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故障指示器定位方案温江

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2020年4月19日
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故障定位系统技术方案

北京合锐赛尔电力科技股份公司
-2-9

1、 概要
配电线路传输距离远，支线多、大部分是架空线和电缆线，环境和气候条件恶劣，外破、设备故障和雷电等自然灾害常常造成故障率较高。一旦出现故障停电，首先给人民群众生活带来不便，干扰了企业的正常生产经营；其次给供电公司造成较大损失；再者一条线路距离较长分支又多，呈网状结构，查找故障，非常困难，浪费了大量的人力，物力。
中国10KV 配电网系统主要以中性点非接地系统（俗称小电流系统，Y/Δ结构）为主，近年以来随着电网建设速度的加快，配电网线路结构越来越庞大，越来越复杂，但由于在线路运行状态监测方面特别单相接地故障监测方面一直无法满足广大电力用户的需求，严重影响了供电质量。虽然各供电公司配电线路大量采用故障指示器来解决故障寻址的问题，客观上在一定程度上提高了查找故障的效率，但当前国内外所有故障指示器均存在致命缺陷：无法可靠、准确地检测单相接地故障线路。因此，故障指示器仅仅是解决了部分问题，没有解决广大供电公司迫切需要的单相接地故障检测功能。而利用配网自动化系统能够实现故障监测及自动定位（寻址），但成本太大，难以推广。
北京合锐赛尔电力科技股份有限公司多年来在电力系统输配电网自动化系统、故障检测技术方面积累了大量的技术能力和丰富的现场运行经验，为客户提供从主站系统到配电终端设备、一次设备、通信网络设备等全方位的解决方案及装置，特别是我公司根本性地解决了单相接地故障接地选线以及故障定位问题，在国内第一次成功解决了单相接地故障的检测技术难点。
故障定位系统分为有源故障定位系统和无源故障定位系统，我公司系统的型号分别为：FIS 故障定位系统和FIS3000故障定位系统。系统故障监测采用成熟的故障指示器，包括架空线路和电缆等多种类型。在系统中，故障指示器分布挂装在电力传输网络上需要监测的位置（如：各分支处，各事故多发事段等）。故障信息经过移动运营商提供的成熟的GPRS网络传送到监控中心，只要有GPRS/GSM信号的地方，就能实现可靠通信。系统集故障监测、负荷电流监测、温湿度监测等于一体，在线路出现短路故障、接地故障、断电、送电等情况下，将采集的特征数据传送到监测中心，监测中心发信息给维护值班人员手机，使管理员不在办公室也能监控到线路的运行情况，完全做到线路情况实时监控，不受管理员上下班影响，同时在计算机上显示故障位置，具有操作界面简单、友好等特点。
2、 无源故障定位系统
2.1无源故障定位系统构成

图2-1系统总体结构图
无源故障定位系统包括三部分：
1、 故障指示器
每组3只（A，B，C三相），安装于架空或电缆传输线路上，对传输线的短路、接地故障状态进行实时检测。当指示器发现线路有接地或短路故障时，把故障状态传送给对应的IPU。
2、 通讯转发站
每个杆塔安装1台，最多能够搭载10组（30只）指示器的通信，且互不影响。信息处理单元（IPU）收集分布在附近的一组或几组指示器发送的的故障状态，经过GPRS远传到主站系统（FIS3000）。
3、 主站监控系统
数据处理及转发系统接收线路上所有IPU的信息数据，得到线路上所有指示器的状态，数据处理系统（FIS3000）监视的整个电力系统，对收到的信息进行分析处理，形成故障状态信息。
变电站
11
2
3
4
5
6
定位
5
4
3
2
1
2.2无源故障定位技术原理
图2-2无源故障定位系统原理图
1、 短路故障检测技术原理
过流原理与负荷电流自适应智能突变原理相结合来判断故障，能够有效的提高检测准确度和可靠性。
根据短路故障的特征，提供信号已经量化的、可在线调整参数的速断/过流和自适应负荷电流的过流突变两种短路故障检测方法，同时上报短路故障电流、负荷电流和线路对地电场，使得短路故障检测更准确、更灵活，如下图所示：

