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摘要：首先介绍了配电线路故障定位装置的应用现状，分析了定位装置实际使用中存在的问题；接着阐述了基于零序电流合成的接地故障判断优化方法，并对三相同步关键技术进行了可行性认证，通过对定位装置关键技术的研究，提升了装置的性能，更能满足实际应用需求。
关键词：故障定位；配电线路；接地故障
一、配电线路故障定位装置简介
（一）应用场景
配电线路故障定位装置（以下简称定位装置）由采集单元、汇集单元和主站组成。采集单元负责线路电流的采集、短路故障的判定以及接地故障特征数据的采集；汇集单元负责把采集单元采集信息汇总传输给主站；主站进行数据分析和故障定位，并将故障信息及时下发。其应用场景如图1所示。
（二）系统功能
当线路发生故障时，定位装置可以自动定位故障区间，将故障信息及时下发，帮助维修人员迅速赶赴现场，排除故障，实现配电线路故障定位的“遥信”功能；当线路正常运行时，定位装置对线路电流、相电场及温度进行实时在线监测及故障预警，提前发现并解除故障隐患，实现配电线路故障定位的“遥测”功能。
二、定位装置关键技术的研究
（一）基于零序电流合成的接地故障判定方法研究
相对于架空型，采用零序电流分析判断接地故障的电缆型故障定位装置故障定位准确率要高出很多。由于10kV架空线路三相分开走线，架空型故障定位装置不能直接检测到零序电流，零序电流分析法无法直接采用，但可以参考配电自动化馈线终端FTU的零序电流合成法。与馈线终端FTU采用有线传输不同，架空线路在线监测系统中汇集单元和采集单元通过微功率无线方式通信，网络延时和时钟同步准确度性能较低，高准确度三相时钟同步要求对零序电流合成带来了挑战。为此，定位装置增加故障录波功能并通过对故障录波数据同步来合成零序电流，作为接地故障的判据。
下面以具体例子阐述接地故障的判定原理，若采集单元A发现接地异常，触发接地故障判定流程，由汇集单元收集故障、录波数据等信息，并完成接地故障的判定。详细流程如图2所示。
零序电流合成法大大提高了接地故障判定的准确率，实际测试准确率在90％以上，很好地解决了接地故障定位准确率低的难题。
（二）高效率、低功耗能量管理策略的研究
（1）采集单元能量管理方案
采集单元电源管理系统如图3所示，主要包括TA取电模块、电源控制模块和储能模块三个部分。TA取电互感器从线路直接感应得到一定大小的交变电压，再通过相应的整流电路和电源变换电路对其进行处理，最后输出稳定的直流电压供给负载使用。储能模块采用锂电池和超级电容，当线路负荷较大时，TA输出功率较高，用超级电容作为能量缓冲元件，避免能量过剩导致装置发热过度；当线路负荷较小，TA输出功率不足，电源控制模块进行主备电源切换，由可储能的超级电容供电，辅以锂电池补充。电源控制模块还设计了泄能电路，在TA输出功率较高而且超级电容能量储满情况下，通过元件发热对多余能量进行释放，避免损坏设备。
定位装置互感器外形尺寸、重量有严格要求，使得磁心截面积、磁路长度有一定限制，而电源频率也是固定不变的；在此情况下，要提高装置在小电流下的供电能力，提高磁心磁导率是唯一有效的方法。但当线路负荷增加到一定大小以后，磁心将进入饱和状态，其磁通基本不会再有变化，这有利于在大电流下抑制电流互感器的功率输出。但此后若线路负荷继续增加，则磁心将进入到深度饱和的状态，持续发热，对整个电源的工作稳定性带来影响。因此又要使磁心在较小电流工作时远离深度饱和区，这就要求磁心材料具备较高的饱和磁感应强度。
（3）灵活的休眠唤醒机制
为了解决线路负荷较小情况下装置电池消耗过快问题，采用基于休眠唤醒机制的低功耗设计方法。装置的工作模式可分为非低功耗模式和低功耗模式，当线路负荷高于5A时，采用非低功耗模式，TA取电功率可以满足全功能工作电源要求，支持高速采样、实时通信以及故障录波等高级应用；当线路负荷低于5A时，采用低功耗模式，降低设备的平均功耗。装置电源消耗主要集中在数据采样和数据传输部分，在没有检测到故障的时间段，采用休眠模式，降低数据采样频率，降低通信模块传输频率，以达到低功耗模式下降低装置平均运行功耗的目的；而在线路发生故障时，可以通过硬件触发唤醒，进入到正常工作状态，在故障数据处理完毕后，又可以自动切换到休眠模式。
（1）低功耗采样
基于休眠唤醒机制的采样模式如图5所示。在小负荷电流状态，当线路没有故障发生时，采用休眠采样模式（1个周波3～5个采样点），通过定时唤醒在“采样－休眠－采样”状态下循环，此状态下采样平均功耗可以降低到20μA。当线路发生故障时，通过硬件唤醒，迅速进入高速采样模式（1个周波64个采样点），相对于休眠模式，此状态下采样功耗增长了10倍，但由于故障发生的时段占比非常小，实际运行中，平均功耗增长并不多。
（三）基于国密算法数据安全策略的研究
（1）安全加密的实现方式
采集单元和汇集单元内置ESAM数据安全芯片，实现了数据加/解密、双向身份认证等功能。主站侧增加密钥管理系统和加/解密机，密钥管理系统负责对外提供密钥管理服务和Web服务，与密码机共同完成密钥全生命周期的管理，负责整个安全体系密钥的生成、传递、备份、应用和销毁等全生命周期的管理与维护；加/解密机实现了数据加/解密，负责产生和存储密钥索引和密钥数据，配合密钥管理服务器完成密钥全生命周期的管理。数据安全加密业务流程（以上行业务为例）如图7所示。
（2）加密算法的选择
本项目使用的是国家密码管理局指定的商用密码算法，其中，对称算法为SM1算法，非对称算法为SM2算法，数据压缩算法为SM3算法。SM1算法因其加密速度快的特点，主要用于数据的加解密；SM2算法主要用于数据的签名和鉴签，实现双向认证和会话密钥协商；SM3算法主要用于数据签名过程中的摘要计算。
三、结束语
相对于传统智能型故障指示器，本项目的研究成果主要体现以下几个方面：①大幅提高了接地故障判定准确率，现场试验表明，接地故障判定准确率在90％以上；②供电效果优化明显，当线路负荷低至5A时，装置的取电功率可达到40mW，可以满足全功能工作的电源需求；③低功耗模式降低了装置平均功耗，休眠状态下平均功耗低至20～30μW，延长了装置的使用寿命；④基于国密算法的数据安全加密方式，实现了从采集单元、汇集单元到主站的“端到端”数据安全加密。
参考文献
[1]国家电网公司．Q/GDW436—2010配电线路故障指示器技术规范[S]．北京：中国电力出版社，2010．
[2]郭谋发．配电网自动化技术[M]．北京：机械工业出版社，2012．
论文作者:高文俊
论文发表刊物:《电力设备》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/13
标签：故障论文; 线路论文; 装置论文; 电流论文; 密钥论文; 数据论文; 算法论文; 《电力设备》2017年第30期论文;