高海博

摘 要： 隨著配電網(wǎng)規(guī)模的逐漸擴大，線路數(shù)量與分支逐漸增多，接線方式更加復(fù)雜，造成接地故障定位復(fù)雜，為了快速準(zhǔn)確實現(xiàn)配電網(wǎng)接地故障定位，盡快恢復(fù)電網(wǎng)正常運行，設(shè)計并實現(xiàn)一種高精度配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由處理模塊、無線收發(fā)模塊、海量存儲模塊、GPRS模塊等構(gòu)成，分析了所設(shè)計配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)的運行原理，通過Visual C++中API函數(shù)與數(shù)據(jù)庫開發(fā)了配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的三個功能層，給出后臺軟件控制流程，設(shè)計配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)軟件，給出配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)中的部分C語言代碼。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)具有很強的實用性和可靠性。

關(guān)鍵詞： 配電網(wǎng)； 接地故障； GPRS； 優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號： TN710?34； TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）06?0157?04

Optimization design and implementation of earth fault location system for

power distribution network

GAO Haibo

（Northeast Dianli University， Jilin 132012， China）

Abstract： With the gradual expanding of power distribution network scale， the number of power line and branches are increased gradually， and the wire connection mode becomes more complex， which make the earth fault location complex. To quickly locate the earth fault of the power grid and recover the normal operation， a high?precision earth fault location system for power distribution network was designed and realized， which is mainly composed of processing module， wireless transceiving module， mass storage module， GPRS module， etc. The operation principle of this system is analyzed. The three functional layers of this system were developed with database and API function in Visual C++. The software of this system was designed. The backstage software control process and part C language codes of this system are given. The experimental results show that the designed earth fault location system for power distribution network has strong practicability and reliability.

Keywords： power distribution network； GPRS； location； optimization design

0 引 言

近年來，隨著配電網(wǎng)規(guī)模的逐漸擴大，電纜線路在供電網(wǎng)中的使用量越來越大，很多配電系統(tǒng)都選擇消弧線圈并/串聯(lián)電阻的派生接地形式運行[1?2]。在配電網(wǎng)發(fā)生故障的情況下，必須及時定位故障位置，并做出對應(yīng)的措施[3]。因此，設(shè)計一種配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)具有重要意義，已經(jīng)成為相關(guān)學(xué)者研究的重點課題，受到越來越廣泛的關(guān)注[4?5]。

目前研究配電網(wǎng)接地故障定位的方法有很多，但均存在一定的弊端。其中，文獻(xiàn)[6]設(shè)計了一種基于行波法的配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)，利用行波傳輸特性對配電網(wǎng)故障位置進(jìn)行定位，但該系統(tǒng)存在易受過渡電阻與分支數(shù)量干擾的弊端。文獻(xiàn)[7]設(shè)計了一種基于直流法的配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)，但該系統(tǒng)需登桿檢測，檢測過程較麻煩；文獻(xiàn)[8]設(shè)計了一種基于故障指示器法的配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)對配電網(wǎng)短路故障的定位效果較好，但對小電流接地系統(tǒng)故障定位則容易出現(xiàn)誤差；文獻(xiàn)[9]設(shè)計了一種基于信號注入法的配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)需安裝信號注入設(shè)備，成本相對較大，對瞬時故障的定位效果不佳；文獻(xiàn)[10]提出一種基于零序電流比幅法的配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)受系統(tǒng)運行方式、過渡電阻等因素的影響，可能會造成定位精度低下。

為了解決上述問題，本文設(shè)計了一種配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)。分析了所設(shè)計配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)的運行原理；通過Visual C++中API（Application Programming Interface，應(yīng)用程序編程接口）函數(shù)與數(shù)據(jù)庫開發(fā)了配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的三個功能層；給出后臺軟件控制流程，設(shè)計了配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)軟件；給出配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)中的部分C語言代碼。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)具有很強的實用性和可靠性。

