唐 忠，閔倩倩

（上海電力學院 電力與自動化工程學院，上海 200090）

供電需求的不斷增大，使得人們對供電設備運行動態(tài)變化的關切程度不斷上升，因此，故障發(fā)生后的故障判斷和故障范圍的定位相應也成為一個亟待解決的問題?，F(xiàn)如今城市配電網(wǎng)線路結構相當復雜，呈樹枝型分布［1］，給故障定位造成很大困難.而傳統(tǒng)的定位方法如阻抗法、故障分析法（工頻參量法）及行波法等，均是基于線路參數(shù)理論和行波傳播理論進行定位的，國內(nèi)外科研人員曾對此進行了深入研究并取得了大量成果［2－3］，使得故障定位精度有所提高，但是這些方法對不同線路的具體情況往往需要修正，否則就會定位不準，造成電力系統(tǒng)仍然依靠巡線而費時費力查找故障點，不能滿足電網(wǎng)快速恢復穩(wěn)定運行的要求［4］.因此，采用新方法更簡便有效地找出故障點具有現(xiàn)實意義.

筆者提出設計故障探測器、使用電力線載波技術實現(xiàn)同一變壓器轄區(qū)內(nèi)電網(wǎng)線路故障的監(jiān)測；建立故障檢測站、使用ZigBee無線通信技術實現(xiàn)不同變壓器轄區(qū)內(nèi)線路故障信息的傳送.經(jīng)過多級ZigBee節(jié)點傳送后，電網(wǎng)線路的故障信息將匯聚到電網(wǎng)故障監(jiān)測中心.

1 系統(tǒng)構成

如圖1所示，該系統(tǒng)架構包括故障探測器、故障監(jiān)測站和電網(wǎng)故障監(jiān)測中心，具體有電力載波機、結合濾波器、阻波器、耦合電容器和ZigBee無線傳輸?shù)炔考?

電力載波機主要用于調(diào)制和解調(diào)信號，把原來的聲頻信號調(diào)制（解調(diào)）成高頻（聲頻）信號；結合濾波器為高頻保護提供專用接口，對工頻信號呈現(xiàn)非常大的阻抗，防止工頻電流侵入；阻波器作用是防止高頻信號流入變壓器；耦合電容器接在相線和結合濾波器之間，其作用是阻止工頻50Hz電流通過；ZigBee模塊可實現(xiàn)不同變壓器轄區(qū)之間的低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊.

圖1 電網(wǎng)故障監(jiān)測系統(tǒng)Figure 1 Diagram of Power grid faults'monitoring and detection system

2 系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)基本原理

1）載波通信原理.

由于低壓電力線路對載波信號有嚴重的衰減，且電力線中存在各種強烈的干擾噪聲，因此，采用電力線載波擴頻通信技術和成熟的ZigBee技術相結合來實現(xiàn)系統(tǒng)功能［5］.擴頻通信技術用于電力線通信最大的優(yōu)越性在于它具有抗干擾和抗電力線時變衰減的能力.目前，市場上應用最多、銷售最廣的電力MODEM（Modulator and Demodulator）芯片都是以擴頻技術為核心.

采用不同方式實現(xiàn)頻譜擴展就會形成不同的擴頻通信系統(tǒng).該文采用頻譜擴展的實現(xiàn)方式是直接序列擴頻.直接序列擴頻是直接利用擴頻碼序列，采用某種調(diào)制方式在發(fā)送端擴展信號的頻譜，而在接收端用相同的擴頻碼序列去進行解碼，把擴展后的擴頻信號還原成原始的信息.該信號的特點是信號隱蔽性好、截獲概率低、抗多徑干擾且容易實現(xiàn)碼分多址體制.低壓電力線載波擴頻通信模型如圖2所示.

2）載波監(jiān)測原理.

系統(tǒng)載波頻率選用150kHz，遠遠大于工頻50Hz.在100～450kHz頻帶內(nèi)，噪聲功率譜密度很平，其特性可看成是白噪聲，其功率譜密度滿足：

式中 C為隨時間和地點變化的隨機變量.與其數(shù)據(jù)傳輸率相比，C的變化非常緩慢，可以認為恒定.雖然C隨測量地點的不同有所不同，但其變化并不明顯.通過對大量實驗樣本分析可知，C近似滿足μ＝－94.10，σ＝0.76的正態(tài)分布［6］（筆者采用高斯白噪聲信道作為傳輸信道進行仿真，不影響通信效果）.

