摘要：配网自动化大大提高了供电可靠性和供电质量，缩短事故处理时间，减少停电范围，但目前配电终端（FTU/DTU/TTU）一般部署在开关或变压器位置，对长距离的配电线路得中间段缺少管控，在配电线路传输距离远、线路分支多、运行情况复杂，环境和气候条件比较恶劣时，外破、设备故障和雷电等自然灾害导致的线路短路、接地故障时常发生，而且故障时，故障区段（位置）难以确定，给检修工作带来较大的困难，尤其是偏远地区，查找起来更是费时费力。为解决上述问题，在运行线路上部署故障定位及监测系统就成为一种行之有效方法，通过系统对故障特征信息的监测、采集、计算、分析，实现对短路故障、接地故障、断线故障等故障快速准确检测并定位线路故障位置。
配网架空线路故障停电仍然是影响配网正常运行和居民正常用电的最主要原因。目前已经有多种办法来预防、减少配网线路故障停电，最先进的就是实现配网自动化。配网自动化是通过配电终端（FTU/DTU/TTU）在线路上不同位置的部署安装，通过主站系统对配电线路进行管控，但由于配电终端的安装位置造成部分情况复杂的配电线路，故障停电多发，并且故障时，难以确定故障位置，给抢修工作带来极大地困难。
为此，在运行线路上部署故障定位及监测系统就成为一种行之有效方法，通过系统对故障特征信息的监测、采集、计算、分析，实现对短路故障、接地故障、断线故障等故障快速准确检测并定位线路故障位置。
1 现有故障定位及检测方法
1.1 短路故障判定
故障指示器对短路的检测是通过电磁感应方法实时监测配网线路中的电流，根据线路中的电流突变特征、电流突变持续时间及线路是否停电来判断是否出现了短路故障并做出告警指示，已有方案一般采用以下手段：
1.1.1 过流法
预设一个远大于线路正常工作的电流的故障电流值，当线路某时刻电流大于该预设值时，即认为线路发生短路故障。图示如下（IL是负荷电流，Is是门坎电流）：
弊端及原因：由于不同线路、同一线路的不同位置、不同时刻的运行方式使得线路的正常工作电流波动较大，如果预设值较小，可能会导致误报警，如果过大，则可能导致检测不到故障。
1.1.2 电流突变法
基于电流发生突变持续一段时间后，电流变为零来判定是否发生了短路故障，图示如下：
弊端及原因：输配电线路分支非常之多，用户电器各种各样；不同分支线路尤其是在线路末端，故障时电流冲击幅度是比较小的，而在干线上冲击电流幅度却非常大。这样很容易引起误报警、漏报警。
1.1.3 微分法
电流突变量与突变时间的比值大于某固定预设值，大的电流变化率引起线路跳闸，同时线路电流变为零。
弊端及原因：线路的干线、分支线、线路末端电流变化率相差大。输电线不同地理位置、不同运行方式、气候条件可引起电流变化率相差大。跳闸断电检测不准确，容易引起误报警、漏报警。
1.2 接地故障判断
小电流接地系统主要包括中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经高阻接地三种接地方式，主要适用于66kV及以下电网，由于不同的接地方式在其发生接地故障时，其表现的故障特征是各不相同的，如果采用已有方案的单一故障判定方式难免会造成误判或漏判情况：
1.3 通讯组网
已有方案往往不具备安全通讯的特质，一般为非组网方式或通过GPRS公网组网。非组网方式由于其部署灵活、安装简单，目前使用最为广泛，但由于其无法实现集中管理，需要人工配合及无法实现实时监测目前正逐步退出使用；目前作为非组网方式的替代，通过GPRS公网组网的系统正逐步实施，但鉴于GPRS公网环境比较复杂、安全性较差，使得该种组网方式存在网络层安全隐患及应用层安全隐患。
可以看出现有故障定位及监测系统在故障判定方法、新技术应用、通信技术等方面的局限性往往存在故障检测不准确、装置离散分布集成化程度低、通讯安全差、维护成本高等缺点：
（1）机械式架空型线路故障指示器都是单独判断、单独显示报警，无法实现线路的实时监控，线路出现问题后必须配合人工巡线才能确定故障位置，巡线工作量非常大，而且故障排查困难和定位不迅速。