图2-3 短路故障检测技术原理

2、接地故障检测技术原理
传统检测技术：
（1）零序电流法
只适合于中性点直接接地和无消弧线圈的系统，即大电流接地系统，而中国中性点大部分为消弧线圈接地方式，即小电流接地系统，导致零序电流法是不准确的。
（2）五次谐波法
单相接地故障发生后：
a、系统中的非线性元件（如铁磁元件等）会有大量谐波分量产生。
b、放电或故障点燃弧导致大量谐波电流产生。
c、由于消弧线圈的存在，因此接地电流中基本不包含3次谐波与3次谐波的整倍数的高次谐波，这样在发生单相故障时高次谐波中5次谐波分量就较大。
原理：检测线路电流的5次谐波的变化情况，当5次谐波突然增大，同时系统电压下降，则判断为发生接地故障
不准确原因：实际中，故障后，故障相5次谐波电流增加的比例为：46.65，几乎没有变化的比例：41.6%；反而减少的比例：11.75%，因此，实际线路中5次谐波的变化很难用来准确的检测单相接地故障。
（3）首半波法
根据接地时暂态信号特征，采样接地瞬间的电容电流首半波与电压波形，比较其相位。当采样接地瞬间的电容电流首半波与接地瞬间的电压相位满足一定关系时，同时导线对地电压降低，则判断线路发生接地故障。
原理：在发生单相接地的瞬间，故障相的对地电容会对接地点放电，从而产生一个放电的电流脉冲，当采样接地瞬间的电容电流首半波与接地瞬间的电压反相。
不准确原因：安装使用有方向性要求，对于环网供电，当线路倒负荷后，原来的方向就错了
合锐赛尔接地故障检测技术：
将可变负荷法与首半波法相结合来判断接地故障，能够有效的提高检测准确度和可靠性。
提供信号已经量化的、可在线调整参数的首半波暂态接地故障检测方法，同时上报接地尖峰电流（电容放电电流）、负荷电流和线路对地电场，使得接地故障更准确、更灵活。

图2-4接地故障检测技术原理
3、有源故障定位系统
3.1 有源故障定位系统构成

图3-1系统总体结构图
有源故障定位系统包括四部分：
1、 故障指示器
每组3只（A，B，C三相），安装于架空或电缆传输线路上，对传输线的短路、接地故障状态或感受的特殊信号进行实时检测，当指示器发现线路有接地或短路故障或感受到特殊信号时，把故障状态传送给对应的IPU。
2、 通讯转发站
每个杆塔安装1台，最多能够搭载10组（30只）指示器的通信，且互不影响。信息处理单元（IPU）收集分布在附近的一组或几组指示器发送的的故障状态，经过GPRS远传到主站系统（FIS3000）。
3、主站监控系统
数据处理及转发系统接收线路上所有IPU的信息数据，得到线路上所有指示器的状态，数据处理系统（FIS3000）监视的整个电力系统，对收到的信息进行分析处理，形成故障状态信息。
4、信号源
采用有源方式检测安装此设备，采用无源检测不需安装此设备。分为特殊信号注入法和不对称电流源法。
3.2 有源故障定位系统原理
1、 短路故障检测技术原理
短路故障检测技术原理如无源故障定位系统短路故障检测技术原理一样，不在阐述。
2、 接地故障检测技术原理
特殊信号注入法原理

