配电网线路接地故障定位装置研究与应用

蒲城公司采用数字化技术，将配电网上的故障报警数据、实时运行数据、离线数据、电网结构、设备参数等诸多信息进行综合处理和集成，研制应用了功能完整的故障定位系统。

（来源：微信公众号中国电力设备管理协会 ID：gh_f69f95f1b242）

1 课题背景

蒲城公司下辖10千伏线路95条，2017年因故障跳闸引起电网八级事件43起，平均0.45起/条，而故障查找事件平均时间136分钟，线路故障停电已严重影响到供电可靠性和供电服务能力。2018年渭南供电公司下达蒲城公司配网八级电网事件严格控制在14次之内，对配网生产管理要求更高，对此信通运检班结合小电流接电故障诊断需求，基于首半波接地选线原理，利用无线通信技术、数据采集技术、计算机技术，研制、应用了配电网接地故障定位装置。

2 创新点

装置在可靠性、可用性、先进性、可维护性等方面进行了创新：免维护。内部采用大容量长寿命一次性锂电池，配合CT取电，取电电流给超级电容充电，超级电容给RF无线通信模块供电；故障检测、负荷采集功能一体化。线路发生故障时，检测接地、短路故障类型，实现故障定位。在线路正常运行时，定时上送负荷、电压信息；带方向的接地故障检测。在采集线路电流和电容电流的基础上，采集相对地电压，增加了电压和方向的判据，杜绝励磁涌流造成的误动，大幅提高接地检测的正确率；双向无线通信。具有本地无线分频、跳频组网和远程GPRS“四遥”双向交互通讯的双重维护功能；集成多种技术的故障指示器。采用非常规技术手段来解决整机功耗、通讯能量、自取电源、故障检测、故障录波、在线监测、大电流冲击、高低温、防护等级、雷击浪涌、EMC、体积、重量等一系列问题。

3 课题实施

3.1 开发设计思路

将配电网上的故障报警数据、实时运行数据、离线数据等诸多信息进行综合处理和集成，构成功能完整的故障定位系统：实时监测线路正常运行的负荷电流、线路对地电压，对过负荷、过流进行报警，为安全供电提供决策依据；实现更准确的接地与短路实时检测并上报故障电流、电压、时间、地址信息，帮组运行人员快速查找到故障点，提高配调和抢修效率，提高供电可靠性；通过检测电流与相电压综合进行故障检测，接地检测采用首半波尖峰电流突变与方向判断，提高故障检测正确率。

3.2 小电流故障选线原理选择

零序电流法。基于线路自身的电容电流可能大于系统中其他线路电容电流之和这一特点，这种方法由于选线装置必须引入零序电压和零序电流回路，而基本上在66千伏以下电力系统设计时只安装了两相CT、没有零序回路，因此零序回路的接线问题很多，会出现零序回路不对应、回路未引入、零序不平衡电流过大、极性不对等现象。功率方向原理。采用检测零序电流功率方向来完成选线功能。这种方法从原理上就达不到100%的准确性，可能出现一条线路接地，判断多条线路或一条线路都判断不出来的现象。谐波方向原理。利用5次或7次谐波电流的大小和方向构成选择性接地保护。谐波分析一般采用单相接地后零序稳态信号的群体比幅比相法，比幅比相法理论上讲不存在死区，不受运行方式及接地电阻的影响，但对于CT不平衡导致的零序电流，这种方法不能有效解决。首半波原理。基于接地线路的相反的特点实现选择性保护。最终选择了本判断方式。

3.3 通信模式选择

为实现故障诊断的遥测、遥信功能，装置需具备远程通信功能，同时因故障指示器（FCI）一组3个，通常一条线路安装3~4组，不宜实现指示器与主站系统直接通信，故此设计了数据采集器（DCU),即在考虑数据上行的同时也应考虑数据采集通信网络的构建。对于上行数据通信通道考虑到运行成本，仍采用GPRS通信方式予以数据传输；在数据采集通信通道中采用短距离无线组网方式，通信距离300米以内，通道带宽40Kbps。

3.4 电源解决方案

因数据采集器（DCU）和故障指示器（FCI）分离，因此采取了不同的电源解决方案，其中数据采集器（DCU）安装太阳能电池板取电，由10-40AH/3.6V可充电锂电池储能；故障指示器（FCI）利用线路CT自取电，由4.8Ah/3.6V锂电池储能。