（2）通过公网（gprs）组网系统，不具备通讯安全的功能。GPRS公网环境比较复杂，安全性较差，存在网络层安全隐患及应用层安全隐患。
（3）简单单一的故障判定计算方法，线路故障通过“电流突变法”，接地故障采用“暂态量法”或“首半波法”，无法避免线路运行相似电气特征及覆盖各类故障特征，造成误报和漏报。
2 新系统解决的问题
通过分析可以看到已有方案对线路故障的判定是存在局限性的，接地故障更是由于其接地方式不同造成接地故障发生的机理及故障特征也是各不相同的，如采用已有方案则对架空线路的故障判定必然带来误报和漏报的情况。
2.1 解决故障误判、漏判问题
采用检测电流变比率法并结合线路跳闸停电来检测短路故障，变比率突变值按照故障指示器内置的曲线算法并根据负荷电流的大小自动动态整定，克服了“电流突变法”采用的电流突变值静态固定不变的缺陷。引入七次谐波加首半波法来检测接地故障，因为接地瞬间的突变量，不受线路存在的各高频干扰信号以及线路励磁涌流影响，易于可靠检测，因此采用这个方法克服了目前以暂态量大小为判据的接地故障检测方法的局限性，也克服了单纯使用首半波法的不准确性，抗干扰能力强，故障检测准确可靠。
2.2 解决通讯组网安全问题
架空型线路故障指示器本地通讯采用433M短距离微功率无线模块，实现与集中器子站的通信，通信采用ACK机制完善通信链路的可靠性；同时通过“两问一答”机制保证低功耗。解决了ZIGBEE、蓝牙模块的缺陷，在软硬件设计及结构设计上，整体考虑架空型线路故障指示器通信的特殊性（耗电少，通讯流量少，单机通信维护要求成本低），通过ESAM安全芯片解决了网络层安全隐患及应用层安全隐患。
2.3 解决安装维护困难问题
一般架空线路故障指示器通过卡扣安装到线路上，安装较便捷，但拆卸困难，带来系统维护复杂性。本发明故障指示器设计了可快速安装和拆卸的简单操作机构，采用先挂导线再关比开启式互感器进线口方式，且做到防雨、防潮，确保开启互感器接触面长时间不氧化和生锈。
3 配网架空线路故障定位及检测系统研究
3.1 系统组成
架空线路故障定位及监测系统利用现代通信技术和计算机技术，以故障指示器为故障触发源，当发生短路、接地、断路等故障时，其首先通过自身翻牌或发光来标识该点出现了故障，同时以蓝牙、ZigBee、小无线等形式将故障信息上报给通信终端（集中器子站），通信终端通过远程GPRS模块将信息转发给主站。主站通过上报信息中携带的标识信息，在后台GIS系统中标识出故障点位置，同时通过主站的短信猫将故障点位置等详细信息及时通知运维部门工作人员，从而可以减少巡线的工作量。
目前市场上产品种类繁多，但良莠不齐。部分产品故障判定种类单一，存在误判、误报、定位不准等问题。
本系统通过“变比率突变法”来判断短路故障，判断成功率达100%。单一通过首半波法或谐波法无法有效解决接地故障的误判，本产品通过将首半波法和谐波法相结合，综合了暂态零序电流和稳态零序电流的各自特性，解决了误判问题。
采用ESAM安全芯片，通过嵌入在故障指示器中的ESAM数据安全芯片,实现安全存储、数据加/解密、双向身份认证、线路加密传输等功能，解决了传输的安全性，有效的克服了GPRS公网环境通信安全性无法保障的难题。
通过主站的接入服务器（GIS、MIS服务器等）、数据服务器等相互协作实现故障的准确定位。
整套系统组成包括：架空故障指示器、架空故障指示器通信终端（以下简称集中器）、主站软硬件系统等。
这是一款安全智能架空线路故障定位及监测系统。系统包含架空型线路故障指示器、通信终端、主站三部分。架空线路故障指示器以小无线形式与通信终端进行数据交换，主站接收通信终端转发的报文来实现故障定位，同时还提供线路电流、线路温度采集功能，从“维护”和“预防”两个方面保障了配电网的运行安全。
3.2 研究依据及原理
3.2.1 短路故障检测原理
检测线路电流的变比率，当电流的变化率突变，即If/I0>R时，依据该突变的电流变比率判断线路短路故障，其中，If、I0分别是突变后和突变前的线路电流，R是预设的电流变比率。其中，预设的电流变比率R随线路负荷电流的大小自动变化，负荷电流越小，R越大；其中包括检测线路电压降低，当线路电压降低满足V<Vh时判定线路短路故障，其中Vh是电压下降值的预设阈值。图示如下：
