趙會(huì)新

（吉林市北華大學(xué) 后勤管理處，吉林 132013）

0 引言

輸電線路發(fā)生故障造成停電，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的各個(gè)行業(yè)均造成較大影響，對(duì)于一級(jí)負(fù)荷，一般設(shè)有后備電源，如果后備電源也失去，將會(huì)造成重大的財(cái)產(chǎn)損失和人生傷亡事故，或者造成重大的政治影響；對(duì)于二級(jí)負(fù)荷，將會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和較大政治影響，停電也會(huì)對(duì)人民生活造成諸多不便。由于城市街道、院校、醫(yī)院、工廠等利用電力電纜供電的情況越來越普遍，因找不到故障點(diǎn)而導(dǎo)致整條電纜線路報(bào)廢的情況，在供電區(qū)域中時(shí)有發(fā)生。這種情況不僅造成難以估計(jì)的停電損失，而且還帶來重新更換，敷設(shè)電纜的巨大經(jīng)濟(jì)損失[1,2]。因此，故障點(diǎn)的快速、準(zhǔn)確定位對(duì)提高供電可靠性具有重要的實(shí)際意義。有的農(nóng)網(wǎng)線路甚至翻山越嶺，延伸十幾公里，多處“T＂型連接，使查找工作更為困難。因此，如果能快速定位故障點(diǎn)的大致位置，將大大減少查找故障點(diǎn)的工作量，也將減少停電時(shí)間?，F(xiàn)有的低壓電力電纜故障檢測(cè)裝置存在一些不足，無法滿足低壓電力電纜故障檢測(cè)的需要，配網(wǎng)架空線路故障測(cè)距裝置也是一項(xiàng)急待研究的領(lǐng)域[3]。本文主要針對(duì)故障點(diǎn)直流電壓補(bǔ)償法在配電線路故障測(cè)距裝置中應(yīng)用問題進(jìn)行分析討論。

1 配電線路故障測(cè)距的故障點(diǎn)直流電壓補(bǔ)償法

1.1 低壓電力線路數(shù)學(xué)模型的建立

要測(cè)量輸電線路故障距離，首先應(yīng)做模擬試驗(yàn)，而模擬試驗(yàn)應(yīng)先建立低壓電力線路的數(shù)學(xué)模型。輸電線路的模型可用圖1表示，線路的參數(shù)分別有電阻、電抗、電導(dǎo)和電納，這些參數(shù)是沿線路長(zhǎng)度均勻分布的，為了計(jì)算方便，當(dāng)線路長(zhǎng)度在300 km以內(nèi)時(shí)，常將常將分布參數(shù)用集中參數(shù)R、X、G、B表示，中、低壓電力線路與高壓電力線路相比，有以下特點(diǎn)：

1）電壓等級(jí)較低，不存在電暈損耗，故可以認(rèn)為電導(dǎo)G≈0，可以忽略不計(jì)；

2）線路長(zhǎng)度較短，一般為幾公里到十幾里，電容很小，對(duì)應(yīng)的電納B≈O，可以忽略不計(jì)；

3）中低壓架空配線路參數(shù)一般可用簡(jiǎn)化等值電路模型表示，用集中參數(shù)電路模型來計(jì)算架空線路的故障距離，可以反映配電線路故障的真實(shí)情況。

1.2 直流電壓補(bǔ)償法及誤差分析

圖1 高壓架空輸電線路模型及誤差分析

故障點(diǎn)直流電壓補(bǔ)償法就是在測(cè)量故障點(diǎn)的距離時(shí)，利用數(shù)學(xué)計(jì)算的方法，補(bǔ)償故障點(diǎn)的電壓，使故障點(diǎn)存在的電阻電壓降不對(duì)測(cè)量結(jié)果構(gòu)成影響的一種方法。