图3-2特殊信号注入法原理图
先借助变电站的电压互感器感受到一相的电压下降，另两相的电压升高，从而确定接地故障相。再利用注入式电流信号构成的接地保护，此时，借助电压互感器处于空闲状态的接地相，能够向线路注入一个特殊波形的电流信号，由于系统发生单相接地故障时，被注入信号仅在接地相的线路中流通，经过接地故障点后即可行返回，非接地故障线路中没有信号，故只要检测各线路中有无注入信号电流，便可进行故障选线。而经过对注入信号电流和电压的检测，计算变电站到接地故障点之间的电抗，便可实现故障测距。如果在变电站和接地故障点之间存在分支线路，注入信号也不会进入无接地故障的分支线路，根据这一特点，便可查出接地分支线路及其上的故障点确切位置，从而实现故障定位功能。
特殊信号特征：注入信号源。
利用外加诊断信号进行故障检测和定位，不应影响原系统的正常运行及其它设备。因此，注入信号源应满足一些特殊要求，它只能向系统提供幅值较小的诊断电流，且为零序电流，只在接地故障线路中流通。为了便于检测，信号源的频率必须与电力系统的固有频率完全不同，有两种不同的方式。
第一种方式，是将信号源频率取在工频n次谐波与（n+1）次谐波之间（n为正整数理论上，n可取任意值。实际上，若n取值较小，信号源频率与工频相近，不利于从较强的工频故障电流中提取较弱的诊断信号电流。若n取值较大，一方面系统分部电容容抗变小，分布电容对信号电流的分流增大，而部长线路上流动的信号电流变小，不利于信号电流的检测；另一方面，线路感抗XL=nωL增大，不能再忽略不计，也使故障线路上流动的信号电流变小，增加了检测信号电流的难度。
第二种方式，是将信号源频率取为10～50倍的工频频率。由于多数非线性电力负荷产生奇次谐波电流，故障期间，这些奇次谐波电流也在故障线路中流动，为便于提取诊断信号电流，因此信号源频率取工频偶次谐波。从工频电源角度看，信号源可近似看做一理想电流源，也就相当于开路；从信号源角度看，故障回路呈低阻抗回路，即信号源向一低阻回路提供电流，该电流从变电站沿故障线路到故障点经大地返回。可见，较低电压的信号源就能想故障系统提供较大的零序电流，如对于低压400V系统，不到50V的信号源电压就能想系统提供1～5A的零序电流，分布电容的影响可忽略。这种方式当不能忽略分布电容的影响时，由于信号源频率较高，分布电容的分流将使故障线路上的诊断信号电流变小，有可能小到无法探测。因此该种信号源在6～35kV的重压配电系统中不适用。
基于此，北京合锐赛尔选择第一种方式作为特殊信号源，经过试验测试，选择频率为60~80HZ的电流信号。
不对称电流源法原理

图3-3不对称电流源法原理图
当线路上任何一点发生单相接地故障时，装在变电站内或线路上的可变负荷柜检测到线路三相电压和零序电压变化后,首先判断出故障相，隔离开关进行盲投，接入阻性负载，按照设定时序改变线路负荷电流变化，盲投至C相时，接地点、大地、电流源、线路、变电站形成回路，电流源产生故障电流附加脉动信号，安装在线路上的故障检测装置检测流过本线的故障型号及特征信号，若满足设定的变化规律则故障检测装置给出报警，从而指示出故障位置。
4、故障指示器
4.1 故障指示器分类
故障指示器分类：

按照检测对象分：

按照是否带通信功能分：

按照取电电源分：

4.2 故障指示器性能指标
Ø 采用高性能微功耗单片机作为核心处理单元；
Ø 高速A/D采样
Ø 小波变换提取信号特征（有源）；
Ø 将可变负荷法与首半波法相结合（无源）
Ø 利用无线信号传输故障信息（跳频）；
Ø 翻牌、闪灯报警指示，夜间可视距离>300米；
Ø 在线取能+后备电源（锂电池、法拉电容等），使用年限>8年；
Ø 自动复归时间：1~96小时（可按用户要求设定）；
Ø 负荷电流： 0～600A；
Ø 自适应负荷的过流突变量：100A或1/2平均负荷；
Ø 零序电流：0~100A；
Ø 速断、过流定值：0~700A，步长1A；
Ø 零序定值：0~100A，步长1A；

Ø 速断、过流、零序延时：0~9.99s，步长0.01s；
Ø 最大短路电流：40kA；
Ø 静态平均功耗：50µA/3.6V（短距离无线通信模块）；
Ø 通信平均功耗：30µA/3.6V（每分钟发一次数据时）；
Ø 通信方式：本地无线组网；420~440MHz，64档自动调频；
Ø 通信距离：30~300m
Ø 工作温度：-45ºC~70ºC；
Ø 可动作次数> ；
Ø 防护等级：IP65；
Ø 重量：≤500g；
Ø 可带电安装与摘卸；
Ø 适用导线直径：8 mm～40mm；（绝缘线、裸导线），80~110mm（电缆线）。

