输电线路运行故障分析与在线检测

姚昌模，张占龙

（1.重庆大学电气工程学院，重庆400030;2.重庆电力高等专科学校，重庆 400053）

输电线路运行故障分析与在线检测

姚昌模1，2，张占龙1

（1.重庆大学电气工程学院，重庆400030;2.重庆电力高等专科学校，重庆 400053）

通过分析线路运行故障的机理，设计以PIC18F4420单片机为核心的输电线路在线检测终端系统，从而实现对线路单相接地和相间短路等故障的在线检测。

故障;在线检测;GSM

0 前言

当前我国的电网建设正取得快速发展，电网容量、电网潮流越来越大，电力设备越来越多，国民经济对电力的依赖性也越来越强，对供电可靠性的要求也越来越高。在城市配电网中多采用中性点不接地的运行方式。线路故障，尤其是单相接地故障的快速准确定位对于提高供电可靠性、减少停电时间、减少人工故障巡线时间具有重要意义，这就要求研制出可靠的、智能的线路在线检测系统。

本文通过分析线路运行故障的机理，设计了以PIC18F4420单片机为核心的输电线路在线检测终端系统，其主要功能是可以实现对线路单相接地和相间短路等故障的在线检测，且系统可安装在输配电线路上，是一套具有远程传输能力的可分步监控、集中管理、即时通知型的智能化在线检测系统。

1 线路运行故障分析

1.1 单相接地故障分析

中性点不接地系统在正常运行时，各相对地分布电容相同，三相对地电容电流对称，且其和为零，各相对地分布电压为相电压。如图1所示，图中为k点发生单相完全接地故障的情况。由此可分析得出:中性点不接地系统发生单相完全接地故障时，线电压不变，而非故障相对地电压升高为原来的倍;单相接地后，单相接地电流等于正常时单相对地电容电流的3倍。

当然，线路发生单相接地故障时，根据不同的接地条件（例如金属性接地、高阻接地等），会出现多种复杂的暂态现象，包括出现线路对地的分布电容放电电流，接地线路对地电压下降，接地线路出现5，7次等高次谐波增大现象，以及该线路零序电流增大。综合以上情况，本系统在线路发生单相接地故障时判据如下:

1）线路中有突然增大的暂态电容电流;

2）接地线路电压降低3kV以上;

3）接地线路依然处于供电状态。

以上三个条件同时满足时，检测终端判断该位置的线路后，出现单相接地故障。

图1 中性点不接地系统的A相接地及其对应的相量图

1.2 相间短路故障分析

长期以来，电力系统研究人员提出了多种易于在计算机上实现的故障点定位算法，主要是针对单相接地故障的，而对相间短路故障点定位方法的研究还不够，虽然相间短路故障的机率远小于单相接地故障，但进一步完善其故障点定位方法仍然有其必要性。

图2 输电线路的相间短路

相间短路故障如图2所示，由此可分析得出:配电线路发生相间短路时，相当于两个电源直接短接，变电站和故障点直接的回路上会流过很大的电流，同时变电所的继电保护装置会按照实现设定的规则启动保护，使得线路跳闸断电。因此，短路故障判据有3个条件:

1）线路中出现突变电流;

2）大电流持续时间不超过3秒，电流突变时间△T在0.02～3秒之间;

3）3秒后线路处于停电状态，线路故障后电流I=0。

以上三个条件同时满足，检测终端判断该位置的线路后出现相间短路故障。

对由舞动等原因造成相间短路的故障，本系统拟采用相电流检测方法。对各相的电流进行检测，当任意两相线路中出现突变电流，由于电网对线路都有方向性电流保护，大电流持续时间不超过3秒钟时保护就会启动，然后线路处于停电状态。因此，可针对短路特征进行对相电流检测，根据各时段的特征综合分析，即可判断检测相间短路。

2 在线检测系统硬件设计

对于检测系统硬件设计是以单片机为核心，实现线路的在线检测并上传及节点间数据通讯，保证系统检测的可靠性、准确性、实时性。整个系统有电源部分、通信接口电路、中央处理电路、电压采样电路、电流采集电路等部分组成，如图3所示。

