王喜柱

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030600）

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和智能化水平的提升，饋線自動化技術(shù)在提高電網(wǎng)供電可靠性和管理效率方面發(fā)揮著重要作用。故障定位作為饋線自動化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其準(zhǔn)確性直接關(guān)系著電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和用戶的用電體驗[1]。傳統(tǒng)的故障定位通常依賴人工巡檢與各種監(jiān)控設(shè)備，在實際應(yīng)用中存在一定的不足[2]。因此，電力系統(tǒng)領(lǐng)域急需研究并開發(fā)新型、高效的故障定位技術(shù)，為智能電網(wǎng)建設(shè)提供有力的技術(shù)支撐[3]?；诖?，文章利用電力線載波通信，設(shè)計了一種全新的分布式饋線自動化故障定位方法，能夠快速、準(zhǔn)確定位故障點，并提高故障處理的自動化水平，減少人工干預(yù)。

1 分布式饋線自動化故障定位方法設(shè)計

1.1 分布式饋線節(jié)點數(shù)據(jù)采集

分布式饋線節(jié)點數(shù)據(jù)采集是饋線自動化故障定位中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，用于收集各個饋線節(jié)點的實時數(shù)據(jù)。根據(jù)饋線系統(tǒng)的要求，配置數(shù)據(jù)采集設(shè)備的參數(shù)。

在分布式饋線節(jié)點數(shù)據(jù)采集過程中，傳感器被精準(zhǔn)部署在饋線節(jié)點處，實時監(jiān)測電流、電壓及溫度等關(guān)鍵物理量。這些物理量通常以模擬信號的形式存在，無法直接進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。而傳感器內(nèi)置的信號轉(zhuǎn)換模塊會將這些模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以便后續(xù)進(jìn)行傳輸和處理。數(shù)據(jù)采集器能夠接收來自傳感器的數(shù)字信號[4]。為確保數(shù)據(jù)的高效傳輸和存儲，數(shù)據(jù)采集器會采用差分編碼技術(shù)對這些數(shù)字信號進(jìn)行適當(dāng)壓縮。差分編碼不僅能顯著降低數(shù)據(jù)的冗余度，減輕傳輸和存儲的負(fù)載，還能在一定程度上提高數(shù)據(jù)的抗干擾能力。完成數(shù)據(jù)壓縮后，采集的數(shù)據(jù)會被暫存在饋線節(jié)點的本地存儲設(shè)備中。存儲設(shè)備通常采用高可靠性、高容量的存儲介質(zhì)，以確保數(shù)據(jù)的長期保存和快速訪問[5]。

電力線載波通信作為一種高效、穩(wěn)定的通信方式，能夠在復(fù)雜的電力網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，實時監(jiān)測通信鏈路的狀態(tài)，包括信號強(qiáng)度、傳輸速率及丟包率等關(guān)鍵指標(biāo)。一旦發(fā)現(xiàn)通信鏈路出現(xiàn)異?；虿环€(wěn)定的情況，立即采取相應(yīng)的措施進(jìn)行修復(fù)或調(diào)整，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

1.2 分布式饋線故障檢測

完成分布式饋線節(jié)點數(shù)據(jù)采集后，需要對饋線進(jìn)行故障檢測，以及時、準(zhǔn)確地識別饋線系統(tǒng)中發(fā)生的故障。首先，啟動分布式饋線自動化故障檢測機(jī)制，實時監(jiān)控饋線系統(tǒng)的運行狀態(tài)，確保饋線的安全與穩(wěn)定[6]。其次，根據(jù)饋線系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)、長期的運行經(jīng)驗及設(shè)備的技術(shù)規(guī)格等，設(shè)定各種關(guān)鍵參數(shù)的故障檢測閾值。這些閾值反映了饋線系統(tǒng)在正常運行狀態(tài)下的參數(shù)范圍，一旦實時數(shù)據(jù)超出這些范圍，就意味著饋線系統(tǒng)可能出現(xiàn)了故障或異常情況。最后，通過部署在饋線各節(jié)點的傳感器，實時采集饋線系統(tǒng)的各項數(shù)據(jù)，包括電流、電壓及溫度等關(guān)鍵參數(shù)，以了解饋線系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)。通過處理和分析這些數(shù)據(jù)，可以計算出電流變化率、電壓波動范圍等，更直觀地反映饋線系統(tǒng)的健康狀況，從而為后續(xù)的故障檢測提供有力支持。為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要定期校準(zhǔn)和維護(hù)傳感器，以確保其測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時，需要采用合適的數(shù)據(jù)處理和分析方法，以消除可能的干擾和噪聲，提高數(shù)據(jù)的可靠性。故障特征參數(shù)的計算公式為

