配电网接地故障定位系统的优化设计实现

高海博

摘 要： 随着配电网规模的逐渐扩大，线路数量与分支逐渐增多，接线方式更加复杂，造成接地故障定位复杂，为了快速准确实现配电网接地故障定位，尽快恢复电网正常运行，设计并实现一种高精度配电网接地故障定位系统，该系统主要由处理模块、无线收发模块、海量存储模块、GPRS模块等构成，分析了所设计配电网接地故障定位系统的运行原理，通过Visual C++中API函数与数据库开发了配电网故障定位系统的三个功能层，给出后台软件控制流程，设计配电网接地故障定位系统软件，给出配电网接地故障定位系统中的部分C语言代码。实验结果表明，所设计配电网接地故障定位系统具有很强的实用性和可靠性。

关键词： 配电网； 接地故障； GPRS； 优化设计

中图分类号： TN710?34； TM77 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）06?0157?04

Optimization design and implementation of earth fault location system for

power distribution network

GAO Haibo

（Northeast Dianli University， Jilin 132012， China）

Abstract： With the gradual expanding of power distribution network scale， the number of power line and branches are increased gradually， and the wire connection mode becomes more complex， which make the earth fault location complex. To quickly locate the earth fault of the power grid and recover the normal operation， a high?precision earth fault location system for power distribution network was designed and realized， which is mainly composed of processing module， wireless transceiving module， mass storage module， GPRS module， etc. The operation principle of this system is analyzed. The three functional layers of this system were developed with database and API function in Visual C++. The software of this system was designed. The backstage software control process and part C language codes of this system are given. The experimental results show that the designed earth fault location system for power distribution network has strong practicability and reliability.

Keywords： power distribution network； GPRS； location； optimization design

0 引 言

近年来，随着配电网规模的逐渐扩大，电缆线路在供电网中的使用量越来越大，很多配电系统都选择消弧线圈并/串联电阻的派生接地形式运行[1?2]。在配电网发生故障的情况下，必须及时定位故障位置，并做出对应的措施[3]。因此，设计一种配电网接地故障定位系统具有重要意义，已经成为相关学者研究的重点课题，受到越来越广泛的关注[4?5]。

目前研究配电网接地故障定位的方法有很多，但均存在一定的弊端。其中，文献[6]设计了一种基于行波法的配电网接地故障定位系统，利用行波传输特性对配电网故障位置进行定位，但该系统存在易受过渡电阻与分支数量干扰的弊端。文献[7]设计了一种基于直流法的配电网接地故障定位系统，但该系统需登杆检测，检测过程较麻烦；文献[8]设计了一种基于故障指示器法的配电网接地故障定位系统，该系统对配电网短路故障的定位效果较好，但对小电流接地系统故障定位则容易出现误差；文献[9]设计了一种基于信号注入法的配电网接地故障定位系统，该系统需安装信号注入设备，成本相对较大，对瞬时故障的定位效果不佳；文献[10]提出一种基于零序电流比幅法的配电网接地故障定位系统，该系统受系统运行方式、过渡电阻等因素的影响，可能会造成定位精度低下。

为了解决上述问题，本文设计了一种配电网接地故障定位系统。分析了所设计配电网接地故障定位系统的运行原理；通过Visual C++中API（Application Programming Interface，应用程序编程接口）函数与数据库开发了配电网故障定位系统的三个功能层；给出后台软件控制流程，设计了配电网接地故障定位系统软件；给出配电网接地故障定位系统中的部分C语言代码。实验结果表明，所设计配电网接地故障定位系统具有很强的实用性和可靠性。

1 配电网接地故障定位系统设计原理

配电网接地故障定位系统结构如图1所示，其工作的基本思想如下：通过测量电磁场的传感器得到配电网故障电压和电流信息，经信号调理电路后，传入A/D转换器，将经模数转换后的信号传输给处理单元，处理单元将经处理后的信息和该节点的地址信息利用无线GPRS通信模块传输至故障自动定位系统主站，从而实现配电网接地故障的准确定位。分析图1可知，本文设计的配电网接地故障定位系统主要由处理模块、无线收发模块、海量存储模块、GPRS模块等构成。

图1 配电网接地故障定位系统结构图

新一代配电网接地故障定位系统，将MSP430系列单片机作为处理模块的核心，MSP430系列单片机为16位单片机，具有强大的处理能力。依据本文系统的设计要求，并且考虑到RAM空间要求、A/D精度要求等，本文选择MSP430F1610型单片机，完成对信号的处理后，将结果利用DMA保存至单片机的RAM中。海量存储模块主要负责保存故障后的数据，对配电网故障进行判断后，如果确定是故障，则将数据存储至海量存储器中，本文系统将FM25L256作为存储器扩展，FM25L256是RAMTRON公司生产的，其采用SPI总线控制，不仅操作简单，而且占用硬件资源少，适用于高可靠场合信息存储。无线收发模块主要负责小区域内系统模块间的通信，将数据处理结果传输给中心故障指示器，从而实现模糊运算。当发生故障时，无线模块被激活；当正常运行时，无线模块处于休眠状态；依据上述分析本文选择nRF905无线收发芯片。GPRS模块主要负责将故障信息传输给监控中心，在配电网出现故障时，单片机控制GPRS模块传输故障信息到监控中心，指出故障所处区段和故障类型，以便于维修人员及时做出相应的处理。

