配电故障定位在线检测系统

一、    概述

智能电网配电在线监控系统采用了数字化的故障指示器和数字化的无线通讯技术，主要用于中高压输配电线路上，可检测短路和接地故障并指示出来，可以监测线路和变压器（高压侧）运行情况，可以对两路同杆架设的两路电动开关进行遥控（合分闸）、遥信（采集开关位置）操作。该系统可以帮助电力运行人员实时了解线路上各监测点的电流、电压变化情况，在线路出现短路、接地、断线、绝缘下降等故障或者异常情况下给出声光或者短信通知报警，告知调度人员进行远程操作以隔离故障和转移供电，通知电力运行人员迅速赶赴现场进行处理。主站SCADA系统除了显示线路故障电流途径和位置，还能显示线路负荷电流、系统电压（电场）的变化情况并绘制曲线图，用户根据需要还可以增加其他监测内容，例如开关位置、变压器温度和环境湿度等。

二、    系统特点

1.     采用数字化的故障指示器技术，适用范围广，可靠性高，并且免维护；

2.     对于小电流接地系统，可以通过监测架空线路的接地暂态电流，结合小电流接地选线装置，可以大大提高接地故障检测的准确性；

3.     无线通讯终端采用太阳能电池板供电和后备大容量免维护锂电池，确保随时随地都能保持数据通讯畅通无阻；

4.     主站SCADA系统可以实时对现场的数字化故障指示器和两路电动开关进行“四遥”（遥控、遥信、遥测、遥调）和参数读写操作；

5.     显示线路电流、电压变化曲线；

6.     SOE记录；

7.     采用短距离无线调频通讯进行本地组网，然后再通过中国移动GPRS与主站通讯，维护方便；

8.     带电装卸，不用停电；

9.     主站软件采用电力SCADA组态软件，易学易用，功能强大；

10. 主站硬件采用工业控制计算机，运行可靠，防死机，运行寿命长。

三、    主要功能

1.     监测线路短路、接地、过负荷、断线、停电、盗割等，帮助电力运行人员迅速查找故障点，避免了事故进一步扩大；

2.     监测线路负荷电流的变化情况，并在计算机上显示电流变化曲线，对线路负荷情况进行分析，防患于未然；

3.     监测线路电压（电场）的变化情况，在计算机上显示线路电压变化曲线，对线路绝缘情况进行分析，防患于未然；

4.     可以根据客户需求增加温湿度等监测内容；

5.     在有电动开关的地方，可以增加遥控、遥信功能（还需增加一个PT或太阳能操作电源箱）；

6.     可以根据客户需求打印操作票。

四、    系统组成

l       若干个线路监测点、若干台变电站接地选线装置和1套主站系统。

l       每个线路监测点的设备包括：3～32只数字化的故障指示器，1台无线通讯终端（含太阳能电池板和后备锂电池）。

l       主站系统包括：1台工业计算机，1套主站软件。

FCI：Digital FaultCurrent Indicator 数字化的故障指示器

DCU：DataCollecting Unit 数据采集器（内置低功耗GPRSDTU），可选电动开关储能和遥控功能

GPRS DTU：GPRS Data Terminal Uint GPRS通讯终端

EFU：Earth FaultLine Select Unit 接地选线装置

五、    系统工作原理

数字化的故障指示器FCI主要安装在变电站出线、重要分支线和重要电力设备处，每条线路装1组（共3只），以实现这些点的远程监测和故障定位，同时在附近安装1台数据采集器DCU。FCI都带有四字节通讯地址，用于DCU对FCI的识别；DCU也带有一字节地址，用于DCU与主站（GPRS DTU）之间的地址识别。DCU与FCI采用短距离无线调频通讯，DCU与主站之间采用GPRS公网通讯。

当线路正常运行时，DCU向下采用POLLING规约轮询每只数字化故障指示器（FCI），FCI按预设的通讯策略进行应答，将实时采集到的数据发送到DCU。通讯策略的含义是：FCI采用低功耗电路和程序设计，设计寿命为10年以上，但无线通讯能量较大，不能*依靠内部锂电池供电，大部分能量要从高压导线感应取电。当负荷电流大于20A时可以*取到通讯能量，在通讯时可以做到“有问必答”或者定时主动发送；当负荷电流小于20A时，只能取到有限的电能，在通讯时会出现“两问一答”、“十问一答”或者不定时主动发送的情况，其它时间FCI内部无线通讯模块都在休眠以减少电池损耗。值得一提的是，由于无线通讯划分为64个独立信道，对于主动发送不存在互相干扰而导致通讯不上的情况。

对于10kV中性点各种接地系统，当线路出现短路故障时，FCI可以检测到短路故障电流，如果符合特定的短路故障判据，则本地翻牌显示，并按照预设的时间参数自动复归，也可以通过主站遥控复归。同时，在DCU轮询到自己时将“及时应答”或者立即主动发送动作信息，将动作信号等数据发送到DCU。

对于10kV小电流接地系统，当线路出现接地故障时，FCI可以检测到接地故障暂态电流，如果符合特定的接地故障判据，则本地翻牌显示，并按照预设的时间参数自动复归，也可以通过主站遥控复归。同时，在DCU轮询到FCI时将“及时应答”或者立即主动发送动作信息，将动作信号等数据发送到DCU。

