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(國網(wǎng)四川省電力公司達(dá)州市蒲城供電分公司,四川 達(dá)州 636150)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn),電力需求量不斷增加,配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)模也逐漸擴(kuò)大。10 kV配電線路作為電力系統(tǒng)的重要組成部分,直接面向用戶供電,其穩(wěn)定性和可靠性對(duì)電力系統(tǒng)和用戶具有重要影響,然而,由于環(huán)境、設(shè)備、人為等多種因素影響,配電線路常常出現(xiàn)故障,導(dǎo)致電力系統(tǒng)供電中斷,影響用戶正常用電。如何提高配電線路的穩(wěn)定性和可靠性,成為電力行業(yè)亟待解決的問題。近年來,自動(dòng)化技術(shù)在電力行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用,對(duì)10 kV配電線路故障及其自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行分析,對(duì)于提高配電線路的穩(wěn)定性和可靠性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 10 kV配電線路故障概述

通過對(duì)已有文獻(xiàn)進(jìn)行梳理和評(píng)價(jià),筆者發(fā)現(xiàn)10 kV配電線路的故障主要涉及自然因素、設(shè)備因素和人為因素等多個(gè)方面,常見的故障類型包括短路、斷線、接地等。

1.1 10 kV配電線路短路故障分析

10 kV配電線路常見的短路故障有相間短路、對(duì)地短路、跨步電壓短路、絕緣損壞短路、負(fù)載短路、誤操作短路等類型。相間短路是指不同相的電流相互干擾,導(dǎo)致兩相或三相電流不平衡,最終導(dǎo)致短路。對(duì)地短路是指電路中的某處斷開,導(dǎo)致電流無法正常流過,從而引發(fā)短路。跨步電壓短路是指當(dāng)電路斷開時(shí),由于電荷移動(dòng)導(dǎo)致電壓分布不均,從而引發(fā)短路,這種故障通常發(fā)生在電路斷路器瞬間閉合或斷開時(shí)。絕緣損壞短路是指由于電路絕緣不良,導(dǎo)致電流不經(jīng)負(fù)載而直接流過,從而引發(fā)短路。負(fù)載短路是指電路中的某個(gè)或多個(gè)器件與線路并聯(lián),導(dǎo)致電流分流,最終引發(fā)短路。誤操作短路是指由于操作不當(dāng),導(dǎo)致電路出現(xiàn)異常情況,從而引發(fā)短路。

1.2 10 kV配電線路斷線故障分析

常見的10 kV配電線路的斷線故障原因主要有線路負(fù)載過大、線路老化、惡劣天氣影響以及外力破壞等方面因素。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:一是用電負(fù)荷的急劇增加,導(dǎo)致線路承受的電流超過其設(shè)計(jì)能力;二是線路本身的缺陷,如線路規(guī)格過小、布局不合理等,導(dǎo)致線路在正常運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)斷線故障;三是線路絕緣層破損、導(dǎo)體氧化腐蝕、螺栓松動(dòng)等,導(dǎo)致線路的電阻增加、載流量下降,嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生斷線故障;四是惡劣天氣對(duì)10 kV配電線路的影響較大,如風(fēng)災(zāi)、雪災(zāi)、雷擊等惡劣天氣都可能導(dǎo)致線路斷線故障;五是在施工過程中施工方法不當(dāng)或施工質(zhì)量控制不嚴(yán)格,導(dǎo)致線路在運(yùn)行過程中出現(xiàn)斷線故障;六是人為或由動(dòng)物引起的外力破壞。

1.3 10 kV配電線路接地故障分析

10 kV配電線路接地故障分為瞬時(shí)性接地故障、永久性接地故障、斷線接地故障、混線接地故障、雷電接地故障、毛線接地故障等類型。在10 kV配電線路中,接地故障是指電流或電壓異常導(dǎo)致設(shè)備與大地之間的連接發(fā)生問題,這種故障可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞、人員傷亡以及供電中斷等后果。