2 配电网接地故障定位过程的设计与实现

2.1 零序有功电流判据

配电网发生接地故障时各保护装置测得的零序基波电流的相量如图2所示。

图2 零序基波电压和电流相量

图2中：[U0]为零序基波电压；[I0L，NF]用于描述非故障路线路的零序电，相位超前[U0]90°；[I0L，F]为故障路径线路区段的零序电流，因为有功分量的影响，其相位超前[U0]超过90°。通过式（1）可获取不同段线路测得的零序电流中的有功分量：

[I0L，AC=I0cosθ] （1）

其中：[I0]用于描述[I0L，NF]或[I0L，F]的幅值；[θ]用于描述[I0L，NF]或[I0L，F]与[U0]的相位差。故障路径中零序电流的有功分量方向和规定的正方向相反，因此，式（1）的值为负值，引入一个合理的阈值[I0_set，AC]，从而判断配电网某线路是否为故障路径的线路。

2.2 配电网接地故障区段定位判据

假设变压器到负载的方向是正方向，将保护装置作为配电网的节点，对配电网的n条线路和首端保护装置进行编号。通过通信功能将零序电流信息依据式（2）描述的规则构建电网结构信息矩阵：

[Dij= 1， 线路j以节点i为起点 -1， 线路j以节点i为终点 0， 其他] （2）

式中：[i]用于描述节点的编号；[j]用于描述线路编号；[i，j∈1，2，…，n]，建立故障特征行向量：

[F=P1 P2 … Pn] （3）

式中：

[Pi= 1， I0_i，AC

再计算式（5）：

[Fl=F?Dij] （5）

获取行向量：

[Fl=F11F12…F1j…F1n] （6）

获取[F1j=1]，则[j]就是故障所处线路的编号。

3 配电网接地故障定位系统软件设计

3.1 软件开发系统模型

本文依据Visual C++中API 函数与数据库开发了配电网故障定位系统的三个功能层：综合应用层、数据管理层及数据采集层，详细结构如图3所示，后台软件控制流程图如图4所示。

图3 配电网故障定位系统软件结构图

图4 配电网故障定位系统软件控制流程图

数据采集层以GSM通信形式接入现场终端，其主要包括通信接入设备与通信协议解析软件等，主要负责对数据进行初步处理以及监测通信质量等。数据管理层主要包括数据库服务器、数据存储器以及数据库管理软件等，用于对数据的进一步存储和处理，构建配电网故障定位系统数据平台，在综合应用层开发了多个功能模块，以达到配电网故障定位系统的应用需求，使故障监控更加简洁。

3.2 代码设计

本文设计的配电网接地故障定位系统可在Matlab环境下进行仿真，部分C语言代码如下：

#include "iostream.h"

#include "string.h"

#include "fstream.h"

class po

{

public：

int x；

int y；

}

class img

{

public：

int width；

int high；

char get（int x，int y）；

void setat（int x，int y，char value）；

void create（int w，int h）；

void del（）；

}

void img：：setat（int x，int y，char value）

{

content[x*width+y]=value；

}

void img：：del（）

{

if（content==NULL） return；

delete [] content；

}

void img：：create（int w，int h）

{

content=new char[w*h]；

for（int i=0；i

for（int j=0；j

content[i*width+j]=′0′；

}

char img：：get（int x，int y）

{

if（x<0||x>=high||y<0||y>=width）

return ′0′；

else

return content[x*width+y]；

}

4 仿真实验分析

为了验证本文设计的配电网接地故障定位系统的有效性，需要进行相关的实验分析。本文将A相故障作为研究对象，在短路条件不同的情况下，将基于行波法的配电网接地故障定位系统作为对比，对两种系统的测距结果进行了分析，详细结果如表1所示。

表1 两种系统测距结果

从表1可以看出，在电阻和故障初相角相同的情况下，随着故障距离的增加，两种系统的测距结果与实际测距结果的差距均越来越大，但与基于行波法的配电网接地故障系统相比，本文系统的误差增加幅度明显较低，而且一直低于基于行波法的配电网接地故障系统，说明本文系统具有很高的定位精度。

为了进一步验证本文系统的实用性，分别采用本文系统和基于行波法的配电网接地故障系统进行7次实验，对两种系统所需时间进行对比，得到的结果如图5所示。

图5 两种系统所需时间比较结果

从图5可以看出，上述进行的7次实验中，采用本文系统所需的时间明显低于基于行波法的配电网接地故障系统；而且本文系统的时间曲线相对平稳，说明本文系统具有很高的稳定性，验证了本文系统的性能。

5 结 语

本文设计并实现了一种高精度配电网接地故障定位系统，该系统主要由处理模块、无线收发模块、海量存储模块、GPRS模块等构成，分析了所设计配电网接地故障定位系统的运行原理，通过Visual C++中API函数与数据库开发了配电网故障定位系统的三个功能层，给出后台软件控制流程，设计了配电网接地故障定位系统软件，给出配电网接地故障定位系统中的部分C语言代码。实验结果表明，所设计配电网接地故障定位系统具有很强的实用性和可靠性。

参考文献

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[10] 苑博，邱湘可.基于PSCAD/EMTDC的小电流接地系统单相接地故障的仿真研究[J].电子设计工程，2015，23（4）：36?39.