配電故障定位在線檢測系統(tǒng)

一、    概述

智能電網(wǎng)配電在線監(jiān)控系統(tǒng)采用了數(shù)字化的故障指示器和數(shù)字化的無線通訊技術(shù)，主要用于中高壓輸配電線路上，可檢測短路和接地故障并指示出來，可以監(jiān)測線路和變壓器（高壓側(cè)）運行情況，可以對兩路同桿架設(shè)的兩路電動開關(guān)進行遙控（合分閘）、遙信（采集開關(guān)位置）操作。該系統(tǒng)可以幫助電力運行人員實時了解線路上各監(jiān)測點的電流、電壓變化情況，在線路出現(xiàn)短路、接地、斷線、絕緣下降等故障或者異常情況下給出聲光或者短信通知報警，告知調(diào)度人員進行遠程操作以隔離故障和轉(zhuǎn)移供電，通知電力運行人員迅速趕赴現(xiàn)場進行處理。主站SCADA系統(tǒng)除了顯示線路故障電流途徑和位置，還能顯示線路負荷電流、系統(tǒng)電壓（電場）的變化情況并繪制曲線圖，用戶根據(jù)需要還可以增加其他監(jiān)測內(nèi)容，例如開關(guān)位置、變壓器溫度和環(huán)境濕度等。

二、    系統(tǒng)特點

1.     采用數(shù)字化的故障指示器技術(shù)，適用范圍廣，可靠性高，并且免維護；

2.     對于小電流接地系統(tǒng)，可以通過監(jiān)測架空線路的接地暫態(tài)電流，結(jié)合小電流接地選線裝置，可以大大提高接地故障檢測的準(zhǔn)確性；

3.     無線通訊終端采用太陽能電池板供電和后備大容量免維護鋰電池，確保隨時隨地都能保持數(shù)據(jù)通訊暢通無阻；

4.     主站SCADA系統(tǒng)可以實時對現(xiàn)場的數(shù)字化故障指示器和兩路電動開關(guān)進行“四遙”（遙控、遙信、遙測、遙調(diào)）和參數(shù)讀寫操作；

5.     顯示線路電流、電壓變化曲線；

6.     SOE記錄；

7.     采用短距離無線調(diào)頻通訊進行本地組網(wǎng)，然后再通過中國移動GPRS與主站通訊，維護方便；

8.     帶電裝卸，不用停電；

9.     主站軟件采用電力SCADA組態(tài)軟件，易學(xué)易用，功能強大；

10. 主站硬件采用工業(yè)控制計算機，運行可靠，防死機，運行壽命長。

三、    主要功能

1.     監(jiān)測線路短路、接地、過負荷、斷線、停電、盜割等，幫助電力運行人員迅速查找故障點，避免了事故進一步擴大；

2.     監(jiān)測線路負荷電流的變化情況，并在計算機上顯示電流變化曲線，對線路負荷情況進行分析，防患于未然；

3.     監(jiān)測線路電壓（電場）的變化情況，在計算機上顯示線路電壓變化曲線，對線路絕緣情況進行分析，防患于未然；

4.     可以根據(jù)客戶需求增加溫濕度等監(jiān)測內(nèi)容；

5.     在有電動開關(guān)的地方，可以增加遙控、遙信功能（還需增加一個PT或太陽能操作電源箱）；

6.     可以根據(jù)客戶需求打印操作票。

四、    系統(tǒng)組成

l       若干個線路監(jiān)測點、若干臺變電站接地選線裝置和1套主站系統(tǒng)。

l       每個線路監(jiān)測點的設(shè)備包括：3～32只數(shù)字化的故障指示器，1臺無線通訊終端（含太陽能電池板和后備鋰電池）。

l       主站系統(tǒng)包括：1臺工業(yè)計算機，1套主站軟件。

FCI：Digital FaultCurrent Indicator 數(shù)字化的故障指示器

DCU：DataCollecting Unit 數(shù)據(jù)采集器（內(nèi)置低功耗GPRSDTU），可選電動開關(guān)儲能和遙控功能

GPRS DTU：GPRS Data Terminal Uint GPRS通訊終端

EFU：Earth FaultLine Select Unit 接地選線裝置

五、    系統(tǒng)工作原理

數(shù)字化的故障指示器FCI主要安裝在變電站出線、重要分支線和重要電力設(shè)備處，每條線路裝1組（共3只），以實現(xiàn)這些點的遠程監(jiān)測和故障定位，同時在附近安裝1臺數(shù)據(jù)采集器DCU。FCI都帶有四字節(jié)通訊地址，用于DCU對FCI的識別；DCU也帶有一字節(jié)地址，用于DCU與主站（GPRS DTU）之間的地址識別。DCU與FCI采用短距離無線調(diào)頻通訊，DCU與主站之間采用GPRS公網(wǎng)通訊。

