配电网架空及电缆线路故障自动化定位技术改造

国网江苏省电力有限公司镇江供电分公司 笪 涛 国网江苏省电力有限公司句容市供电分公司 刘小荷

1 引言

配电系统主要是由输电线路、电力网、一部分发电站接收电力，通过相关配电设施与电力用户形成互连，同时向用户分配电力的电力网络。根据配电线路布置方式可分为配电网架空线路和配电网电缆线路，配电系统的构成主要是变电站、高压配电线路、变压器、低压配电线路及保护自动化装置等。配电线路在布置结构上分为架空线和地下线，通常在大城市、观光区、人口多的居民区等用地下电缆配置。在一些偏僻的室外、山间、农村等地通常采用架空线的配置。

配电自动化主要基于电源电子、通讯、计算机等相关技术，实现配电自动化系统的实时监控、配电管理等。当前，一些用电单位对电力的供给的要求越来越高，如果出现突发性的失电，将直接给用电单位带来不同程度的影响[1]。因此，配电网的架空、电缆线路的故障自动化定位技术进行改造，对提高配电网的自动化管理水平和为广大用电单位提供优质可靠供的电能有着非常重要的意义。

2 配电自动化系统组成

目前，配电自动化技术广泛用于城市和农村地区的输电网络建设，配电网自动化主要以网络通信为载体。当前网络通信还是以光纤通信为主，实现电源终端高速、高效率、高可靠性的自动化功能[2]。配电自动化系统是集实时监视、协调控制和操作配电设备为一体的自动化系统，同时结合配电网数据收集和监视系统、配电地理信息系统和需求侧管理系统等构建成完整的配电管理系统。配电自动化系统主要由主站、远程终端、网络通信系统等构成，主站和终端以光纤环路网络（SDH/MSTP）、无线3G/SPRS 公网等方式实现通信。

2.1 主站

如图1所示，配电自动化主站系统基于三个子系统搭建而成。其中，主站具备配电网系统全面监控和实时管理的功能，实现了配电网信息的收集、处理、存储、综合分析与计算、决策等功能，除此之外还与地理信息系统GIS、MIS、调度等系统进行了信息相互共享。

图1 配电自动化主站系统

2.2 终端装置

2.2.1 配电网架空线路自动化终端装置

该装置的主要功能是实时对配电网10kV 架空线路相关元件的监控，例如段开关、主开关等元件。根据综合控制逻辑保护设计，可以将电源和电压时间设置为两种操作模式。

电源模式。在电源模式下主要架空线路三相电流和零序电流的实时采集，同时在该模式下，设置相关的保护功能用于配电网架空线路自动化终端装置，如过流保护、零序保护、自动闭锁等。

电压时间模式。电压时间模式下实现的功能如图2所示。

图2 电压时间模式下的功能

2.2.2 站所终端

站所终端主要功能是对远方实现开关设备的远程测量、远程数据收集、开关远方分、合闸，并且能够实现电源开关的故障辨别和隔离。

2.3 故障电流指示装置

如图3所示，常见的故障电流指示装置其原理是在电源为信号采集装置、故障检测电路以及输出电路提供持续电源后，电流、电压信号探头在使用信号采集装置对采集线路电流、电压信号进行综合辨别，若故障检测回路检测到电路的电流、电压信号达到其装置整定值时则触发其保护动作，最后将故障信号通过信号输出回路发送至故障提示器上，若故障提示器自动化主站相连接，将会将其故障报告直接传送至主站终端[3]。

图3 故障电流指示装置原理示意图

故障电流指示装置通信方式可分为以下4种：现场指示型（即没有远程传输功能的故障电流指示装置）、外置信号指示型、暂态特征型和暂态录波型。

2.3.1 现场指示型故障电流指示装置

现场指示型故障电流指示装置在检测到配电线路的故障异常电流后，通过红色闪光灯警报指示故障位置。线路电流再次恢复正常或一定时间恢复后，故障电流指示装置就能恢复正常工作。

2.3.2 外置信号型故障电流指示装置

如图4所示，外置信号型故障电流指示装置通常需要安装外置信号源（也称为不对称电流源）并配置在变电站母线或线路上[4]。在变电站母线和线路发生短路或者接地故障时，其线路的零序电压或者三相间相电压就会出现异常，外置信号型故障自动投入，同时连续发出多组工频电流信号并交织在接地或者短路故障线路上，以增大其故障电流值，这样有助于外置信号型故障电流指示装置作出判断和定位。

图4 外置信号型故障电流指示装置系统示意图

2.3.3 暂定特征型故障电流指示装置

暂定特征型故障电流指示装置由采集单元、集成单元、主站三大部分组成。采集单元采用微电流取电技术，即在线电流≥10A 时，可进行自取电，在失去备用电源时，可以在5s 内为设备正常供电。集成单元正常运行中通过太阳能电池板取电，备用电源主要采用可浮充锂电池，这样可以确保装置供电可靠。

暂定特征型故障电流指示装置通常用于为6～35kV 电压架空配电线路对短路、接地故障的实时检测。在线路发生短路或者接故障时，暂定特征型故障电流指示装置检测到故障信号其故障指示灯会发出声光故障告警，及时提醒运行监视人员。同时，巡检人员可通过故障指示灯迅速发现故障点，以便快速出力缩短停电时间确保供电的可靠性。其故障电流指示装置指示故障如图5所示。