1 配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)設(shè)計原理

配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作的基本思想如下：通過測量電磁場的傳感器得到配電網(wǎng)故障電壓和電流信息，經(jīng)信號調(diào)理電路后，傳入A/D轉(zhuǎn)換器，將經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號傳輸給處理單元，處理單元將經(jīng)處理后的信息和該節(jié)點的地址信息利用無線GPRS通信模塊傳輸至故障自動定位系統(tǒng)主站，從而實現(xiàn)配電網(wǎng)接地故障的準(zhǔn)確定位。分析圖1可知，本文設(shè)計的配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)主要由處理模塊、無線收發(fā)模塊、海量存儲模塊、GPRS模塊等構(gòu)成。

圖1 配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

新一代配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)，將MSP430系列單片機作為處理模塊的核心，MSP430系列單片機為16位單片機，具有強大的處理能力。依據(jù)本文系統(tǒng)的設(shè)計要求，并且考慮到RAM空間要求、A/D精度要求等，本文選擇MSP430F1610型單片機，完成對信號的處理后，將結(jié)果利用DMA保存至單片機的RAM中。海量存儲模塊主要負(fù)責(zé)保存故障后的數(shù)據(jù)，對配電網(wǎng)故障進(jìn)行判斷后，如果確定是故障，則將數(shù)據(jù)存儲至海量存儲器中，本文系統(tǒng)將FM25L256作為存儲器擴展，F(xiàn)M25L256是RAMTRON公司生產(chǎn)的，其采用SPI總線控制，不僅操作簡單，而且占用硬件資源少，適用于高可靠場合信息存儲。無線收發(fā)模塊主要負(fù)責(zé)小區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)模塊間的通信，將數(shù)據(jù)處理結(jié)果傳輸給中心故障指示器，從而實現(xiàn)模糊運算。當(dāng)發(fā)生故障時，無線模塊被激活；當(dāng)正常運行時，無線模塊處于休眠狀態(tài)；依據(jù)上述分析本文選擇nRF905無線收發(fā)芯片。GPRS模塊主要負(fù)責(zé)將故障信息傳輸給監(jiān)控中心，在配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，單片機控制GPRS模塊傳輸故障信息到監(jiān)控中心，指出故障所處區(qū)段和故障類型，以便于維修人員及時做出相應(yīng)的處理。

2 配電網(wǎng)接地故障定位過程的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 零序有功電流判據(jù)

配電網(wǎng)發(fā)生接地故障時各保護裝置測得的零序基波電流的相量如圖2所示。

圖2 零序基波電壓和電流相量

圖2中：[U0]為零序基波電壓；[I0L，NF]用于描述非故障路線路的零序電，相位超前[U0]90°；[I0L，F(xiàn)]為故障路徑線路區(qū)段的零序電流，因為有功分量的影響，其相位超前[U0]超過90°。通過式（1）可獲取不同段線路測得的零序電流中的有功分量：

[I0L，AC=I0cosθ] （1）

其中：[I0]用于描述[I0L，NF]或[I0L，F(xiàn)]的幅值；[θ]用于描述[I0L，NF]或[I0L，F(xiàn)]與[U0]的相位差。故障路徑中零序電流的有功分量方向和規(guī)定的正方向相反，因此，式（1）的值為負(fù)值，引入一個合理的閾值[I0_set，AC]，從而判斷配電網(wǎng)某線路是否為故障路徑的線路。

2.2 配電網(wǎng)接地故障區(qū)段定位判據(jù)

假設(shè)變壓器到負(fù)載的方向是正方向，將保護裝置作為配電網(wǎng)的節(jié)點，對配電網(wǎng)的n條線路和首端保護裝置進(jìn)行編號。通過通信功能將零序電流信息依據(jù)式（2）描述的規(guī)則構(gòu)建電網(wǎng)結(jié)構(gòu)信息矩陣：