5、通信转发站（IPU）

图51通信转发站结构图

图5-2通信转发站实物图
每个指示器和IPU均有唯一地址，地址标在外壳明显处，用户在安装时要注意记录每个指示器和IPU的安装位置和地址的对应表。有这个表才能产生电子地图信息。实现故障点的本地查找与显示。
每个指示器均有一个16bit的地址，在一位用户在同一地区使用不超过6万只的情况下，可保证每个指示有唯一地址。地址在出厂时已经分配好并标在指示器外壳上。
IPU与FIS /3000通信，线路上有多个IPU。故IPU内部有一个8bit的地址。地址在出厂时已经分配好并标在IPU的机箱内。
（1）基本功能
短路、接地故障信息接收及转发；
a、接收探头发射的故障信息调制的无线信号并进行解调
b、对解调后的信号进行解密计算并判断是否正确
c、将故障信息以GPRS的方式发送给主站系统
（2）供电电源
太阳能电池板取电；
超级电容；
蓄电池；
AC220V供电；
在线CT取电。
（3）通信方式
短距无线双向通信和GPRS混合组网形式，心跳间隔可设。
（4）基本性能
Ø 技术参数工作温度：-40℃～+70℃；
Ø 微功耗设计，待机功耗20uA
Ø 工作电源：蓄电池、太阳能、锂电池、CT取电、交流电等
Ø 相对湿度：<95%；
Ø 静态功耗：不大于0.02W ；
Ø 无线收发功率：10mW；
Ø 射频无线通信距离：<300m（互不干扰）；
Ø 故障指示器配置个数：10组30只；
Ø 无线接收距离：不小于30米；
Ø 防护等级：IP55；
Ø 使用寿命：8- 。
6、信号源

图6-1 信号源安装现场
Ø 安全性高：不对称电流源产生的信号不影响变电站主变、接地变、消弧线圈及线路的正常运行（相当于一个阻性负荷投入和退出），不对称电流源在系统正常运行时与一次线路完全隔离。同时由于不对称电流源产生的信号是低频纯阻性的，还能够消除谐振，抑制过电压，降低过电压对系统的危害。
Ø 准确性高：不对称电流源使故障线路上流过具有明显特征的电流信号，挂在线路上的指示器检测到该特殊信号后才会给出故障指示，因此该检测方法不受系统运行方式、拓扑结构、中性点接地方式的影响，准确性极高。
Ø 在线路上配电变压器的旁边，一般选择离变电站最近的公用变压器作为安装地点；
Ø 平时：装置不承受高压，安全可靠；
Ø 环境温度：-40℃～+70℃；
Ø 海拔高度：小于1000m；
Ø 相对湿度：<95 %；
Ø 一次额定电压： 6~35kV；
Ø 功耗：<20W；
Ø 绝缘水平： 42kV/1min；
Ø 安装于变电站出口。
7、主站系统
软件系统采用IE标准界面运行，监控主画面能够采用地理分布图，在地理分布图上标出每条线路，放置标注超文本链接，链接到下一级画面，能够方便地查看每条线路的状况和设备的信息。只要会制作主页就能生成自己想要的监控画面，画面能够随意生成，方便用户应用。为用户提供了二次开发的接口，降低用户对设备开发商的依赖。
本系统支持Win NT 、 Win 、WINDOWS XP操作系统,分别运行前置机监控软件、数据库软件、WEB SERVER 软件。系统必须保证服务器软件24小时运行。WEB SERVER 软件主要完成 WEB SERVER 和主页的动态刷新等，数据库软件主要把监控装置的数据记录在标准数据库中。