图5 故障电流指示装置指示故障

2.3.4 暂态录波型故障电流指示装置

暂态录波型故障电流指示装置如图6所示，主要应用于配电网架空线路故障定位范畴，是集成了无线电波通信、线普通信、微电流取电、高频低耗采样等多种技术的配电自动化装置[5]。该装置解决了配电网架空线路的短路故障检测、单相接地定位等障碍，同时还具备线路负荷的实时监视功能，通过捕捉故障发生时刻的暂定波形信号，进行现场或主站单相接地故障。

图6 暂态录波型故障电流指示装置

2.3.5 故障电流指示装置的应用比较分析

综上所述，基于以上4种故障电流指示装置的工作原理各不相同其对比分析见表1。

表1 4种故障电流指示装置工作原理对比分析表

经过在地区配电网故障电流指示装置的应用差异性，其中4种故障电流指示装置应用效果也存在差异，如表2所示。

表2 4种故障电流指示装置应用效果对比

2.4 配网通信方式

2.4.1 工业用以太网通信

对于AON 网络采用该技术的优点是技术先进、性能可靠、网络迅速灵活、容量大、扩展方便等，适用于一些恶劣的环境应用，缺点是光纤材料的需求量和投入资金大。

2.4.2 无源光纤通信

对于PON 网络采用该技术，该技术的优点是投建费用低、带宽网络快、扩展性强、网络敏捷性以及与现有以太网完全兼容等优点。缺点是PON 网络采用的模式是星形搭接，根据自身的限制影响以太环形网络。因此，在建设初期，一般提前规划各节点的通信光功率。

2.4.3 公共无线网络的通信

目前，公共无线网络通信主要是SPRS、CDMA、3G 等。优点是可以减少光缆的成本。由于网络灵活，所以通常是无线网络覆盖的城市。缺点是由于仅限于简单的数据收集应用，所以还需要提高适用范围。

3 配电自动化层级结构及技术

根据配电系统的容量，可以将配电自动化系统分为大、中、小。选定时，可以参照对侧需求、目标、后期发展规模、经济性、扩张性、安全稳定性。

如图7所示，典型的配电自动化系统的优点在于系统的灵活性强，在建设初期可以构建中型系统，并且易于安装主站、子站和终端。如果配电系统需要扩增，则可以适当地增加主站系统的数量。可以基于一个主站用作中心站，并且根据不同的层级结构，系统可以扩增诸如第二层级和第三层级的层级，并且在第二层级以下需要的情况下还可以适当地扩展。

图7 典型的配电自动化系统层级结构

4 配电网故障自动定位技术改造方案

配电自动化障定位主要还是对自动化终端实现故障的精准、快速定位。在依托主站的集中式、就地式或者单独智能分布式等自动化终端，都必须采用通信网络系统才能实现配电自动化技术。为此，如果没有安全、可靠、高速的通信网络系，配电自动化技术也就不能实时进行迅速、精准地故障定位[6]。

故障自动定位技术主要基于检测到的线路电流和电压的变化来判断故障特征和类型。此外故障指示器正常运行期间，故障提示状态的持续时间长，达到数十小时。故障指示器还可以通过SPRS 无线通信向配电自动化主设备发送故障报告。

如图8所示，在系统c 点发生短路接地故障的情况下，此时流过c 点的短路电流由故障指示器检测，同时发送故障信息，基于电源与故障点c 之间的环路作为此系统故障点判别的依据。

图8 工作原理图

4.1 配电网架空线路实施方案

一是电缆采用联络电缆时，在联络电缆两侧的电缆头上安装故障电流指示装置。

二是线路被分段开关分段时，在分段开关负载侧设置故障电流指示装置。在线路上不存在区段，距离＞2500m 的情况下，选择适当的位置来设置故障电流指示装置，设置位置以区段为参考点，使得每间隔1～2.5km 可以安装一组故障电流指示装置。

三是对于一些相对重要的线路分支点：对于长度超过3.5km 的分支或负载较重的分支安装故障电流指示装置，可以实现分支线路的故障提示。

4.2 配电网电缆线路实施方案

一是关于整个电缆线路，将各区段作为一个单元设置故障电流指示装置，其安装位置配置在正常运行电缆线路的电源侧。

二是开关配电室内高压开关箱内的改造方案：在电缆线路的三岔头设置故障电流指示装置，正常运行期间通过开关箱的观察窗显示故障电流指示装置的警报信息。

三是长度超过400m 的电缆线路改造方案：在主干线、各支路的入线、出线侧安装故障电流指示装置，与电缆通信终端连接。

5 可靠性及效益

在对配电网的架空、电缆线路进行改造后，其运行状况得到实时监控，从而提高线路的安全和稳定性，同时也能有效防止因信息传输障碍而导致的盲目调节状态。此外，还可实现线路故障的自动诊断、隔离、自动恢复等。自配电网架空、线缆线路改造后，配电网紧急维修工作量大幅减少，相应响应速度大幅提高。经过初步计算，实施配电网络架空、线缆线路改造后，所在区域平均停电时间减少0.08h/户，供电可靠性能达到98%以上，为全面实现强大的智能电网打下了坚实的基础。

综上所述，通过智能电网的配电网架空、电缆线路故障自动化定位技术的改造，配电网的电力质量有所提高，故障停电时间大幅减少，为恢复节省时间，电脑软件、硬件产品的更新换代较快配电网的自动化管理和维护非常复杂，需要多个数字终端装置和通信网络的数据传输。因此，根据实际需求和运行方式的变化，为了满足需求，需要不断地进行改造。