式中：ROC表示電流的變化率；ΔI表示電流的變化量；Δt表示時間間隔；Umax、Umin分別表示電壓在一段時間內(nèi)的最大值和最小值。通過式（1）和式（2）提取分布式饋線自動化故障特征，建立故障特征庫，并儲存已知的故障特征，以便與實時數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。一旦饋線系統(tǒng)出現(xiàn)故障，故障電流或電壓會立即出現(xiàn)異常變化。

1.3 基于電力線載波通信的自動化故障定位

在分布式饋線故障檢測的基礎(chǔ)上，借助電力線載波通信自動化定位故障點?；陔娏€載波通信的饋線自動化故障定位是將電力線作為通信介質(zhì)，通過發(fā)送和接收特定的信號來檢測和定位饋線系統(tǒng)中發(fā)生故障的位置，并通過調(diào)制和解調(diào)技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)。

在饋線自動化故障定位中，可以利用電力線載波通信技術(shù)發(fā)送特定的信號，并通過接收的信號特征來判斷饋線中是否存在故障。在實際應(yīng)用中，會在饋線系統(tǒng)中設(shè)置多個通信節(jié)點，這些節(jié)點通過電力線實現(xiàn)相互連接。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)會啟動故障定位機(jī)制，且故障節(jié)點會發(fā)送特定的定位信號。這些信號會沿著電力線傳播，一旦遇到故障點，信號就會發(fā)生反射或衰減；而其他節(jié)點會接收這些信號，并對信號進(jìn)行分析，以確定故障點的位置。

由分布式傳輸線理論可知，應(yīng)用高頻電源時，可以將分布式饋線視作一個雙線傳輸?shù)姆植际絽?shù)模型，以更準(zhǔn)確地描述電力線在高頻信號傳輸過程中的行為特性。饋線分布式參數(shù)等效模型如圖1 所示。

圖1 饋線分布式參數(shù)等效模型

在該模型中，電力線不僅是輸送電能的介質(zhì)，還是承載高頻信息的通信信道。分布式饋線每單位長度的串聯(lián)電阻R和串聯(lián)電感L的計算公式為

式中：r表示導(dǎo)體半徑；D表示兩個導(dǎo)體中心的距離；σs表示導(dǎo)體電導(dǎo)率；μa表示導(dǎo)體相對磁導(dǎo)率；μ0表示導(dǎo)體的真空磁導(dǎo)率。饋線每單位長度的并聯(lián)電容C與并聯(lián)電導(dǎo)G的計算公式為

式中：δa為導(dǎo)體相對介電常數(shù)；δ0為導(dǎo)體真空介電常數(shù)；tanβ為導(dǎo)體的損耗因子。

通過式（3）～式（6）可以得出等效模型的各項參數(shù)。傳感器將檢測到的異常數(shù)據(jù)通過電力線載波通信模塊發(fā)送至饋線自動化系統(tǒng)的中央控制器。在此基礎(chǔ)上，利用行波在饋線中的傳播速度計算故障點與測量點之間的距離，計算公式為

式中：L表示饋線的長度；t表示信號從一端傳播到另一端所需的時間。

在饋線系統(tǒng)中，故障定位信號首先會沿著電力線傳播，并經(jīng)過系統(tǒng)中的各個節(jié)點。其次，節(jié)點上的電力線載波通信模塊將接收到的故障定位信號轉(zhuǎn)發(fā)至中央控制器。再次，中央控制器接收到該信號后，對其進(jìn)行分析和處理。最后，利用測量的信號到達(dá)時間和行波速度，結(jié)合饋線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，計算故障點距饋線終端的距離，公式為