图7-1主站系统总体结构图
7.1 系统功能及特点
◆实时监测功能：能够实时监测线路的短路故障信息。
◆主动告警功能：能够主动上报线路的短路告警信息和指示器电池故障、IPU电池故障、设备失效等设备故障信息，系统能够主动实时上报告警到监控调度中心。告警信息实时记录到数据库中，可根据需要长期保存；能够提供声光告警。
◆灵活传输功能：通信方式可选，通信方式的选择与系统工作无关。当前采用 GPRS 或短信方式上传告警故障信息和下发查询指令，可根据用户需要及用户设备情况灵活采用其它方式。如有线、载波等。
◆数据管理功能：系统配置数据、告警信息等全部存储在数据库中，便于统计分析；能够按照用户要求生成各种统计报表、图表。根据告警的不同拓扑位置和告警类型，提供数据分析功能，确定故障原因和故障位置。
◆电子地图功能：采用电子地图方式显示。
◆系统管理功能：能够对主控单元、采集设备、监控点以及操作人员、系统功能等进行配置；系统日志对系统状态和人员操作做详实记录。
◆电池电压管理功能：指示器和IPU对于电池供电电压进行监测，当供电不足时上报告警。
◆设备状态定时上报：采用节拍方式，定时上报设备状态，如果通信失败则视为设备故障。
7.2 系统性能
（1）主站系统容量
u 数字量 10000
u 模拟量10000
u 累加量10000
u 遥控量 1000
u 虚拟量 10000
u 转发量 10000
u 监测（控）点数量 254
u 可接入工作站数>10台
u 历史数据保存周期≥ 1年
（2）主站系统可靠性
u 遥测合格率＞98%
u 遥信准确率＞99%
u 遥控正确率＞99.99％
u 遥调正确率＞99.99％
u 主站系统平均无故障运行时间(MTBF)：>30000小时
u 系统可利用率：>99%
u CPU负荷率：<40%
u 网络负荷率：<30%
u 故障信息正确率： 100%
u 由于偶发性故障而发生自动热启动的平均次数应<1次/360小时。
（3）主站系统实时性（GPRS通讯方式）
u 遥测越限和遥信变位传送 ≤5秒
u 遥信量变化传送 ≤10分钟
u 遥测量变化传送 ≤10分钟
u 遥控命令响应时间 ≤10秒
u 故障定位响应时间 ≤5分钟
u 事故推画面时间 ≤3秒
u 调用画面响应时间 ≤2秒
u 画面自动刷新周期 ≤5秒
u 模拟量和数字量的召唤周期 5分钟
7.3 系统运行
（1）前置机数据采集和处理
a、前置机采集接收各条线路上的故障指示器的状态信息，进行数据校验，将处理后的数据发送到数据库服务器；
b、通信信道采用GPRS网络，始终在线，确保告警信息的及时传送；
c、按照一定的通信规约与故障指示器通信；
d、各通信单元运行状态的监视。
（2）完善的故障告警功能
系统接收来自故障指示器的告警信息，一旦数据校验正确，立即启动告警处理进程，将告警信息保存到数据库服务其中，同时，在客户端屏幕上弹出告警信息，发出声光报警，提示值班人员及时处理故障。如果系统设置了短信平台，系统还会自动将告警信息发送到预先设定的相关人员的手机上。
（3）历史告警查找功能
系统提供方便的历史告警查找功能，用户能够按照线路或时间对数据库进行查询，并可将查询结果转化为EXCEL表格形式，方便用户的使用。
（4） WEB发布功能
本系统完全建立在标准的B/S架构上，采用 .NET技术、TCP/IP技术，软件界面采用IE标准界面，使用方便，不需要专门的培训，只要会上网就会使用本系统。用户在浏览器端只要运行标准浏览器就能够工作。在任意的地点，任意的时间，只要能够接入互联网，拥有相应的权限就能够监测系统的运行状况。控制权只能在本地的监控中心，保证安全运行。
（5）运行日志记录功能
系统自动记录各种运行信息，包括系统登录、信息发送等，以便及时了解系统的运行状况。
7.4系统安全管理
（1）用户管理：增加或删除管理人员名单、管理权限设置等；系统按照不同的使用功能将使用人员划分为系统管理员、一般操作人员、线路维护人员、浏览用户等，针对不同的用户系统设置不同的权限，只有拥有一定的权限才能进行某些特定的操作。
（2）操作日志：记录每个登陆人员的操作事件和时间;
（3）修改密码：允许登录的用户修改本人密码；
（4）登录注销：用户退出监控软件。
7.5短信报警平台（可选）
系统设置一台短信报警服务器，当系统监测到故障发生时，将自动经过短信服务器向指定的人员（多人同时）发送报警信息，并记录所有的报警信息。短信报警服务器依赖GSM网络来收发短信息。它使用一个10Base-T以太网接口连接网络；一个GSM模块用来收发报警短消息。
这种短信平台的优点有：
l 接口：已经将各种功能的AT操作内部集成，您根本不需要了解复杂的AT指令；
l 经过以太网共享，任何在同一网内的计算机都能够共享收发短信。支持TCP、UDP协议，支持Socket编程；
l 支持各种操作系统，可用Java编程以满足各种操作系统的需求，不需要额外的动态链接库DLL、控件OCX等，编程简单快速。
7.6 系统.NET技术、IE浏览
本系统是一个监控管理综合软件平台，完全建立在标准的B/S构架上，采用 .NET技术、TCP/IP技术、GPRS通信技术，处理来自各个现场的报警信息，及各种管理信息。这些数据经过受理、分析、处理、校验等处理过程，保证报警信息及时、正确地得到记录分析，同时为维护部门提供需要的统计报表等分析数据。
系统采用IE浏览器访问，只要具有相应权限，在局域网上的任一台计算机上都能访问数据库中的数据，查看各线路的运行状态。
7.7开放式结构，提供二次开发接口
系统采用标准数据库，提供标准的数据库访问接口。各种数据和运行日志被记录于标准的数据库中，支持现有的EXECL办公软件直接生成相应的报表。也给局方提供标准的开发接口，容易嵌入到现有的MIS系统中，组成复杂应用。如果用户会制作网页，能够按照自己的爱好生成喜欢的界面。
7.8 系统实例