當(dāng)線路正常運行時，DCU向下采用POLLING規(guī)約輪詢每只數(shù)字化故障指示器（FCI），FCI按預(yù)設(shè)的通訊策略進行應(yīng)答，將實時采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到DCU。通訊策略的含義是：FCI采用低功耗電路和程序設(shè)計，設(shè)計壽命為10年以上，但無線通訊能量較大，不能*依靠內(nèi)部鋰電池供電，大部分能量要從高壓導(dǎo)線感應(yīng)取電。當(dāng)負荷電流大于20A時可以*取到通訊能量，在通訊時可以做到“有問必答”或者定時主動發(fā)送；當(dāng)負荷電流小于20A時，只能取到有限的電能，在通訊時會出現(xiàn)“兩問一答”、“十問一答”或者不定時主動發(fā)送的情況，其它時間FCI內(nèi)部無線通訊模塊都在休眠以減少電池損耗。值得一提的是，由于無線通訊劃分為64個獨立信道，對于主動發(fā)送不存在互相干擾而導(dǎo)致通訊不上的情況。

對于10kV中性點各種接地系統(tǒng)，當(dāng)線路出現(xiàn)短路故障時，FCI可以檢測到短路故障電流，如果符合特定的短路故障判據(jù)，則本地翻牌顯示，并按照預(yù)設(shè)的時間參數(shù)自動復(fù)歸，也可以通過主站遙控復(fù)歸。同時，在DCU輪詢到自己時將“及時應(yīng)答”或者立即主動發(fā)送動作信息，將動作信號等數(shù)據(jù)發(fā)送到DCU。

對于10kV小電流接地系統(tǒng)，當(dāng)線路出現(xiàn)接地故障時，FCI可以檢測到接地故障暫態(tài)電流，如果符合特定的接地故障判據(jù)，則本地翻牌顯示，并按照預(yù)設(shè)的時間參數(shù)自動復(fù)歸，也可以通過主站遙控復(fù)歸。同時，在DCU輪詢到FCI時將“及時應(yīng)答”或者立即主動發(fā)送動作信息，將動作信號等數(shù)據(jù)發(fā)送到DCU。

DCU在收到FCI的動作信息以后，將動作分支的FCI地址信息通過GPRS通訊方式發(fā)給配網(wǎng)主站SCADA或GIS系統(tǒng)，并進行報警顯示和自動短信通知。

l       短路故障檢測原理

對于短路故障，FCI提供兩種可選擇的故障判據(jù)：一種是電流突變法，一種是過流速斷定值法。

目前市面上絕大多數(shù)模擬電路的故障指示器主要是采用電流突變法，其判據(jù)為：

a)       線路穩(wěn)定時間：≥30S

b)       短路故障電流增量

c)       當(dāng)負荷電流IL小于等于200A時，ΔI≥100A

d)      當(dāng)負荷電流IL大于200A時，ΔI≥1/2*IL

e)       短路故障持續(xù)時間：≤10S

f)        短路故障結(jié)束電流：≤2A

該方法的優(yōu)點是自動跟蹤負荷電流大小，不用整定參數(shù)；其缺點一是在有些接地短路情況下，短路電流是逐漸增大的，指示器因無法檢測到電流突變而導(dǎo)致拒動；其缺點二是在有些接地短路情況下，非故障出線、非故障分支、故障點后面的線路如果帶有大型容性負載（例如高壓電容器）和感性負載（如大型電動機、水泵等），則會向故障點反饋送電，導(dǎo)致非故障線路誤動。
由于FCI的動作參數(shù)可以通過主站在線修改，因此在管理比較規(guī)范的電力公司，我們推薦過流速斷法。該方法與變電站微機保護裝置的故障檢測原理*，只要變電站出口跳閘，FCI也能檢測到并給出故障指示。為了防止合閘涌流，FCI采取了電壓閉鎖條件，只有檢測到線路停電（無流無壓）以后才會動作。其檢測原理如下：

