配电线路故障定位装置关键技术的研究

张建军

摘要：智能型故障指示器在普通型就地显示的基础上，增加了数据远传功能。当线路发生故障时，装置可以及时确定故障区段、发出故障报警指示并上报主站，大大缩短了故障区段查找时间，为快速排除故障、恢复正常供电，提供了有力保障。目前市场上产品种类繁多，但良莠不齐，实际使用存在故障误报漏报、取电难及安全性差等问题。本文针对配电线路故障定位装置存在的问题，给出详细的解决方案。

关键词：故障定位;配电线路;接地故障;零序电流;感应取电

引言

国内对故障指示器的研究主要集中在故障判据、指示器取能、通信上，并且也取得一定的成果。国内市场上已经有许多较为成熟的产品。但是，对于故障指示器昀优配置数目和位置却鲜有人研究。国内配置故障指示器的做法一般是每隔一小段距离便安设一个，这样的做法不仅耗资巨大，且往往实际的效果提升并不明显。如何在经济性和缩短故障中断时间之间找到一个平衡点，就是本文所要研究的内容。

1配电线路故障定位装置简介

1.1应用场景

配电线路故障定位装置（以下简称定位装置）由采集单元、汇集单元和主站组成。采集单元负责线路电流的采集、短路故障的判定以及接地故障特征数据的采集;汇集单元负责把采集单元采集信息汇总传输给主站;主站进行数据分析和故障定位，并将故障信息及时下发。

1.2系统功能

当线路发生故障时，定位装置可以自动定位故障区间，将故障信息及时下发，帮助维修人员迅速赶赴现场，排除故障，实现配电线路故障定位的“遥信”功能;当线路正常运行时，定位装置对线路电流、相电场及温度进行实时在线监测及故障预警，提前发现并解除故障隐患，实现配电线路故障定位的“遥测”功能。

2配电网的主要特点

为了准确快速地定位配电网故障，必须对目标网络中的故障现象充分考虑并对配电网特点充分了解的前提下，通过对网络中故障的传播方式来描述故障对网络实体状态变化的影响。相较于高压电网，由于低压配电网节点众多和三相不完全平衡的原因，导致了10kV配电网在网络结构上要复杂得多，从而增加了网络故障定位的难度。我国低压配电网主要有以下特点。

）电网呈树状分部，其结构环网较少，网络的电压等级低，输电容量小，而且配电网络的支路和节点数目较大，整个配电网的分布特点增加了故障定位的难度。

）低压配电线路在很多情况下会发生三相参数不平衡甚至可能缺相的现象，而且三相电压电流、节点负荷经常存在不平衡的情况。

）由于配电网直接面向客户，不可能每个节点都装有测量计算仪器，很多支路的在线数据只能通过预测或估计得到，误差较大，给定位测距带来了困难。

3定位装置当前存在的问题

3.1取电功率无法维持全功能工作要求

采集单元安装在架空线路上，通过太阳能或 TA磁感应取电，同时配置超级电容和锂电池作为后备电源。由于太阳能取电受天气影响较大，TA磁感应取电方式更加可靠。目前传统厂家磁感应取电效率不高，厂家通常标称当线路负荷达到 15A开始取电，达到 30A可以满足全功能工作要求。但在 10kV配电线路末梢或夜晚时段，线路负荷较小，经常低至 15A以下，取电效率低导致电池使用频繁，严重降低了装置的使用寿命。提高 TA磁感应取电效率和降低设备的平均功耗对装置性能的提升意义重大。

3.2数据传输的安全性无法保证

根据国家发展和改革委员会发布的《电力监控系统安全防护规定》（2014年第 14号令）要求：生产控制大区的业务系统在与其终端的纵向联接中使用无线通信网、电力企业其他数据网（非电力调度数据网）或者外部公用数据网的虚拟专用网络方式（VPN）等进行通信的，应当设立安全接入区。本系统远程信道租用运营商公网GPRS，网络安全性差，需要加密传输;本地信道采用的微功率无线通信方式，存在被侦听、欺骗攻击等安全隐患，也有必要对其通信数据进行加密传输。目前配电自动化和用电信息采集系统已实现数据安全加密传输，但隶属于生产控制大区的配电线路故障定位系统，很少有厂家实现数据安全加密传输，实现通信系统的数据安全加密不容忽视。

4定位装置关键技术的研究

4.1基于零序电流合成的接地故障判定方法研究

相对于架空型，采用零序电流分析判断接地故障的电缆型故障定位装置故障定位准确率要高出很多。由于 10kV架空线路三相分开走线，架空型故障定位装置不能直接检测到零序电流，零序电流分析法无法直接采用，但可以参考配电自动化馈线终端 FTU的零序电流合成法。与馈线终端FTU采用有线传输不同，架空线路在线监测系统中汇集单元和采集单元通过微功率无线方式通信，网络延时和时钟同步准确度性能较低，高准确度三相时钟同步要求对零序电流合成带来了挑战。为此，定位装置增加故障录波功能并通过对故障录波数据同步来合成零序电流，作为接地故障的判据。

4.2故障定位模式

通常采用的配电网故障定位方式是通过安装故障指示器来实现的。配电网络故障定位的工作模式可以分为3类：就地显示的故障定位模式（没有故障信息的远传功能），通过就地显示功能减少人工巡线发现故障点的时间，这种模式不常使用;带有通信功能的“一遥”故障定位模式，是以故障指示器为基础，可以实现对故障点快速、准确定位的经济方案;带有遥测功能的“二遥”故障定位模式。这3种工作模式中，后2种模式均带通信系统，是目前主要应用模式，具有升级为“三遥”的潜力。

3基于国密算法数据安全策略的研究

3.1安全加密的实现方式

采集单元和汇集单元内置 ESAM数据安全芯片，实现了数据加/解密、双向身份认证等功能。主站侧增加密钥管理系统和加/解密机，密钥管理系统负责对外提供密钥管理服务和 Web服务，与密码机共同完成密钥全生命周期的管理，负责整个安全体系密钥的生成、传递、备份、应用和销毁等全生命周期的管理与维护;加/解密机实现了数据加/解密，负责产生和存储密钥索引和密钥数据，配合密钥管理服务器完成密钥全生命周期的管理。数据安全加密业务流程。

4.3.2加密算法的选择

本项目使用的是国家密码管理局指定的商用密码算法，其中，对称算法为 SM1算法，非对称算法为 SM2算法，数据压缩算法为 SM3算法。SM1算法因其加密速度快的特点，主要用于数据的加解密;SM2算法主要用于数据的签名和鉴签，实现双向认证和会话密钥协商;SM3算法主要用于数据签名过程中的摘要计算。

结语

本文设计了一种新型配电网数字故障指示器及定位系统，通过对各模块电路原理图、接线方式的分析，阐明了该系统在配电网智能化监控和管理中的作用。该系统具有功能全面、性价比高，主控屏监测系统操作方便、安全可靠，监测实时性高，使用和维护方便等特点，可提高配电网运行的安全可靠性。

参考文献

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