本产品的故障检测参数R随线路负荷电流的大小自动变化，负荷电流越小，R越大；非常有效的避免了很多误报的缺陷，保障了短路故障的正确判断。
3.2.2 接地故障检测原理
采用了七次谐波加首半波的检测方式进行接地检测。因为在6-66kV中压供电系统中，单相接地故障发生率较高，且故障点的电流很小，使得接地故障选线很困难。由于系统故障信号非常微弱，且容易受到各种干扰的影响，使故障选线变得更为复杂。传统的单相接地故障选线之一是利用五次谐波电流法，当系统中存在谐波污染或高阻接地故障时，此法选线准确性比较差。而实际上除基波外，五次、七次谐波以基波值为基数所占的百分数分别为I05=2％～8％，I07=1％～5％，五次、七次谐波所占的比例几乎相同，受系统运行方式、负荷、谐波源等影响，七次谐波分量甚至可能大大高于五次谐波分量，同时，在有消弧线圈的系统中，对于五次谐波，感抗较基波时增大5倍，而容抗却减少为原来的1／5，这样电容电流将是消弧线圈电感电流的25倍，而对于七次谐波这一差值就是7×7=49倍，这一差值是五次谐波的两倍，由此说明采用七次谐波较采用五次谐波受消弧线圈的影响更小，选线可靠性也就更高。因此，在3-66kV中压电网的NUGS(中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经高阻接地)中，采用暂稳态结合的首半波、七次谐波综合选线方案更为有效。
首半波法故障选线是基于接地故障发生在相电压接近最大值，利用单相接地瞬间，发生故障线路的暂态零序电流第一个周波的首半波与非故障线路相反的特点进行选线。在谐振接地系统的接地过渡过程中，故障线路暂态零序电压与暂态零序电流首半波方向相反，非故障线路暂态零序电压与暂态零序电流首半波方向相同，而且首半波电容电流幅值比稳态电容电流大几倍到几十倍，并且对总线路长度短的电网，其暂态过程更加突出。因此，对于短线路，其稳态电容电流小，暂态电容电流大，灵敏度高，接地反应迅速。但是，如果当相电压值较小情况下发生单相接地时，则电容电流很小，容易引起方向判别的错误，故障线路零模电压与零模电流初始极性相反的持续时间非常短(2ms之内)，并且受电网结构和参数影响很大。基于以上的分析，暂态首半波选线和七次谐波选线存在着互补性，对于小电流接地系统中，经消弧线圈接地系统采用暂稳态结合的首半波、七次谐波综合选线方案。
在小电流接地系统中，特别是经消弧线圈接地系统中，由于消弧线圈的接入，使得故障选线难度增加，传统的单一选线方案很难正确选线，而采用暂态首半波选线方案和七次谐波选线方案相结合的综合选线方案，巧妙利用了故障的暂稳态特征量，减小了单一判据而导致的误判。而且这两种方案存在着互补性和相对独立性，因此，在6-66kV中压电网的小电流接地系统中，采用暂稳态结合的首半波、七次谐波综合选线方案是一个较为完善的方案。
3.2.3 电流测量原理
架空型线路故障指示器利用了CT（电流互感器）的原理来测量线路电流。当架空型线路故障指示器挂在导线上时，一次电流会流经架空型线路故障指示器的电流传感器，电流传感器产生CT二次信号，这个信号经过信号检测电路滤波、放大和采保，然后由低功耗单片机做A/D采样，最后计算出负荷电流、短路电流、首半波尖峰电流和接地动作电流值、稳态零序电流、暂态零序电流。电流传感器主要包括：电流线圈、导磁棒、立柱、动板。
3.2.4 自取电原理
电流互感器除了用于电流测量，还可用于在线取电。在电流线圈基础上再加取电线圈，就可以获得一定的取电电流。取电电流经过特殊的取电电路和MCU控制电路就可以为架空型线路故障指示器提供整机工作电源和无线通讯电源。自取电功能可以减少电池损耗，提高产品使用寿命。一般来说，负荷电流越大，取电电流越大，产品使用寿命越长。
3.2.5 电压测量原理