參數(shù)說明：

Ik參數(shù)：當(dāng)前負荷電流采樣值

Iset參數(shù)：包含Iset1（速斷值）、Iset2（過流值）

Tset參數(shù)：包含Tset1（速斷延時）、Tset2（過流延時）

TfMAX參數(shù)：從變電站出口保護啟動到保護跳閘停電的zui大延時

Iaver參數(shù)：保護啟動前的平均負荷電流

Uk參數(shù)：當(dāng)前電場采樣值

Un參數(shù)：正常運行時的電場

l       接地故障檢測原理：

對于線路接地故障，目前比較常見的方法是首半波法和信號注入法。經(jīng)過兩、三年的實踐檢驗，首半波或者接地暫態(tài)法存在技術(shù)原理上的缺陷，經(jīng)常導(dǎo)致誤動。雖然信號源注入法相對穩(wěn)定，但由于設(shè)備費用高昂和安裝不便而推廣困難，對于負荷波動大的線路也經(jīng)常誤動，接地阻抗高較高和接地線接地不牢時時可能發(fā)不出信號。FCI主要采用接地暫態(tài)電流測量法，通過通訊網(wǎng)絡(luò)將各個監(jiān)測點的接地暫態(tài)電流、變電站接地選線裝置的接地報警和選線信息都匯總到主站，由主站進行智能和人工決策判斷。

接地故障暫態(tài)電流測量法判據(jù)為：

                                                     i.             線路穩(wěn)定時間：T0≥30S

                                                   ii.             接地暫態(tài)電流增量：ΔIzt≥ΔIset

                                                 iii.             電場下降比例：ΔUk%≥ΔUset%

                                                 iv.             電場下降持續(xù)時間：Tk≥Tset

                                                   v.             故障結(jié)束穩(wěn)態(tài)電流：≥2A

該方法的特點是能夠?qū)崟r監(jiān)測接地故障暫態(tài)電流變化，和變電站接地選線裝置，并根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和不同的安裝位置在線修改接地故障判據(jù)參數(shù)。

六、系統(tǒng)主設(shè)備介紹

（一）數(shù)字化的故障指示器

1、功能特點

l             從高壓導(dǎo)線小負荷電流開始取電；

l             檢測相間短路；

l             檢測小電阻、中電阻接地故障 ；

l             檢測小電流接地系統(tǒng)單相接地故障（與接地選線裝置、主站配合完成） ；

l             檢測斷相故障（與主站配合完成） ；

l             檢測線路停電（與主站配合完成） ；

l             監(jiān)測線路負荷（電流） ；

l             監(jiān)視線路絕緣水平（電場） ；

l             帶電裝卸 ；

l             本地顯示 ；

l             自動/遙控復(fù)歸，可遙控翻牌/復(fù)歸、指示燈點亮/熄滅 ；

l             無線中繼通信；

l             在線設(shè)置參數(shù)；

l             防死機和免維護設(shè)計 。

2、技術(shù)參數(shù)