式中：tm為測量點接收到信號的時間；ti為信號注入時間。

由于信號傳播可能會受到饋線阻抗、分支線路等因素的影響，需要對計算故障位置進(jìn)行校準(zhǔn)。利用反射系數(shù)和行波速度，對故障定位結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，用公式表示為

式中：dc為校準(zhǔn)后的故障點距饋線終端的距離；R為反射系數(shù)，反映信號在饋線中傳播時受到的反射程度，通常取-1 ～1。其中，R=0 表示沒有反射，R＜0 表示反射方向與行波傳播方向相反，R＞0 表示反射方向與行波傳播方向相同。

2 實驗分析

2.1 實驗準(zhǔn)備

為驗證文章設(shè)計的基于電力線載波通信的分布式饋線自動化故障定位方法的有效性，模擬一個中等規(guī)模的電力系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括10 條饋線，總長度約為50 km，每條饋線上均勻分布著20 個節(jié)點，節(jié)點間的距離約為2.5 km。同時，采用具有高速數(shù)據(jù)傳輸能力的電力線載波通信設(shè)備，通信速率為1 Mb/s，誤碼率低于0.000 1%。為每個節(jié)點安裝電流傳感器和電壓傳感器，實時監(jiān)測線路狀態(tài)，采樣頻率為1 kHz。此外，利用故障模擬裝置，模擬不同類型的電力故障。本次實驗測試的參數(shù)包括3 個：第一，通信參數(shù)。載波頻率為50 kHz，通信協(xié)議采用自定義的傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），以確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。第二，故障模擬參數(shù)。模擬短路故障時，短路電阻設(shè)置為0.1 Ω。第三，數(shù)據(jù)處理參數(shù)。采用分布式算法處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理延遲不超過100 ms。在此基礎(chǔ)上，啟動載波通信設(shè)備，建立通信鏈路。

2.2 結(jié)果分析

將分布式饋線自動化故障定位精度作為此次實驗的評價指標(biāo)，以衡量故障定位結(jié)果的準(zhǔn)確性。定位精度用實際故障位置與定位結(jié)果之間的誤差表示，計算公式為

式中：La為分布式饋線實際故障位置到饋線終端的距離；Lr為分布式饋線故障定位結(jié)果。A值越小，分布式饋線實際故障位置與定位結(jié)果之間的誤差越小，故障定位精度越高；反之，同理。

為驗證所提方法的有效性，分別將文獻(xiàn)[1]提出的基于路徑故障特征的定位方法、文獻(xiàn)[3]提出的基于改進(jìn)多元宇宙算法的定位方法作為對照組1 與對照組2，將文章提出的定位方法作為實驗組，進(jìn)行對比實驗。在相同的實驗環(huán)境下，模擬不同類型的故障，分別使用文章提出方法和兩種常規(guī)方法進(jìn)行故障定位，記錄并分析3 種方法的定位精度（即實際故障位置與檢測位置之間的距離差），對比結(jié)果如表1 所示。

表1 分布式饋線故障定位精度對比結(jié)果 單位：m

由表1 可知，應(yīng)用文章提出的故障定位方法后，6 種不同類型的分布式饋線故障定位的A值明顯小于另外2 種方法，能夠有效提高故障定位精度，為電力系統(tǒng)的故障定位提供更加準(zhǔn)確的解決方案。

3 結(jié) 論

基于電力線載波通信的分布式饋線自動化故障定位方法不僅具備較高的理論價值，還展現(xiàn)出廣闊的實際應(yīng)用前景。該方法通過實時、高效的通信機(jī)制，實現(xiàn)對饋線故障的準(zhǔn)確定位。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，該方法將在構(gòu)建更加智能、高效的電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用，為未來的電力系統(tǒng)高效運行與能源發(fā)展提供有力支撐。