架空型线路故障指示器采用电容分压器来测量线路电压，电容分压器利用空间电容进行分压，将空气作为绝缘介质，将大地作为电容的一极，装置与大地之间的空间电容即是分压电容中的一个。其结构原理如下图所示：
如上图所示，电容C1是高压输电线与外壳之间的电容，其大小可以通过在输电线与外壳之间并联电容器来进行调整。电容C2即为均压罩外壳的空间对地电容，在均压罩对地高度到达一定值后，成为一个稳定值。由电容C1和C2构成了高低压电容臂，进行电容分压。输电线上的一次电压经过C1和C2分压后，在C1上取出二次电压。通过选取合适的电容C1的电容值，得到满足要求的电容分压比。
其结构原理如下图所示：
由上图可知，其二次侧电压U2与一次侧电压 U1之间的关系可用下式来表示：
上式中，K为电容分压比，要保证电容分压器有稳定的输出，必须保证分压比的稳定性，K值由电容C1和C2决定。
3.2.6 本地无线调频通信
架空型线路故障指示器本地通信采用无线调频通信机制。符合《信部无〔2005〕423号：微功率(短距离)无线电设备技术要求》>标准要求，使用频率为433MHz，发射频率小于10mW，占用带宽不大于400kHz。通信距离为100米，最大可达1000米。
线路发生故障时，指示器在0～3秒钟内主动通过无线跳频通信方式与集中器子站进行数据通信；若指示器未接收到集中器子站的确认帧，则会立即重发，最多重发3次。各指示器的地址编号不同。指示器采用极低功耗设计，大部分能量从高压导线感应取电。当负荷电流大于20A时采用“有问必答”或者定时主动方式；当负荷电流小于20A时，以“两问一答”方式，其它时间指示器内部无线通讯模块处在休眠状态从而减少电池损耗。
3.3 系统硬件
3.3.1 故障检测装置
故障检测装置采用单片机系统，通过通讯终端可以实现远程参数设置，包括计算方式、检测项目、预警阀值等，可根据不同的接地系统调整故障判定方法。鉴于野外安装的特点，该装置将采用一体成型方式封装。
3.3.2 通讯终端
架空线路故障指示器通信终端主要由单片机系统、GSM/GPRS模块、无线射频通信模块和太阳能供电装置构成。该装置安装于距通信故障指示器小于600米的电杆上,直接利用抱箍固定。作用是接收故障指示器发送过来的信号，并通过GSM/GPRS将信息发送到工作主站。
每台通信终端在600米范围内可以配套多组通信故障指示器。
产品选用的433M无线射频通信模块同时具有收发功能。它是由一个完全集成的频率调制器，一个带解调的接收器，一个晶体振荡器和一个调节器组成。
通信终端的功能特点有以下几点：
1)无线接收：接收无线发射探头发回的故障点号信息。
2)信息发送：向中心站发送故障信息，可采用短消息、GPRS及RS232等通信方式。
3)后备电源：配置太阳能电池板，用以给蓄电池充电。在失去主电源情况，后备电源无缝接入，保证终端正常工作。
4)防锈耐蚀：结构零件采用防锈防蚀材料。
3.2.3 主站
主站集GIS（地理信息系统）和MIS（管理信息系统）于一体，既可用来实时监测配电网络状态和故障，并自动确定故障位置，便于电路的维护和事故抢修，又可用来对配电网设施进行管理，便于设施信息的录入、查询和统计。
在故障发生时故障指示器将实时上传故障信息到主站，主站经过逻辑分析确定故障发生区段。主站电脑通过线路颜色的变化和故障区段闪烁直观显示故障所在区段，同时弹出对话框提示报警，并以短信息的形式发送故障信息到巡检员手机。
当发生故障时，主站软件显示如下图：
3.3 技术优点
安全智能架空线路故障定位及监测系统不仅可以解决故障检测不准确的问题，而且能够可以实现数据安全远传：
1)采用检测电流变比率法并结合线路跳闸停电来检测短路故障，变比率突变值按照故障指示器内置的曲线算法并根据负荷电流的大小自动动态整定，克服了“电流突变法”采用的电流突变值静态固定不变的缺陷。
2)采用七次谐波加首半波法来检测接地故障，因为接地瞬间的突变量，不受线路存在的各高频干扰信号以及线路励磁涌流影响，易于可靠检测，因此采用这个方法克服了目前以暂态量大小为判据的接地故障检测方法的局限性，也克服了单纯使用首半波法的不准确性，抗干扰能力强，故障检测准确可靠。