理論上分析，直流電壓補(bǔ)償法故障測(cè)距產(chǎn)生誤差的原因，主要有下列幾種：

1）故障點(diǎn)電阻太大，測(cè)距電流過小，故障線路上的壓降過小，使測(cè)距造成誤差。

2）故障點(diǎn)太近，線路電阻太小，故障線路上的壓降過小，使測(cè)距造成誤差。

3）線路上存在感應(yīng)的交流電，使測(cè)距造成誤差。

4）測(cè)量時(shí)，環(huán)境溫度不等于250C而造成的誤差。

5）測(cè)量時(shí)，元件參數(shù)變化造成誤差。

1.2.1 故障點(diǎn)電阻過大造成的誤差及消除方法

測(cè)距時(shí)的外加電動(dòng)勢(shì)E一定，若故障點(diǎn)電阻Rf很大時(shí)，電流I很小，故障線路的電壓Ir0Lx=UBA≈0，很難測(cè)出故障參數(shù)。解決辦法就是增加電源電壓，使線路電流增大，從而使故障線路電壓降增大，測(cè)量出故障距離。另外，使用高靈敏度的測(cè)量裝置，也是解決辦法之一。

1.2.2 故障距離太近造成的誤差及解決措施

故障點(diǎn)太近時(shí)，線路電阻很小， Ir0Lx≈0，而測(cè)距裝置電源提供的電流是有限的，因而故障線路的電壓Ir0Lx=UAC-UBC=UAB≈0，很難測(cè)出故障參數(shù)。解決辦法就是出現(xiàn)這種情況時(shí)，直接判斷故障點(diǎn)就在距測(cè)量點(diǎn)10米之內(nèi)。

1.2.3 線路存在感應(yīng)交流電造成誤差的解決措施

目前，我國(guó)的農(nóng)村和城市的配電線建設(shè)步伐加快，電網(wǎng)星羅棋布，每條線路都有機(jī)會(huì)與其他同電壓等級(jí)或不同電壓等及的線路交叉，以及同桿架設(shè)，這會(huì)造成當(dāng)一條線路由于故障退出運(yùn)行后，雖然經(jīng)過放電，仍會(huì)存在一定的感應(yīng)交流電壓，這對(duì)線路故障測(cè)距造成較大誤差，因此必須想方設(shè)法消除感應(yīng)交流電對(duì)測(cè)量誤差的影響。解決的措施有兩種：一種是采用模擬的低通濾波電路，濾掉交流感應(yīng)電壓，另一種是采用數(shù)字濾波技術(shù)，濾掉交流感應(yīng)電壓。采用模擬的低通濾波電路時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但由于需用到電容和電阻，使整個(gè)裝置的體積變大，電路結(jié)構(gòu)也變得復(fù)雜。如果采用數(shù)字濾波技術(shù)，會(huì)提高測(cè)量的精度，同時(shí)也會(huì)裝置的結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，因而應(yīng)優(yōu)先考慮采用這種方法。

1.2.4 溫度變化對(duì)測(cè)量誤差影響及解決措施

溫度變化對(duì)測(cè)量誤差的影響有兩方面：一方面是由于環(huán)境溫度變化，使得線路參數(shù)隨之發(fā)生一定的變化，造成測(cè)量誤差，這部分誤差可以通過查線路的電阻溫度系數(shù)，在編寫程序加以考慮，計(jì)算的時(shí)候加以補(bǔ)償，測(cè)量時(shí)，只需輸入即時(shí)溫度，測(cè)距裝置便可自動(dòng)補(bǔ)償。另一方面是由于儀器在使用時(shí)，溫度變化，造成一些元件的參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而影響到測(cè)量結(jié)果，對(duì)這部分誤差，在實(shí)際中，主要是通過開機(jī)預(yù)熱，使儀器溫度達(dá)到穩(wěn)定溫度后再進(jìn)行測(cè)量，從而減小溫度變化對(duì)測(cè)量的影響。