[Dij= 1， 線路j以節(jié)點i為起點 -1， 線路j以節(jié)點i為終點 0， 其他] （2）

式中：[i]用于描述節(jié)點的編號；[j]用于描述線路編號；[i，j∈1，2，…，n]，建立故障特征行向量：

[F=P1 P2 … Pn] （3）

式中：

[Pi= 1， I0_i，AC

再計算式（5）：

[Fl=F?Dij] （5）

獲取行向量：

[Fl=F11F12…F1j…F1n] （6）

獲取[F1j=1]，則[j]就是故障所處線路的編號。

3 配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件開發(fā)系統(tǒng)模型

本文依據(jù)Visual C++中API 函數(shù)與數(shù)據(jù)庫開發(fā)了配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的三個功能層：綜合應(yīng)用層、數(shù)據(jù)管理層及數(shù)據(jù)采集層，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3所示，后臺軟件控制流程圖如圖4所示。

圖3 配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

圖4 配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)軟件控制流程圖

數(shù)據(jù)采集層以GSM通信形式接入現(xiàn)場終端，其主要包括通信接入設(shè)備與通信協(xié)議解析軟件等，主要負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理以及監(jiān)測通信質(zhì)量等。數(shù)據(jù)管理層主要包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲器以及數(shù)據(jù)庫管理軟件等，用于對數(shù)據(jù)的進(jìn)一步存儲和處理，構(gòu)建配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺，在綜合應(yīng)用層開發(fā)了多個功能模塊，以達(dá)到配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的應(yīng)用需求，使故障監(jiān)控更加簡潔。

3.2 代碼設(shè)計

本文設(shè)計的配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)可在Matlab環(huán)境下進(jìn)行仿真，部分C語言代碼如下：

#include "iostream.h"

#include "string.h"

#include "fstream.h"

class po

{

public：

int x；

int y；

}

class img

{

public：

int width；

int high；

char get（int x，int y）；

void setat（int x，int y，char value）；

void create（int w，int h）；

void del（）；

}

void img：：setat（int x，int y，char value）

{

content[x*width+y]=value；

}

void img：：del（）

{

if（content==NULL） return；

delete [] content；

}

void img：：create（int w，int h）

{

content=new char[w*h]；

for（int i=0；i

for（int j=0；j

content[i*width+j]=′0′；

}

char img：：get（int x，int y）

{

if（x<0||x>=high||y<0||y>=width）

return ′0′；

else

return content[x*width+y]；

}

4 仿真實驗分析

為了驗證本文設(shè)計的配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)的有效性，需要進(jìn)行相關(guān)的實驗分析。本文將A相故障作為研究對象，在短路條件不同的情況下，將基于行波法的配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)作為對比，對兩種系統(tǒng)的測距結(jié)果進(jìn)行了分析，詳細(xì)結(jié)果如表1所示。

表1 兩種系統(tǒng)測距結(jié)果

從表1可以看出，在電阻和故障初相角相同的情況下，隨著故障距離的增加，兩種系統(tǒng)的測距結(jié)果與實際測距結(jié)果的差距均越來越大，但與基于行波法的配電網(wǎng)接地故障系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)的誤差增加幅度明顯較低，而且一直低于基于行波法的配電網(wǎng)接地故障系統(tǒng)，說明本文系統(tǒng)具有很高的定位精度。

為了進(jìn)一步驗證本文系統(tǒng)的實用性，分別采用本文系統(tǒng)和基于行波法的配電網(wǎng)接地故障系統(tǒng)進(jìn)行7次實驗，對兩種系統(tǒng)所需時間進(jìn)行對比，得到的結(jié)果如圖5所示。

圖5 兩種系統(tǒng)所需時間比較結(jié)果

從圖5可以看出，上述進(jìn)行的7次實驗中，采用本文系統(tǒng)所需的時間明顯低于基于行波法的配電網(wǎng)接地故障系統(tǒng)；而且本文系統(tǒng)的時間曲線相對平穩(wěn)，說明本文系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性，驗證了本文系統(tǒng)的性能。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種高精度配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由處理模塊、無線收發(fā)模塊、海量存儲模塊、GPRS模塊等構(gòu)成，分析了所設(shè)計配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)的運行原理，通過Visual C++中API函數(shù)與數(shù)據(jù)庫開發(fā)了配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的三個功能層，給出后臺軟件控制流程，設(shè)計了配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)軟件，給出配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)中的部分C語言代碼。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計配電網(wǎng)接地故障定位系統(tǒng)具有很強的實用性和可靠性。

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