2 自動(dòng)化技術(shù)分析

自動(dòng)化技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)、電子、通信等技術(shù),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)檢測、控制、優(yōu)化和管理。在電力領(lǐng)域,自動(dòng)化技術(shù)主要涉及變電、配電、用電等環(huán)節(jié)。自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用可以有效提高配電線路的穩(wěn)定性和可靠性,其中遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)、智能巡檢技術(shù)和故障定位技術(shù)是較為常見的自動(dòng)化技術(shù),可以對(duì)10 kV配電線路故障起到故障定位、隔離和恢復(fù)供電等方面的作用。此外,自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用還可以優(yōu)化電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式,提高供電的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

2.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

在配電線路中,電力設(shè)備、通信設(shè)備和控制系統(tǒng)共同組成了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。其中,電力設(shè)備主要負(fù)責(zé)對(duì)線路運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測和數(shù)據(jù)的采集,通信設(shè)備負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心或管理平臺(tái),控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和分析以及對(duì)設(shè)備的控制和調(diào)整。

在電力線路的運(yùn)行過程中,可能會(huì)遇到各種故障,比如短路、過載、漏電等。這些故障不僅會(huì)影響電力線路的運(yùn)行效果,還可能引發(fā)安全事故。而遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的出現(xiàn),使得配電線路的運(yùn)行狀態(tài)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理這些故障。通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),管理人員可以實(shí)時(shí)了解配電線路的運(yùn)行狀態(tài),及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理故障。同時(shí),通過對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,還可以對(duì)電力線路的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測和維護(hù),提前發(fā)現(xiàn)并解決問題,減少故障的發(fā)生。

2.2 智能巡檢技術(shù)

智能巡檢技術(shù)是通過無人機(jī)、智能巡檢車等設(shè)備,定期對(duì)配電線路進(jìn)行巡檢,發(fā)現(xiàn)并處理潛在故障的配電線路運(yùn)維管理的重要手段之一,該技術(shù)可以大大提高巡檢的效率和精度。其中,無人機(jī)和智能巡檢車是常見的智能巡檢設(shè)備。

通過無人機(jī)搭載高清晰度攝像頭、紅外線掃描儀等設(shè)備,對(duì)配電線路進(jìn)行全方位、高精度的拍攝和檢測。然后通過對(duì)拍攝到的圖像進(jìn)行分析和處理,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路的潛在故障和隱患,如線路老化、絕緣損壞等。同時(shí),無人機(jī)還可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制,使得管理人員可以在第一時(shí)間了解線路的情況,并采取相應(yīng)的處理措施。

智能巡檢車則是一種集成了多種檢測設(shè)備的車輛,通過智能巡檢車搭載高清晰度攝像頭、紅外線掃描儀、超聲波檢測器等多種設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測線路的外觀、溫度、絕緣等各個(gè)方面的監(jiān)測。隨后對(duì)檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路的潛在故障和隱患,并進(jìn)行相應(yīng)的處理和維護(hù)。智能巡檢車具有自動(dòng)化、智能化、高效、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)配電線路的全面監(jiān)控和故障預(yù)警。同時(shí),智能巡檢車可以在不同的環(huán)境和條件下進(jìn)行巡檢,具有很好的適應(yīng)性和靈活性。

2.3 故障定位技術(shù)

故障定位技術(shù)可以快速準(zhǔn)確地確定故障位置,提高故障排除效率。在配電線路中,故障定位技術(shù)是通過對(duì)線路中的故障信號(hào)進(jìn)行測量和解析,快速定位故障位置,從而有效地進(jìn)行故障排除和修復(fù)。常見的方法包括阻抗法、行波法、和音頻法等,在實(shí)際應(yīng)用中,這些方法可以互相結(jié)合使用,提高故障定位的精度和效率。