8、配置参考
9、温江供电公司故障定位系统方案
架空线：
（1） 在主干线上每一个分段安装一组（3个）故障指示器及通信转发站；
（2） 在每一条分支点安装一组（3个）故障指示器及通信转发站；
（3） 如果分支线再有分支点，分支点继续安装一组（3个）故障指示器及通信转发站；如果分支线较长，能够把分支线分段后，在分支线的分段点安装一组（3个）故障指示器及通信转发站
应用举例：

电缆线路：
（1） 每个在主干线上每一个分段点安装一组（3个）故障指示器及通信转发站；
（2） 对于环网柜或电缆分支箱，每一条出线安装一组（3个）故障指示器及几条出线共用一个通信转发站；
应用举例：

若选择有源故障定位系统，在变电站出口断路器处安装信号源。
应用举例：
10、报价
类型
单价/单位
数量
总价
备注
架空型短路故障指示器
140/只

短路、发光、翻牌
架空型接地短路故障指示器
180/只

短路、接地、发光、翻牌
架空智能型故障指示器
800/只

短路、接地、发光、翻牌、在线测电流、CT取电、远程调试、测温度、无线调频等
电缆接地故障指示器
140/只

短路、发光
电缆短路故障指示器
120/只

接地、发光
智能型面板故障指示器
2800/套

液晶显示、短路、接地、在线测电流、在线测温度、带接点可接接入DTU装置
电缆智能型故障指示器
3200/套

发光、短路、接地、在线测电流、远程调试、在线测温度、无线调频等
架空智能型通讯转发站
4800/台

一个杆塔安装1台(太阳能取电、PT取电、后备电源)
电缆智能型通讯转发站
7000/台

一台开关柜安装1台一个杆塔安装1台(太阳能取电、PT取电、CT取电、后备电源)
信号注入柜（特殊信号注入法）
12万/台

采用无源故障定位不需安装此设备
信号注入柜（不对称电流法）
7.2万/台

采用无源故障定位不需安装此设备
注：价格以竞标或最终谈判价格为准！