圖2 低壓電力線載波擴頻通信模型Figure 2 Wave spread spectrum communication model of low－voltage power line carrier

在此信道中，載波機在線路正常時能正常通信.當發(fā)生斷路故障時，該線路終端的線路故障探測器與該變壓器管轄區(qū)內(nèi)的故障監(jiān)測站之間的通信被中斷；當發(fā)生多相故障時，保護裝置會很快切除故障，線路上幾乎沒有噪聲，但故障點處對于載波高頻信號仍將呈現(xiàn)較大的高頻阻抗，載波信號在故障點將發(fā)生折反射；當發(fā)生單相接地故障時，由于配電網(wǎng)允許且只允許單相接地后系統(tǒng)帶故障運行一段時間，此時載波通道情況復雜，損耗很大，但故障點處對于高頻信號仍將產(chǎn)生較大的高頻阻抗，載波信號發(fā)生折反射.

2.2 線路故障判據(jù)

線路故障監(jiān)測站安裝在變壓器轄區(qū)內(nèi)的低壓側，而故障探測器則掛裝在電力傳輸網(wǎng)絡上所需要監(jiān)測的位置（如各分支口、各事故多發(fā)段、較長線路中段等）.主站采用輪詢的方式，從1號線路故障探測器到N號線路故障探測器不間斷地發(fā)送載波信號，載波信號沿電力線路傳遞到遠端線路故障探測器，故障探測器收到主站問詢信號后，回信號給主站，每個故障探測器被詢問3次，如果主站接收到正確的報文，則線路正常；若當某條電力線路或分支線路發(fā)生故障或異常情況時，則不能正確收到報文，此時線路發(fā)生掉電等故障.故障探測器把線路故障（或正常）信息上報給主站，主站通過ZigBee無線傳輸技術把故障信息傳輸?shù)诫娋W(wǎng)監(jiān)測中心控制臺.故障監(jiān)測框圖如圖3所示.

圖3 故障監(jiān)測框圖Figure 3 Fault detection scheme

3 仿真

使用MATLAB/Simulink建立一個擴頻通信系統(tǒng)模型，如圖4所示，根據(jù)模型進行仿真.

1）信源.隨機整數(shù)發(fā)生器（Random Integer Generator）作為仿真系統(tǒng)的信源，其產(chǎn)生二進制隨機信號，采樣時間、初始狀態(tài)可自由設置，從而滿足擴頻通信系統(tǒng)所需信源的要求.

2）擴頻與解擴.PN（Part Number）序列生成器模塊（PN Sequence Generator）作為偽隨機碼產(chǎn)生器，擴頻過程通過信息碼與PN碼進行雙極性變換后相乘加以實現(xiàn).解擴過程與擴頻過程相同，即將接收的信號用PN碼進行第2次擴頻處理.

3）調(diào)制與解調(diào).使用二相相移鍵控PSK方式進行調(diào)制、解調(diào).調(diào)制由正弦載波與雙極性擴頻碼直接相乘實現(xiàn)，采用相干解調(diào)法進行解調(diào).

4）信道.傳輸信道為加性高斯白噪聲信道.在加性高斯白噪聲信道模塊中，可進行信號功率和信噪比的設置［7－10］.

仿真結果：發(fā)射（a）和接收（b）信號在線路正常運行時通信仿真如圖5所示，可以看到，經(jīng)過擴頻調(diào)制解調(diào)的信號與原信號幾乎一樣，載波機在線路正常時能正常通信.

圖4 系統(tǒng)仿真模型Figure 4 System simulation model

圖5 系統(tǒng)正常運行仿真Figure 5 System normal operation simulation diagram

當線路斷路時，通信中斷，接收信號消失，其系統(tǒng)斷路仿真如圖6所示；當線路發(fā)生接地故障時，配電網(wǎng)允許系統(tǒng)帶故障運行一段時間，此時載波通道情況復雜，損耗很大，但故障點處對于高頻信號仍將產(chǎn)生較大的高頻阻抗，載波信號發(fā)生折反射，線路接收端載波機可接收到折射亂碼信號，其系統(tǒng)接地故障仿真如圖7所示.

圖6 系統(tǒng)斷路仿真Figure 6 System＇s open circuit simulation diagram

圖7 系統(tǒng)接地故障仿真Figure 7 System ground－fault simulation diagram

4 結語

綜上所述，系統(tǒng)通過載波能夠準確找到故障點的故障區(qū)間，利用ZigBee無線傳輸及時報告2個探測器之間的故障，按照各地需要布置探測器個數(shù)，可實現(xiàn)不同的精度要求.

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