配电线路故障指示器检测系统的研发

庄黎明 谢海宁 陆 建 尹建坤

（1、国网上海电力公司电力科学研究院，上海200437 2、科大智能电气技术有限公司，安徽 合肥230088）

配电网线路与电力用户直接相连，因此配电线路的分支比较多，一旦某个分支配电线路发生故障，对判断故障线路需要大量的时间，对配电线路故障来说多有不便，因此配电线路故障指示器检测系统应用而生，该系统是实现配电网自动化的重要组成部分，只有实现智能化判断配电线路的故障区段，才能提高配电线路检修人员的工作效率、保障配电线路安全运行。

1 配电线路故障指示器

1.1 功能

配电线路故障指示器具有远传报警指示、故障报警复位、防止负荷波动误报警、带电装卸、重合闸识别等功能，提高了配电线路故障判断的效率，降低了故障误判的几率，有效保障了配电线路的安全运行。

1.2 特点

配电线路故障指示器具有识别故障能力强、稳定性高、准确性高、实时性高以及故障报警方式多等特点。当故障发生之后系统会自动接到故障报警信息，如果故障位置比较偏僻，仍然可以从其他渠道上报故障信息，配电线路的安全性大大增加。

1.3 检测方法

配电线路故障指示器自身的质量对保障整个配电线路安全运行具有重要作用，因此故障指示器不能出现任何问题，否则影响配电线路的故障监测效率对整个配电线路都会造成极大影响。常用的两种检测方法为模拟实验法，在配电线路现场进行模拟或者在实验室内进行模拟皆可。

1.4 意义

配电线路故障指示器能够准确及时地发现故障并上报，对配电线路的运行来说可以起到安全保障作用，当故障发生之后可以在短时间内进行修复。电网用户受到的影响比较小，电力公司也不会受到太大的经济损失。

2 配电线路故障指示器检测系统总体方案设计

2.1 故障指示器系统总体方案

配电线路故障指示器检测系统可以分为三个部分，其中最为关键是综合检测装置，其次是电压电流输出单元和上位机信息处理装置，综合检测装置主要负责对故障配电线路的区段准确判断，电压电流输出电源负责接收配电线路的数据，而上位机信息处理装置则负责与综合检测装置进行信息交互。

2.2 综合测控装置

故障指示器综合测控装置在整个系统中占据主要地位，该装置需要具备多种渠道通信的能力，还需要保持具备极高的运算速度，否则无法与上位机及时进行信息交互。

2.3 故障指示器检测系统硬件

2.3.1 升压升流装置。升压升流装置主要分为四种，其中单相升压装置的型号为HSNY-10kVA、原理图如图1 所示；三相升压装置的型号为HSXNY- Ⅲ；单相升流装置的型号为HSXSLQ-3000A、原理图如图2 所示；三相升流装置的型号为HSXSLQ-H-3000A。

图2 单相升流装置

2.3.2 任意波形放大装置。任意波形放大装置可以分别对输入信号进行前置放大和功率放大，然后通过反馈信号进行调节即可，本文选用HEA-1000 型功率放大器。2.3.3 可编程逻辑控制器和触摸屏。可编程逻辑控制器和触摸屏应该同时选择，防止编程指令和接口出现误差。本文选择的可编程逻辑控制器的型号为永宏FBs、触摸屏的型号为MT4000。2.3.4 交流量输入输出单元。本文交流量输入输出单元设备的型号为USB-6341，该设备的16 位分辨率精度达到±10V，而16 路采样率更是达到了500kS/s,因此该设备完全可以做到精确定位配电线路故障区段。2.3.5 其他硬件。本文还采用了负载电阻箱、散热风机等硬件设备。其中负载电阻箱选择的过程中需要与功率放大器配合使用，因此该设备型号为RTU-5-5。而散热风机主要对内部进行散热，因此风机设备信号选择AC220V 即可。

2.4 故障指示器测试

配电线路故障指示器分别对短路故障和接地故障两种情况下的故障上报和功能复位进行测试，测试结果表明短路故障和接地故障时均可以发出故障报警并实现自动复位。而带电装卸过程中并没有发出故障报警，可见故障指示器的带电装卸功能完好。

3 配电线路故障指示器检测系统综合检测装置设计

3.1 核心控制单元可编程逻辑控制器

3.1.1 硬件连接。可编程控制器需要与接触屏、三相电压和电流输出装置、单相电压与电流输出装置、上位机等硬件设备进行连接，但是选择的可编程控制器接口（port）数量不足，因此本文选择加入一个通信扩展板设备作为辅助硬件连接设备。

3.1.2 可编程逻辑控制器软件。可编程控制其软件需要与上位机完成信息交互同时执行其命令、与升压升流装置进行信息交互并且控制该设备、与触摸屏进行实时通信、解析通信控制指令。为了方便后续对软件的功能进行增改，本文采用模块设计方法将整个软件拆分成控制模块和执行模块。按照软件控制流程进行细分可以将其分成初始模块、单项检测模块、三相检测模块以及上位机模块。其中上位机模块的通信、单相检测模块的短路故障检测、可编程逻辑控制器软件的控制指令和定时查询分别按照各自的流程工作。

