基于无线传感器网络的配电线路故障定位方案研究

王波　孙小湘　李鹏刚

摘 要： 提出一种中低压配电线路故障定位系统新方案。该方案采用无线传感器网络来进行配电线路的故障定位，然后通过低功耗无线路由装置将配电线路故障定位信息以无线级联的方式传输至公网信号地区，进而上传至主站系统中，对故障信息进行及时、高效、可靠地采集和传递。经仿真与试验测试，该设计效果良好，能满足无线传感器网络故障定位的快速性、准确性和可靠性的要求，同时能为中低压配电网故障定位系统的研究提供一定的技术支持。

关键词： 无线传感器网络； 配电线路； 故障定位； 信息采集； 低功耗无线路由

中图分类号： TN711?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）20?0136?03

Abstract： Based on the requirements of wireless sensor network and fault location system， a new scheme of fault location system for medium and low voltage distribution lines is proposed. In this scheme， a wireless sensor network is used to locate the fault of the distribution line， the fault information of the distribution line is transmitted to the public network signal area in a wireless cascade way through the low?power consumption wireless router， and is uploaded to the master station system for timely， efficient and reliable acquisition and transmission of the fault information. The simulation and test results indicate that the scheme can meet the requirements of fastness， accuracy and reliability of fault location transmission for the wireless sensor network， which can provide technical support for the research on fault location systems for other medium and low voltage distribution nets.

Keywords： wireless sensor network； distribution lines； fault location； information acquisition； low?power wireless routing

使用中性点非有效接地方式的中低压配电网，在发生单相接地故障时，只能发出有限强度的故障信号，不易被维修人员察觉并处理。而集信息采集、处理和高速传输于一身的无线传感器网络能够利用无线通信网络及时高效地采集、判断并传递故障位置信息，并可为中低压配电网的故障定位提供帮助。借助低功耗无线路由将配电线路故障信息传输至公网信号地区，进而上传至主站系统，能够避免故障信息传输在网络信号较差的地方发生问题。因此，研究相应的故障测距技术与传播方式具有重要的现实意义[1?4]。

1 无线传感器网络故障定位的原理和测试

结合无线传感器网络的自身特点，基于该传感器网络的故障定位系统应满足电力系统故障测距的需求，具体表现在定位的准确和快速性、同步和可靠性以及低功耗等方面[5]。本文就故障定位系统方案及快速性、准确性和可靠性展开了研究。

1.1 原理分析

将传感器分散安装在配电网线路上，可得到各无线传感器节点处的故障信息。配电网的馈线系统结构以及无线传感器的节点位置，如图1所示。本文重点对电力系统中的主要故障，即单相接地故障进行相应的检测定位分析，并基于无线传感器网络，针对小电流接地系统，在采用可变负荷检测方法的基础上，提出了一种利用故障相与正常相相邻节点的电流幅值差的比值来实现准确定位的故障定位方法。图2是单相接地故障发生时的电流分布示意图，虚线为C相节点1和2之间故障发生时的电流[6]。

节点j处故障未发生时，m相采样电流可用[i0mj]来表示。因此，各节点处故障电流的幅值可以表示為：

1.2 仿真分析和实验测试

利用PSCAD进行仿真分析与测试，网络模型如图3所示。仿真参数设置如下：R1（R0）=0.45（0.74） Ω/km，L1（L0）=0.93（4.13） mH/km，C1（C0）=0.07（0.05） μF/km；变压器ZT=0.57+j0.40 Ω，各线路长度L1～L5分别为20 km，0.2 km，30 km，50 km，50 km；Rg=0～5 kΩ，RL=6 Ω，L=1.35 H。仿真获得的k值结果见表1。

从表1结果可以获知，无论何种情况，k值变化均较小。值得注意的是，故障位置处相邻节点电流幅值差较小，其比值k仍较大。意味着利用式（1）～式（3），并令3

2 无线传感器网络故障定位的快速准确性分析

2.1 快速性仿真分析

快速切除故障的快速性主要表现为：线路一旦发生故障，节点必须立即进入工作状态；故障数据信息只能有不超过4 s的传输延迟（汇聚延时）。本文采用的无线级联装置，在故障发生后的较短时间内触发节点并使其快速进入工作状态。汇聚延时主要关注的是各节点数据到管理节点的平均和最大延时：包括各节点数据处理延时tp、等待延时tw、传输延时tt等。网络模型利用NS?2软件见图6，仿真结果见表2。可见该网络最大的汇聚延时也仅为3.34 ms，能满足故障定位系统的快速性要求。