3.5 装置介绍

配电网线路故障接地装置由主站系统和若干个故障定位点/监测点组成，故障定位点/监测点主要由故障指示器（FCI）和数据采集器（DCU）组成。每个故障定位点/监测点由3~30只数字化的故障指示器、1台数据采集器（含太阳能电池板/开口CT取电装置、后备电池）组成。

3.5.1 主站系统

包括系统主机、无线通讯装置、主站软件等。系统上绘制有包含故障指示器图形的线路接线图，通过图形能够显示现场采集的数据信息，当有故障发生时可方便直观的在图形上查看故障信息。同时主站系统会主动记录并存储这些信息，形成历史数据库，方便以后的统计查询。主站系统除显示线路故障电流途径和位置，还能显示线路各个电流、线路对地电压、DCU电池电压、DCU充电电压的变化情况并绘制曲线图，用户根据需要还可增加其他监测内容，如开关位置、无线抄表、视频抓拍等。FCI的电池电压和充电电压可通过本地无线读取。主站软件包含功能：SCADA/FA功能。数据采集；数据处理（包括计算量的处理）；控制和调节；事件顺序记录（SOE）；报警处理；系统时钟和时钟同步；通道监视与统计；网络拓扑和动态着色；历史数据和报表系统；权限管理；故障信息实时检测和故障定位；故障指示器的动作信号纠错和补漏；无人值班短信通知；WEB发布。运行状况浏览；故障通知和故障信息浏览；运行数据和故障信息的历史查询。

3.5.2 数据采集器（DCU）

数据采集器安装在故障指示器附件，实现与故障指示器及主站系统的通讯。通过数据采集器将故障指示器采集的数据信息上报给主站系统。功能特点：体积小、重量轻；带电装卸；太阳能取电（架空）或开口CT取电（电缆），后备大容量锂电池，电池在失去电源后有效工作时间>24小时；在线设置参数；遥控翻牌/复归、指示灯点亮/熄灭、两路开关合/分闸遥控、开关位置/储能状态信息采集；防死机和少维护设计；对主站采用GPRS通讯方式和标准101通讯协议；对指示器采用本地无线调频组网通讯方式。

3.5.3 数字故障指示器（FCI）

故障指示器主要安装在变电站出线、开关负荷侧、架空分支线和主干线路分段处各装1组（共3只），以实现这些线路的在线监测、故障检测与定位。功能特点：微功耗和免维护设计；从高压导线小负荷电流开始取电；检测相间短路；检测小电阻、中电阻接地故障；检测小电流接地系统单相接地故障；检测断相、停电、三相不平衡；监测线路负荷电流、短路动作电流；监测线路接地电流、接地动作电流；监测线路对地电压；监测导线温度（可选）；带电装卸；本地翻牌、闪灯显示；定时/遥控复归；本地无线组网通讯，动作信号和故障电流主动上报；本地和远程在线调整参数；防死机和免维护设计。

4 取得效益

经济效益。该项目实施后，每次线路跳闸或接地后可大范围缩小事故点，减少人工巡线2个工日，每个工日200元，2×200=400元，减少车辆费用100元，共500元，按2014年全年128平路线路接地及跳闸58次计算，每年可节支29000元；改变了传统故障处理模式，减少故障处理时间，有效控制故障范围和时间。试点工程建设应用区域范围内平均停电时间由原来的20.84小时减少至6.85小时，年提高供电量31.3568万千瓦时，按平均电价0.5471元/千瓦时计算，可直接产生经济效益17.15万元。社会效益。该项目实施后，取得显著的经济效益外还有效的提高了供电可靠性，该项目获得渭南供电公司科技一等奖。

5 成果展望

配电网线路接地故障定位装置在国网蒲城县供电公司已全面应用，目前在蒲城县域电网中部署了19套相关装置，为蒲城电网线路设备运行提供了良好的基础。作为10千伏配网线路故障诊断的一种有益尝试，配电网接地故障定位装置在故障选线原理、通信通道、电源解决方案等方面进行了探索，为进一步改进故障指示装置提供了理论与实践基础，在故障诊断、定位领域持续不断的改进，是实现农网层面配电自动化的高可靠性、低成本重要补充，发展前景巨大。