2.3.1 阻抗法

阻抗法是通過測量電力系統(tǒng)中故障點(diǎn)到測量端之間的阻抗變化,來推測故障位置的方法。在實(shí)際應(yīng)用中,阻抗法多以線路集中參數(shù)模型為基礎(chǔ),通過測量不同故障點(diǎn)的阻抗值,可以推測故障點(diǎn)所在的位置。對(duì)于短路故障,常見的故障類型包括單相短路、兩相短路和三相短路。通過測量不同故障點(diǎn)的阻抗值,可以推測故障點(diǎn)所在的位置。例如在一條輸電線路上,如果測量到某一段線路的阻抗值明顯低于其他段,那么可以推測該段線路可能存在短路故障,進(jìn)而對(duì)該段線路進(jìn)行進(jìn)一步的檢修和維護(hù)。

2.3.2 行波法

行波法是基于行波檢測原理實(shí)現(xiàn)的,利用測量行波在故障點(diǎn)和測量端之間往返的傳播時(shí)間來確定故障位置[1]。當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí),會(huì)產(chǎn)生行波信號(hào),這些信號(hào)會(huì)在線路中傳播。通過測量行波信號(hào)的到達(dá)時(shí)間和反射點(diǎn)的位置,可以準(zhǔn)確確定故障點(diǎn)的位置。在實(shí)際應(yīng)用中,行波法是比較先進(jìn)和準(zhǔn)確的故障定位方法之一。其優(yōu)點(diǎn)是可以通過測量行波信號(hào)的傳播速度和時(shí)間差來確定故障位置,不受線路復(fù)雜程度的影響;且測量精度高,可以在較短的時(shí)間內(nèi)快速準(zhǔn)確地定位故障位置。

2.3.3 音頻法

音頻法是通過聽取線路中聲音的變化來確定故障位置。當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí),會(huì)產(chǎn)生特定的聲音,這些聲音可能來自故障點(diǎn)周圍的放電聲、設(shè)備故障的噪聲等。通過音頻設(shè)備可以捕捉到這些聲音信號(hào)的強(qiáng)度、頻率等特征的變化,從而確定故障位置。這種方法不需要在電力線路上附加任何設(shè)備,只需要將音頻設(shè)備(如拾音器或傳聲器)放置在線路周圍,捕捉這些聲音的變化,從而確定故障位置。

3 故障分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于自動(dòng)化技術(shù),本文設(shè)計(jì)了一種10 kV配電線路故障分析系統(tǒng),主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和故障分析3個(gè)模塊。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊通過智能傳感器和實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備獲取10 kV配電線路的電流、電壓、溫度等參數(shù),并識(shí)別數(shù)據(jù)源,如互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)文件等,以及確定從哪些數(shù)據(jù)源中提取需要的數(shù)據(jù)。所有信號(hào)采集后,會(huì)通過數(shù)據(jù)采集模塊,如嵌入式系統(tǒng)、PLC、單片機(jī)等設(shè)備,將這些信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),并通過串口、以太網(wǎng)或其他通信方式發(fā)送到計(jì)算機(jī)或控制系統(tǒng)進(jìn)行處理和顯示。該模塊的主要原理是通過傳感器將這些參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或數(shù)字信號(hào),然后通過數(shù)據(jù)采集模塊將這些信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)或控制系統(tǒng)進(jìn)行處理和分析。

3.1.1 電流的獲取

通常使用電流互感器(CT)或電流傳感器來采集10 kV配電線路的電流,這些設(shè)備基于法拉第電磁感應(yīng)定律工作,將電流轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢。法拉第電磁感應(yīng)定律的公式為:

E=nΔΦ/Δt

(1)

公式中,E代表感應(yīng)電動(dòng)勢,n代表感應(yīng)線圈匝數(shù),ΔΦ代表磁通量變化,Δt代表時(shí)間變化。然后通過測量該電動(dòng)勢來計(jì)算電流值。

