hù)，使得線路跳閘斷電。因此，短路故障判據(jù)有3個(gè)條件:

1）線路中出現(xiàn)突變電流;

2）大電流持續(xù)時(shí)間不超過3秒，電流突變時(shí)間△T在0.02～3秒之間;

3）3秒后線路處于停電狀態(tài)，線路故障后電流I=0。

以上三個(gè)條件同時(shí)滿足，檢測(cè)終端判斷該位置的線路后出現(xiàn)相間短路故障。

對(duì)由舞動(dòng)等原因造成相間短路的故障，本系統(tǒng)擬采用相電流檢測(cè)方法。對(duì)各相的電流進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)任意兩相線路中出現(xiàn)突變電流，由于電網(wǎng)對(duì)線路都有方向性電流保護(hù)，大電流持續(xù)時(shí)間不超過3秒鐘時(shí)保護(hù)就會(huì)啟動(dòng)，然后線路處于停電狀態(tài)。因此，可針對(duì)短路特征進(jìn)行對(duì)相電流檢測(cè)，根據(jù)各時(shí)段的特征綜合分析，即可判斷檢測(cè)相間短路。

2 在線檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)線路的在線檢測(cè)并上傳及節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)通訊，保證系統(tǒng)檢測(cè)的可靠性、準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性。整個(gè)系統(tǒng)有電源部分、通信接口電路、中央處理電路、電壓采樣電路、電流采集電路等部分組成，如圖3所示。

圖3 在線檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

3 在線檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)部分軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)的軟件開發(fā)包括代碼生產(chǎn)工具和代碼調(diào)試工具。代碼生成工具對(duì)用戶開發(fā)的高級(jí)語言或匯編語言源代碼進(jìn)行編譯，生產(chǎn)可以在目標(biāo)上運(yùn)行的可執(zhí)行代碼。代碼調(diào)試工具根據(jù)調(diào)試者的命令觀察狀態(tài)，控制代碼的執(zhí)行，進(jìn)行結(jié)果顯示，對(duì)用戶的代碼進(jìn)行調(diào)試或性能測(cè)試。

針對(duì)電力系統(tǒng)的要求，并結(jié)合檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際連接，在此主要完成了系統(tǒng)主程序以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理功能的子程序設(shè)計(jì)。主程序主要協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分的運(yùn)行，在系統(tǒng)加電啟動(dòng)后，首先進(jìn)行程序加載和系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)行檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，并完成相應(yīng)的分析、處理。系統(tǒng)各部分功能由子程序來完成。PIC18F4420單片機(jī)的主程序框圖如圖4所示。

圖4 單片機(jī)的主程序框圖

3.2 上位機(jī)部分軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)用戶需求的分析及我們所確定的設(shè)計(jì)原則，線路運(yùn)行在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際上應(yīng)該是一個(gè)基于Windows的應(yīng)用平臺(tái)。該平臺(tái)需承擔(dān)原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入，在線診斷，查詢、修改和存儲(chǔ)診斷結(jié)果等諸多功能。這些功能具體就涉及人機(jī)界面、數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)值計(jì)算與分析等多方面的工作。

因此，在整個(gè)上位機(jī)部分軟件設(shè)計(jì)中，運(yùn)用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸線路的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，GSM模塊接收消息，通過電腦串口來讀取短信，編制短消息的解碼程序，并對(duì)短消息進(jìn)行分類處理。整個(gè)系統(tǒng)軟件部分還需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)線路的狀態(tài)進(jìn)行編碼。而解碼程序不僅包括對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸消息協(xié)議的解碼，還需要對(duì)線路的狀態(tài)進(jìn)行解碼。

4 試驗(yàn)調(diào)試研究

本試驗(yàn)以線路發(fā)生A相完全接地故障為例。圖5為實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)終端采集電壓、電流數(shù)據(jù)。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，故障發(fā)生前，線路正常工作，線路電壓、電流穩(wěn)定;故障發(fā)生后，A相電壓降為0，電容電流降為0，其余兩相的對(duì)地電壓升高約為倍相電壓，對(duì)地電容電流也相應(yīng)地增大為倍，依據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的判定原則，因而可以確定線路發(fā)生A相完全接地故障，將故障信息通過GSM發(fā)送到后臺(tái)系統(tǒng)。后臺(tái)系統(tǒng)軟件報(bào)警，彈出報(bào)警窗口，如圖6所示，顯示線路概況、掉電類型及負(fù)責(zé)人信息，并提示是否向負(fù)責(zé)人發(fā)送故障信息。試驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)人員手機(jī)能夠接收故障短信。在不同故障的情況下，系統(tǒng)報(bào)警正確，證明了設(shè)備的可靠性。

圖5 模擬A相完全接地時(shí)線路電壓、電容電流

圖6 系統(tǒng)軟件線路報(bào)警窗口

5 結(jié)束語

對(duì)于單相接地和相間短路故障的故障點(diǎn)難以快速準(zhǔn)確定位的狀況，本文主要通過對(duì)輸電線路上電壓、電流信號(hào)的采集分析，設(shè)計(jì)了一套線路在線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可安裝在輸配電線路上，用于在線監(jiān)測(cè)線路運(yùn)行及故障情況，是一套具有遠(yuǎn)程傳輸能力的可分步監(jiān)控、集中管理、即時(shí)通知型的智能化管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有較強(qiáng)實(shí)時(shí)性，能采集到電力線路的電壓參數(shù)，并能接受遠(yuǎn)程終端的控制，無需人工照料看管，并且遇到異常的情況能及時(shí)的報(bào)警。為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化人員的工作提供了非常準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)信息和較方便的操作。

［1］ 曹建平，倪瑛.配電變壓器檢測(cè)終端現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.電氣應(yīng)用，2005，（1）.

［2］ 王慧，范玉林，桑在中.S注入法與選線定位［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，1999，（3）.

［3］ 張占龍，李冰，楊霽，等.微波感應(yīng)式電力線防盜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，（22）.

［4］ 王偉.基于GSM短信的信息管理系統(tǒng)開發(fā)［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2006.

［5］ 陳雷，丁曉明.GSM短消息系統(tǒng)在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用［J］.中國(guó)數(shù)據(jù)通信，2003，（3）.

The Analysis and Monitoring of Fault on Working Line

YAO Chang-mo1，2，ZHANG Zan-long1
（Chongqing University，Chongqing 400030;Chongqing Electric Power College，Chongqing 400053）

This paper analyzed the mechanism of fault on working line，designed the monitoring system of fault on working line and take the PIC18F4420 microcontroller as the core，achieve the monitoring system of fault on singlephase grounding and phase-to-phase short cut.

fault;monitoring on working line;GSM

TM713

A

1008-8032（2011）01-0085-03

2011-01-10

姚昌模（1980－），講師，研究方向:電氣工程。