2 故障點(diǎn)直流電壓補(bǔ)償法的配電線路故障測(cè)距裝置研制

2.1 故障測(cè)距裝置的構(gòu)成

基于故障點(diǎn)直流電壓補(bǔ)償法的配電線路故障測(cè)距裝置，主要由測(cè)距部分和電源部分組成，測(cè)距部分包括信號(hào)輸入、Atmegal6單片機(jī)、顯示器、按鍵等組成。故障測(cè)距裝置的電源主要是由兩部分組成，一部分是提供測(cè)量用的加在故障線路上的電源電壓，另一部分是給測(cè)距部分提供的工作電壓。測(cè)距部分的單片機(jī)、顯示屏以及測(cè)量電源的控制電路均由5V電源供電，測(cè)量用的電源電壓主要由12V直流蓄電池供電，經(jīng)變換后得到連續(xù)可調(diào)的0-200V的直流電壓，以滿足測(cè)距的需要。測(cè)距部分由信號(hào)輸入、低通濾波、Atmegal6單片機(jī)、顯示屏、按鍵等組成。

2.2 測(cè)距部分

2.2.1信號(hào)輸入

由于Atmegal6單片機(jī)只能接受0-+5V之間的電壓，必須把測(cè)量的輸入量變換后才能送到單片機(jī)。測(cè)量時(shí)，線路的電壓降可通過裝置的電壓表來監(jiān)測(cè)，保證其值不超過5v。電流量必須變換成電壓量，才能輸入。

為了減小測(cè)量誤差，標(biāo)準(zhǔn)電阻可以實(shí)測(cè)，然后再通過按鍵輸入到單片機(jī)，易于修改。另外，建立了輸電線路各種規(guī)格型號(hào)電阻的數(shù)據(jù)庫(kù)，在測(cè)量時(shí)，只須輸入線路型號(hào)，程序即可調(diào)出該型號(hào)導(dǎo)線電阻r0，當(dāng)然，也通過按健直接輸入電阻值，在程序中計(jì)算出線路的電阻及相應(yīng)故障點(diǎn)的距離，測(cè)量結(jié)果可顯示在液晶屏上。

2.2.2 低通濾波

因離線測(cè)量時(shí)，線路大多數(shù)存在50Hz感應(yīng)交流電，這對(duì)測(cè)量造成很大干擾，使測(cè)量造成誤差。因此，要考慮把感應(yīng)交流電過濾掉的低通濾波電路。傳統(tǒng)的低通濾波電路，針對(duì)某一頻率，一般選50Hz。

直流電壓衰減很小。采用傳統(tǒng)的低通濾波電路時(shí)，具有容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)由于采用到電容和電阻，這將會(huì)使裝置體積增大，且不能濾除50Hz以上頻率的感應(yīng)交流電。如果采用數(shù)字濾波技術(shù)，用軟件的方法在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)濾波，這樣會(huì)提高測(cè)量的精度，同時(shí)也會(huì)減小裝置的體積和重量，因而本裝置采用數(shù)字濾波技術(shù)。

由于交流感應(yīng)電壓的頻率一般為50Hz，與無線通信的感應(yīng)電阻遠(yuǎn)大于50 Hz，即在停電線路上，交流感應(yīng)電壓頻率一般均在50 Hz以上，因此，要將交流感應(yīng)電壓完全過濾，而對(duì)直流分量沒有衰減，可設(shè)計(jì)低通濾波器的指標(biāo)為：

采樣周期：T=0.00166666(采樣頻率；600Hz)：

模 擬 指 標(biāo)：fc=1Hz：δc≤ 3dB，fst=10Hz：δst≥ 40dB

數(shù) 字 指 標(biāo)：ωc=0.0033Π；δc≤ 3dB，ωst=0.033Π，δst≥ 40dB

如果頻超過50Hz，則衰減的分貝更大?？梢?，經(jīng)過數(shù)字低通濾波后，50Hz及以上交流電壓基本可以過濾，交流感應(yīng)電對(duì)測(cè)量結(jié)果幾乎沒有影響。