图3 在线检测系统硬件设计框图

3 在线检测系统软件设计

3.1 单片机部分软件设计

单片机的软件开发包括代码生产工具和代码调试工具。代码生成工具对用户开发的高级语言或汇编语言源代码进行编译，生产可以在目标上运行的可执行代码。代码调试工具根据调试者的命令观察状态，控制代码的执行，进行结果显示，对用户的代码进行调试或性能测试。

针对电力系统的要求，并结合检测系统的实际连接，在此主要完成了系统主程序以及实现数据采集和处理功能的子程序设计。主程序主要协调系统各部分的运行，在系统加电启动后，首先进行程序加载和系统初始化，然后进行检测点的数据采集，并完成相应的分析、处理。系统各部分功能由子程序来完成。PIC18F4420单片机的主程序框图如图4所示。

图4 单片机的主程序框图

3.2 上位机部分软件设计

根据对用户需求的分析及我们所确定的设计原则，线路运行在线监测系统实际上应该是一个基于Windows的应用平台。该平台需承担原始数据导入，在线诊断，查询、修改和存储诊断结果等诸多功能。这些功能具体就涉及人机界面、数据库管理、数值计算与分析等多方面的工作。

因此，在整个上位机部分软件设计中，运用移动通信网络传输线路的当前运行状态，GSM模块接收消息，通过电脑串口来读取短信，编制短消息的解码程序，并对短消息进行分类处理。整个系统软件部分还需要根据实际情况对线路的状态进行编码。而解码程序不仅包括对移动网络传输消息协议的解码，还需要对线路的状态进行解码。

4 试验调试研究

本试验以线路发生A相完全接地故障为例。图5为实验中检测终端采集电压、电流数据。经分析发现，故障发生前，线路正常工作，线路电压、电流稳定;故障发生后，A相电压降为0，电容电流降为0，其余两相的对地电压升高约为倍相电压，对地电容电流也相应地增大为倍，依据系统设定的判定原则，因而可以确定线路发生A相完全接地故障，将故障信息通过GSM发送到后台系统。后台系统软件报警，弹出报警窗口，如图6所示，显示线路概况、掉电类型及负责人信息，并提示是否向负责人发送故障信息。试验中，实验人员手机能够接收故障短信。在不同故障的情况下，系统报警正确，证明了设备的可靠性。

图5 模拟A相完全接地时线路电压、电容电流

图6 系统软件线路报警窗口

5 结束语

对于单相接地和相间短路故障的故障点难以快速准确定位的状况，本文主要通过对输电线路上电压、电流信号的采集分析，设计了一套线路在线智能监测系统，可安装在输配电线路上，用于在线监测线路运行及故障情况，是一套具有远程传输能力的可分步监控、集中管理、即时通知型的智能化管理系统。该系统具有较强实时性，能采集到电力线路的电压参数，并能接受远程终端的控制，无需人工照料看管，并且遇到异常的情况能及时的报警。为网络优化人员的工作提供了非常准确的网络信息和较方便的操作。

［1］ 曹建平，倪瑛.配电变压器检测终端现状及发展［J］.电气应用，2005，（1）.

［2］ 王慧，范玉林，桑在中.S注入法与选线定位［J］.电力自动化设备，1999，（3）.

［3］ 张占龙，李冰，杨霁，等.微波感应式电力线防盗在线监测系统［J］.电力系统自动化，2006，（22）.

［4］ 王伟.基于GSM短信的信息管理系统开发［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2006.

［5］ 陈雷，丁晓明.GSM短消息系统在远程数据采集中的应用［J］.中国数据通信，2003，（3）.

The Analysis and Monitoring of Fault on Working Line

YAO Chang-mo1，2，ZHANG Zan-long1
（Chongqing University，Chongqing 400030;Chongqing Electric Power College，Chongqing 400053）

This paper analyzed the mechanism of fault on working line，designed the monitoring system of fault on working line and take the PIC18F4420 microcontroller as the core，achieve the monitoring system of fault on singlephase grounding and phase-to-phase short cut.

fault;monitoring on working line;GSM

TM713

A

1008-8032（2011）01-0085-03

2011-01-10

姚昌模（1980－），讲师，研究方向:电气工程。