l       電源：2.5Ah/3.6V一次性鋰電池*2；

l       取電功率：50uA-20mA/3.6V(一次負荷電流3A-600A)；

l       靜態(tài)平均功耗：25uA（FCI），20uA（短距離無線模塊） ；

l       通訊平均功耗：50uA（每分鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)時）；

l       電流精度：±1.5%（負荷電流大于10A時）或者±1A（負荷電流小于10A時）；

l       電壓線性度：優(yōu)于±95%；

l       通訊頻率（短距離無線）：433MHz（64個獨立信道自動跳頻）；

l       通信距離（RF）：100-1000m（空曠地帶）；

l       電壓等級：任意（出廠前確定）；

l       負荷電流：0～600A；

l       導(dǎo)線直徑：8～40mm；

l       短時耐受電流：40kA/4S；

l       故障復(fù)位時間：12h(6h，24h,48h)；

l       可動作次數(shù)：不小于3000次 ；

l       環(huán)境溫度：-35℃～85℃ ；

l       環(huán)境濕度：5～95%；

l       防護等級：IP65；

l       EMC等級：±8kV靜電放電 ；

l       重量：不大于500g ；

l       尺寸：不大于Ф75*150mm；

l       設(shè)計壽命：10年以上。

（二）數(shù)據(jù)采集器

主要用于輸配電線路故障定位與負荷監(jiān)測系統(tǒng)，也可用于變電站高壓開關(guān)柜無線測溫等應(yīng)用場合，通過短距離無線調(diào)頻、跳頻通訊方式實時采集附近安裝的1～30只數(shù)字化故障指示器的信息（系統(tǒng)電壓、負荷電流、接地暫態(tài)電流及其增量、溫濕度、短路故障動作狀態(tài)、接地故障動作狀態(tài)），然后將打包數(shù)據(jù)通過GPRS通訊方式發(fā)送到配網(wǎng)主站SCADA或者GIS系統(tǒng)進行分析和處理。同時，根據(jù)用戶需要，數(shù)據(jù)采集器可以連接1~2臺電動開關(guān)，主站系統(tǒng)可以通過GPRS對其進行遙控、遙信操作。

l       技術(shù)參數(shù)

（1）、 電源：18V/20~100W太陽能電池板組件

（2）、 電池：10~50Ah/3.6V可充電鋰電池

（3）、 整機平均功耗： ＜50mA

（4）、 短距離調(diào)頻發(fā)送功率：＜20mA（持續(xù)向指示器發(fā)送巡檢命令時）；

（5）、 GPRS發(fā)送功耗： ＜150mA（持續(xù)向主站發(fā)送實時數(shù)據(jù)時）

（6）、SMS短信平均功耗： ＜1mA（每天向主站發(fā)送一條短信時）

（7）、 遙測：電流精度為±1.5%（電流大于20A時）或者±1A（電流小于20A時）；電壓線性度優(yōu)于±95%

（8）、 遙控：4路繼電器空接點輸出，AC2kV光電隔離，帶0.1F/DC24V可控開關(guān)操作電源和7.2Ah/DC24V開關(guān)儲能電源；

（9）、 遙信：6路開關(guān)位置輔助接點輸入，AC2kV光電隔離，帶DC24V可控遙信電源；

（10）、 遙調(diào)：可在線設(shè)置1~30只數(shù)字化故障和數(shù)據(jù)采集器本身的參數(shù)

（11）、 通訊頻率（短距離無線）：433MHz（64個獨立調(diào)頻信道，自動跳頻），20~100k（雙向），100~1000米可調(diào)

（12）、 建議帶數(shù)字化故障指示器個數(shù)：1~30個

（13）、 重量：DCU0、DCU1＜5kg； DCU2＜10kg； DCU3＜20kg

（14）、 尺寸： DCU0、DCU1 ＜250mm×150mm×100mm（長×寬×高）； DCU2 ＜300mm×250mm×100mm； DCU3 ＜450mm×350mm×250mm；

（15）、 設(shè)計壽命：10年以上（可充電鋰電池為5年壽命）

（16）、 環(huán)境溫度：-35℃～85℃

（17）、 環(huán)境濕度：5～95%

（18）、 防護等級：IP65

（19）、 EMC等級：±8kV靜電放電

l       功能特點

（1）、 體積小，重量輕

（2）、 不停電裝卸

（3）、 太陽能取電，后備大容量鋰電池

（4）、 在線設(shè)置參數(shù)，可擴展遙控翻牌/復(fù)歸、指示燈點亮/熄滅、開關(guān)合、分閘（增加開關(guān)合分閘驅(qū)動電容和開關(guān)儲能電機后備電池） 等實用的配網(wǎng)自動化功能

（5）、 防死機和少維護設(shè)計

（6）、 對主站采用SMS短信（DCU0）、GPRS（DCU1、2、3）通訊方式和標(biāo)準(zhǔn)101通訊協(xié)議

（7）、 對指示器采用短距離無線調(diào)頻、調(diào)頻通訊方式和仿101協(xié)議POLLING規(guī)約

七、系統(tǒng)配置清單