3.2 交流量输入输出单元

配电线路故障指示器检测系统交流量输入输出单元需要选用微型电压传感器、闭环霍尔电流传感器、直流电压转换器等设备。

3.3 触摸屏界面

配电线路故障指示器检测系统触摸屏界面需要包含故障指示器检测、配电自动化演示以及参数设置三大模块，故障指示器检测模块中会需要包含升流、升压设备操作、短路试验、带电装卸试验、重合闸识别、防误动等模块，参数设置模块包括电流突变倍数、正常负荷电流值、初始电压值、正常负荷持续时间、故障电流持续时间等参数。

4 配电线路故障指示器检测系统检测软件设计

4.1 总体设计

4.1.1 设计原则。配电线路故障指示器检测系统必须遵循实用、可靠、可扩展、先进、易操作等设计原则，保证系统操作人员经过简单培训之后即可直接通过自动检测系统完成对配电线路故障的查找和判断。4.1.2 开发工具。配电线路故障指示器检测系统的研发设计开发工具选择LabVIEW（G 语言），该工具的优势可以模拟虚拟的仿真开发环境，使用图形替代代码。4.1.3总体设计。配电线路故障指示器检测系统需要包含升流、升压设备操作、短路试验、带电装卸试验、重合闸识别、防误动等功能模块，总体设计开发时可以采用V 模型区分设计重点，检测系统软件结构分为用户层、控制层和通信层。

4.2 模块设计

4.2.1 串行通信模块。串行通信模块通过发送帧经VISA 写入串口对收到的帧是否完整进行判断，其VISI 写入和读取的图标和端口定义不同，写入开始之后经过程序确认写入信息，然后从进去缓冲区循环，最后解码接收到的数据帧之后退出循环。4.2.2 数据库。数据库选用上位机操作系统中的ini 文件，数据写入过程中根据文件是否同名判断具体为几次存储，写入与保存数据采用FOR 循环待写入或保存完毕后关闭ini 文件即可。4.2.3 录波模块。录波模块首先需要生成录波文件，然后验证文件真实性之后写入TDMS 文件，再按照TDMS 属性将获得的录波数据写入节点，最后清空缓存结束任务即可。但是采集录波数据的过程中需要应用DAQ 助手，通过该物理通道和虚拟通道的匹配可以将录波数据写入存储到TDMS 文件中。4.2.4 仿真波形输出模块。G 语言与DAQ 助手结合模拟输出信号可以得到Matlab 仿真Excel 工作表，然后利用函数调用工作表读取仿真波形信息，最后处理波形数据之后即可输出仿真波形图。4.2.5图像获取模块。配电线路故障指示器检测系统软件的图像获取模块是为了更好地观测配电自动化演示结果，图片获取模块通过摄像头对配电线路的现场图片进行拍摄，根据连续图像的预处理和后处理功能即可得到图像分析结果。

4.3 软件测试

配电线路故障指示器检测系统软件测试应该按照各个模块进行功能测试，最后根据输出仿真波形的正确性校验结果即可得到模块功能的检测结果。

5 配电线路故障指示器检测系统应用平台

5.1 故障指示器介绍

本文在研发配电器线路故障指示器检测系统时共选择ZY_F10 和KLD2-A 两种类型的故障指示器进行试验，其中ZY_F10 故障指示器具备遥信、遥测和遥调功能，而KLD2-A 故障指示器不具备遥调的功能。

5.2 故障指示器检测

配电线路故障指示器带电装卸试验、重合闸试验、故障报警与复位试验、电气性能试验等检测方法都需要通过该检测系统应用平台的检测模块进行试验，每次试验检测之前输入对应的参数即可。

5.3 三相线路仿真

配电线路故障指示器检测系统三相线路仿真采用三相四线星型接法，根据三相仿真综合控制平台即可进行模拟实验，通过升流升压装置的参数设置即可在上位机软件中模拟三相线路的仿真过负荷实验，查看故障指示器在过负荷状态下是否照常发出报警。

6 结论

综上所述，配电线路故障指示器检测系统可以根据电流电压检测结果对故障类型进行判断，故障指示器可以对故障发生的位置进行确认，对线路检修和维护人员来说可以极大地提高工作效率和质量。因此配电线路故障指示器检测系统具有提高配电线路稳定性、安全性的作用，但是配电线路故障指示器的类型比较复杂，不同种类的故障指示器无法进行全自动检测，未来故障指示器检测系统应用平台还应该进行进一步的优化，将各种类型的故障指示器进行整合并推动检测系统的可视化，智能化和可视化是配电线路指示器检测系统的发展方向。