3.1.2 電壓的獲取

電壓的獲取是通過在10 kV配電線路和大地之間建立一個(gè)電位差來實(shí)現(xiàn)的,這個(gè)電位差可以通過電壓傳感器進(jìn)行測量。

3.1.3 溫度的獲取

溫度參數(shù)的獲取一般通過溫度傳感器來實(shí)現(xiàn),常用的有熱電阻、熱電偶等。這些傳感器將溫度變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào),數(shù)據(jù)采集模塊通過測量這個(gè)電信號(hào)就能知道當(dāng)前的溫度。

3.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)采集后,數(shù)據(jù)需要進(jìn)行濾波、標(biāo)度轉(zhuǎn)換、補(bǔ)償?shù)忍幚?以便更準(zhǔn)確地反映實(shí)際狀態(tài)。再通過數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ),提取出與故障相關(guān)的信息。其主要步驟為:第一步,數(shù)據(jù)抓取。在確定數(shù)據(jù)源后,通過程序自動(dòng)化地從這些數(shù)據(jù)源中提取所需要的數(shù)據(jù)。第二步,數(shù)據(jù)清洗。對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和過濾,去掉無用的數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的加工,以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精度。第三步,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。經(jīng)過清洗的數(shù)據(jù)會(huì)被轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)格式,并存儲(chǔ)在預(yù)先設(shè)定好的存儲(chǔ)空間中,以便后續(xù)的分析和處理。第四步,數(shù)據(jù)處理。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理,包括數(shù)據(jù)的濾波、去噪、協(xié)議轉(zhuǎn)換等操作,以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精度。

3.3 故障分析模塊

故障分析模塊運(yùn)用人工智能算法對(duì)故障進(jìn)行診斷和預(yù)測。根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果,實(shí)現(xiàn)特定的應(yīng)用功能,比如實(shí)時(shí)判斷設(shè)備故障或安全風(fēng)險(xiǎn)等問題,提高生產(chǎn)過程的可控性和生產(chǎn)安全性。至于提取與故障相關(guān)的信息,這通常涉及對(duì)數(shù)據(jù)的特定分析。例如,如果發(fā)現(xiàn)某些數(shù)據(jù)(如設(shè)備運(yùn)行參數(shù))超過或低于正常范圍,這可能預(yù)示著設(shè)備故障或潛在問題。系統(tǒng)可以設(shè)置設(shè)備運(yùn)行的預(yù)警閾值,一旦監(jiān)測數(shù)據(jù)超過或低于這個(gè)閾值,系統(tǒng)會(huì)發(fā)出告警信息,及時(shí)通知相關(guān)人員進(jìn)行處理和維護(hù)[2]。此外,數(shù)據(jù)處理模塊也可能通過模式識(shí)別、聚類分析等方法自動(dòng)識(shí)別出故障模式或趨勢,提前進(jìn)行預(yù)警或預(yù)測,以避免故障的發(fā)生或減少故障帶來的損失。如何自動(dòng)地生成和篩選滿足要求的測試用例是一項(xiàng)很有意義的工作[3],預(yù)測性維護(hù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4]。

此外,故障分析模塊還可以結(jié)合多種人工智能算法進(jìn)行綜合診斷和預(yù)測。例如,可以將模糊方法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,或者將專家系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,以提高故障診斷和預(yù)測的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí),也可以采用分布式人工智能技術(shù),將診斷和預(yù)測任務(wù)分布到多個(gè)子系統(tǒng)上并行處理,提高整體效率。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)10 kV配電線路故障及其自動(dòng)化技術(shù)的研究,提出了一種基于自動(dòng)化技術(shù)的故障分析系統(tǒng)。通過應(yīng)用該系統(tǒng),可以有效降低10 kV配電線路的故障率,提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性,這將對(duì)保障電力系統(tǒng)和用戶的正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要意義。在未來的研究中,將進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能,提高故障診斷的準(zhǔn)確性和效率。同時(shí),將研究更多的自動(dòng)化技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用場景,為推動(dòng)電力行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展作出貢獻(xiàn)。