2.2.3 ATmegal6型單片機(jī)

ATmegal6有一個(gè)10位的逐次逼近型ADC。ADC與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對(duì)來自端EIA的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。單端電壓輸入以O(shè)V(GND)為基準(zhǔn)。器件還支持16路差分電壓輸入組合。兩路差分輸入(ADCI、ADCO與ADC3、ADC2)有可編程增益級(jí)，在A/D轉(zhuǎn)換前給差分輸入電壓提供0dB(1x)、20dB(10x)或46dB(200x)的放大級(jí)。七路差分模擬輸入通道共享一個(gè)通用負(fù)端(ADCl)，而其他任何ADC輸入可作為正輸入端。如果使用1x或10x增益，可得到8位分辨率。如果使用200x增益，可得到7位分辨率。ADC包括一個(gè)采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入至UADC的電壓保持恒定。

2.2.4 抗干擾措施

裝置采取了一些抗干擾的措施，這些措施分為硬件措施和軟件措施。干擾竄入系統(tǒng)的渠道主要有三條，即空間干擾(場(chǎng)干擾)，通過電磁波輻射竄入系統(tǒng)；過程通道干擾，干擾通過與主機(jī)相聯(lián)的前向通道、后向通道及與其它主機(jī)的相互通道進(jìn)入?？垢蓴_措施有硬件措施和軟件措施。硬件措施如果得當(dāng)，可將絕大部分干擾拒之門外，但仍然會(huì)有少數(shù)干擾進(jìn)入微機(jī)系統(tǒng)，故軟件措施作為第二道防線必不可少。由于軟件抗干擾措施是以CPU為代價(jià)的，如果沒有硬件消除絕大多數(shù)干擾，CPU將疲于奔命，無暇顧及正常工作，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作效率和實(shí)時(shí)性。因此，一個(gè)成功的抗干擾系統(tǒng)是由硬件和軟件相結(jié)合構(gòu)成的。

硬件抗干擾措施中，空間干擾可用良好的屏蔽與正確的接地、高頻濾波加以解決。主要是電源抗干擾、光電隔離抗干擾、配置去耦電容等措施，電源抗干抗措施是采用獨(dú)立的直流電池供電。在輸入和輸出通道上采用光電隔離器來進(jìn)行信息傳輸是很有好處的，它將微機(jī)系統(tǒng)與各種傳感器、開關(guān)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)從電氣上隔離開來，很大一部分干擾將被阻擋。軟件抗干擾采用了人工復(fù)位、指令冗余、采用Watchdog等措施。對(duì)于失控的CPU，最簡(jiǎn)單的方法是使其復(fù)位，程序自動(dòng)從0000H開始執(zhí)行。為此只要在單片機(jī)的RESET端加上一個(gè)高電平信號(hào)，并持續(xù)10ms以上即可。

3 結(jié)束語

本文分析了低壓架空配電線路和電纜線路參數(shù)特點(diǎn)，提出了低壓配電線路故障測(cè)距的新方法一故障點(diǎn)直流電位補(bǔ)償法。并在此基礎(chǔ)上，制定出了低壓配電線路相間短路和接地短路故障點(diǎn)的測(cè)距方法，對(duì)于裝置各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)分析，指出測(cè)距裝置不僅可用于低壓輸電線路故障測(cè)距，也可用于高壓輸電線路電阻參數(shù)的測(cè)量，且?guī)в袛?shù)字低通濾波，可抵抗線路感應(yīng)電壓的影響，測(cè)量精確度較高。

[1] 周雪松, 張書瑞, 馬幼捷.靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)原理及性能分析研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2009(12).

[2] 李維贊, 王吉岱, 孫愛芹.輸電線路巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化, 2008, 30(11).

[3] 谷俊婷, 馮碩.配電線路導(dǎo)體對(duì)接9要點(diǎn)[J].制造業(yè)自動(dòng)化, 2009, 31(10).