3)采用ESAM安全芯片，通过嵌入在故障指示器中的ESAM数据安全芯片,实现安全存储、数据加/解密、双向身份认证、线路加密传输等功能，解决了传输的安全性，有效的克服了GPRS公网环境通信安全性无法保障的难题。
4)通过主站的接入服务器（GIS、MIS服务器）、数据服务器等相互协作实现故障的准确定位。
3.4 功能优点
1)接地故障无源判定：故障指示器内置电压互感器，接地故障判定无需加装信号发生器。而传统的有源方式需要在变电站部署信号源，不但需要挂网运行，同时也加大接地电流和跨步电压，更容易引起弧光、火灾和人身安全。
2)自动预警：发现架空线路故障自动报警，提示工作人员具体位置状况信息，以便马上排除故障及给出工作报告。系统能根据工作人员需要和现场运行经验进行灵活设置保障监控、报警的准确性，确保故障时动作迅速、非故障时误报率低，并具有短信告警功能。
3)采样精度：互感器开口错位斜面接触方式，增大了接触面积，提高了取电效率和采样精度。
安装方式：本项目故障指示器设计了可快速安装和拆卸的简单操作机构，采用先挂导线再关比开启式互感器进线口方式，且做到防雨、防潮，确保开启互感器接触面长时间不氧化和生锈。
4 系统关键点
4.1 减少误判的测量和分析技术
智能故障指示器突破了第一代和第二代故障指示器在故障检测方面的局限性。在短路故障检测方面，将微机保护原理引入故障指示器的设计技术中，采用检测电流变比率法并结合线路跳闸停电来检测短路故障，这个变比率突变值按照故障指示器内置的曲线算法并根据负荷电流的大小自动动态整定，克服了“电流突变法”采用的电流突变值静态固定不变的缺陷，因此不受线路结构、运行管理方式、地理环境、甚至运行时刻的影响，从根本上克服了目前基于过流法或“电流突变法”设计原理的故障指示器存在的误报警或漏报警的缺陷，因此短路故障检测准确可靠。
智能故障指示器对线路跳闸停电的判断依据也做了彻底的改进，将线路电压为零作为跳闸停电的主要依据，因为线路电压为零是线路跳闸停电的充分必要条件，这是另一个重要发明。
在中性点非接地系统单相接地故障检测方面，智能故障指示器采用了七次谐波加首半波法来检测接地故障，因为接地瞬间的突变量，不受线路存在的各高频干扰信号以及线路励磁涌流影响，易于可靠检测，因此采用这个方法克服了目前以暂态量大小为判据的接地故障检测方法的局限性，也克服了单纯使用首半波法的不准确性，抗干扰能力强，故障检测准确可靠。
4.2 灵活方便的安装和拆卸机构
一般架空线路故障指示器通过卡扣安装到线路上，安装较便捷，但拆卸困难，带来系统维护复杂性。本项目故障指示器设计了可快速安装和拆卸的简单操作机构，采用先挂导线再关比开启式互感器进线口方式，且做到防雨、防潮，确保开启互感器接触面长时间不氧化和生锈。
5 结语
架空线路故障定位及检测系统具有检测项目全面、定位准确及时的特点，因此在为线路运行提供了有效保障，提高了供电可靠性、自动化、信息化水平；同时极大的减轻了供电运维部门工作人员的劳动强度，提高工作效率。
参考文献：
[1]李智敏,姜卫明,刘祖喜.农网配电线路故障定位和隔离系统的研究与应用[J].中国新技术新产品,2013(3):145-146.
[2]潘嘉琪,张杰明,陈益哲.线路故障监测定位系统的研制及工程应用[J].电工技术：理论与实践,2015(4):152-152.
作者简介：
李茂林（1986.01.05），性别：男，学历：山东科技大学工学学士，民族：汉，籍贯：山东济南 职称：中级工程师 单位：国网山东省电力公司济南市历城区供电公司，研究方向：配电线路。
马伟伟（1987.04.08），性别：男，学历：东华理工大学工学学士，民族：汉，籍贯：山东滕州 职称：中级工程师 单位：国网山东省电力公司济南市历城区供电公司，研究方向：配电线路。
论文作者:李茂林,马伟伟
论文发表刊物:《电力设备》2017年第18期
论文发表时间:2017/10/30
标签：故障论文; 电流论文; 线路论文; 指示器论文; 谐波论文; 突变论文; 电容论文; 《电力设备》2017年第18期论文;