2.2 准确性仿真分析

故障定位系统的准确性是本文最为重要的性能指标之一，而准确性与节点的配置间隔距离有关。用δ代表相对误差（应满足δ≤2%），l代表线路总长，r代表配置间隔，D代表各个节点传输的最大半径。因此，必须满足δ≤[rl]≤[Dl]。若采用MICA2传感器节点，D一般为0.5～1 km。实际工程应用中通常取r为0.05 km，计算得到l不能小于2.5 km，才能满足准确性的要求，而中低压配电网传输系统肯定能满足这一要求。因此，本文基于无线传感器网络的故障定位系统方案也能够满足准确性要求。

3 无线传感器网络故障定位的可靠性分析

故障定位系统的可靠性表现为：一旦系统发生故障，相关节点总能发现并传递故障信息；节点之间的数据信息总能被可靠传输并上传至控制中心[8?9]，这两点由行无线级联装置和多路径可靠信息路由机制来保证。本文利用NS?2软件构建仿真模型，并在边长100 m正方形范围内使用300个节点，采用相同拓扑结构多次进行仿真实验。首先，本文在信道差错率逐步提高的前提下，对多路径传输可靠性进行了分析，相关结果如图7所示。从图中可以看到，考察了40%和70%的期望传输可靠性，而实际可靠性均能够满足期望值，且并没有因信道差错率的提高而使可靠性降低。

其次，本文在信道差错率分别为20%和40%的前提下，对多路径传输期望与实际可靠性进行了比较分析。其相关结果可见图8，实际可靠性均能满足期望值。

结合上述两个方面可知，本文的多路径可靠信息路由协议完全能够满足可靠性要求，实际可靠性在各种信道差错率条件下均能达到期望值。

4 无线路由网络

通过设置在电线或是电线杆上的微功耗无线路由器组成接力无线网络，如图9所示。

GW（新开发并设置在变电所）通过无线GPRS或光纤网络将信息向后台主站系统发送。新开发的 GW设置在变电所屋内。无线路由器间的传送距离为1.5～2 km，故障指示器可以直接与之通信。故障指示器与无线通信器之间是以既有的短距离无线通信方式通信，无线通信器将最大9台故障指示器的信息收集到一起。

5 结 语

基于无线传感器网络和故障定位系统要求，本文设计并提出了一种中低压配电线路故障定位系统新方案。该方案采用无线传感器网络来进行配电线路的故障定位，通过低功耗无线路由装置将配电线路故障定位信息以无线级联的方式传输至公网信号地区，进而上传至主站系统中，对故障信息进行及时、高效、可靠地采集和传递。经仿真与试验测试，效果良好，能满足无线传感器网络故障定位的快速性、准确性和可靠性的要求，同时能为中低压配电网故障定位系统的研究提供一定的技术支持。

参考文献

[1] 李晓琦，林山，沈倩，等.智能配电网馈线自动化方案研究及应用[J].电工技术，2013（9）：16?17.

[2] 牛山草.基于IEC61850的行波故障定位关键技术的研究[D].昆明：昆明理工大学，2013.

[3] 林瑨.配电网单相接地故障定位技术的研究[D].武汉：华中科技大学，2013.

[4] 杜刚，刘迅，苏高峰.基于FTU和“S”信号注入法的配电网接地故障定位技术的研究[J].电力系统保护与控制，2010，38（12）：73?76.

[5] 葛耀中.新型继电保护和故障测距的原理与技术[M].2版.西安：西安交通大学出版社，2007.

[6] NORDMAN M. An architecture for wireless sensors in distributed management of electrical distribution systems [J]. Helsinki University of Technology， 2004（7）： 97?101.

[7] 王丹，王振锋，李志远，等.应用于变电站自动化系统的无线传感器网络技术[J].现代工业经济和信息化，2016，6（14）：91?92.

[8] LOU N W. An efficient N?to?1 multipath routing protocol in wireless sensor networks [C]// Proceedings of IEEE International Conference on Mobile Ad hoc and Sensor Systems Conference. Roma： IEEE， 2005： 111?120.

[9] HURNI P， BRAUN T. Energy?efficient multi?path routing in wireless sensor networks [C]// Proceedings of International Conference on Ad?Hoc，Mobile and Wireless Networks. Germany： Springer?Verlag， 2008： 11?20.