DCU在收到FCI的动作信息以后，将动作分支的FCI地址信息通过GPRS通讯方式发给配网主站SCADA或GIS系统，并进行报警显示和自动短信通知。

l       短路故障检测原理

对于短路故障，FCI提供两种可选择的故障判据：一种是电流突变法，一种是过流速断定值法。

目前市面上绝大多数模拟电路的故障指示器主要是采用电流突变法，其判据为：

a)       线路稳定时间：≥30S

b)       短路故障电流增量

c)       当负荷电流IL小于等于200A时，ΔI≥100A

d)      当负荷电流IL大于200A时，ΔI≥1/2*IL

e)       短路故障持续时间：≤10S

f)        短路故障结束电流：≤2A

该方法的优点是自动跟踪负荷电流大小，不用整定参数；其缺点一是在有些接地短路情况下，短路电流是逐渐增大的，指示器因无法检测到电流突变而导致拒动；其缺点二是在有些接地短路情况下，非故障出线、非故障分支、故障点后面的线路如果带有大型容性负载（例如高压电容器）和感性负载（如大型电动机、水泵等），则会向故障点反馈送电，导致非故障线路误动。
由于FCI的动作参数可以通过主站在线修改，因此在管理比较规范的电力公司，我们推荐过流速断法。该方法与变电站微机保护装置的故障检测原理*，只要变电站出口跳闸，FCI也能检测到并给出故障指示。为了防止合闸涌流，FCI采取了电压闭锁条件，只有检测到线路停电（无流无压）以后才会动作。其检测原理如下：

参数说明：

Ik参数：当前负荷电流采样值

Iset参数：包含Iset1（速断值）、Iset2（过流值）

Tset参数：包含Tset1（速断延时）、Tset2（过流延时）

TfMAX参数：从变电站出口保护启动到保护跳闸停电的zui大延时

Iaver参数：保护启动前的平均负荷电流

Uk参数：当前电场采样值

Un参数：正常运行时的电场

l       接地故障检测原理：

对于线路接地故障，目前比较常见的方法是首半波法和信号注入法。经过两、三年的实践检验，首半波或者接地暂态法存在技术原理上的缺陷，经常导致误动。虽然信号源注入法相对稳定，但由于设备费用高昂和安装不便而推广困难，对于负荷波动大的线路也经常误动，接地阻抗高较高和接地线接地不牢时时可能发不出信号。FCI主要采用接地暂态电流测量法，通过通讯网络将各个监测点的接地暂态电流、变电站接地选线装置的接地报警和选线信息都汇总到主站，由主站进行智能和人工决策判断。

接地故障暂态电流测量法判据为：

                                                     i.             线路稳定时间：T0≥30S

                                                   ii.             接地暂态电流增量：ΔIzt≥ΔIset

                                                 iii.             电场下降比例：ΔUk%≥ΔUset%

                                                 iv.             电场下降持续时间：Tk≥Tset

                                                   v.             故障结束稳态电流：≥2A

该方法的特点是能够实时监测接地故障暂态电流变化，和变电站接地选线装置，并根据系统结构和不同的安装位置在线修改接地故障判据参数。

六、系统主设备介绍

（一）数字化的故障指示器

1、功能特点

l             从高压导线小负荷电流开始取电；

l             检测相间短路；

l             检测小电阻、中电阻接地故障 ；

l             检测小电流接地系统单相接地故障（与接地选线装置、主站配合完成） ；

l             检测断相故障（与主站配合完成） ；

l             检测线路停电（与主站配合完成） ；

l             监测线路负荷（电流） ；

l             监视线路绝缘水平（电场） ；

l             带电装卸 ；

l             本地显示 ；

l             自动/遥控复归，可遥控翻牌/复归、指示灯点亮/熄灭 ；

l             无线中继通信；

l             在线设置参数；

l             防死机和免维护设计 。

2、技术参数

l       电源：2.5Ah/3.6V一次性锂电池*2；

l       取电功率：50uA-20mA/3.6V(一次负荷电流3A-600A)；

l       静态平均功耗：25uA（FCI），20uA（短距离无线模块） ；

l       通讯平均功耗：50uA（每分钟发送一次数据时）；

l       电流精度：±1.5%（负荷电流大于10A时）或者±1A（负荷电流小于10A时）；

l       电压线性度：优于±95%；

l       通讯频率（短距离无线）：433MHz（64个独立信道自动跳频）；

l       通信距离（RF）：100-1000m（空旷地带）；

l       电压等级：任意（出厂前确定）；

l       负荷电流：0～600A；

l       导线直径：8～40mm；

l       短时耐受电流：40kA/4S；

l       故障复位时间：12h(6h，24h,48h)；

l       可动作次数：不小于3000次 ；

l       环境温度：-35℃～85℃ ；

l       环境湿度：5～95%；

l       防护等级：IP65；

l       EMC等级：±8kV静电放电 ；

l       重量：不大于500g ；

l       尺寸：不大于Ф75*150mm；

l       设计寿命：10年以上。

（二）数据采集器

主要用于输配电线路故障定位与负荷监测系统，也可用于变电站高压开关柜无线测温等应用场合，通过短距离无线调频、跳频通讯方式实时采集附近安装的1～30只数字化故障指示器的信息（系统电压、负荷电流、接地暂态电流及其增量、温湿度、短路故障动作状态、接地故障动作状态），然后将打包数据通过GPRS通讯方式发送到配网主站SCADA或者GIS系统进行分析和处理。同时，根据用户需要，数据采集器可以连接1~2台电动开关，主站系统可以通过GPRS对其进行遥控、遥信操作。

l       技术参数

（1）、 电源：18V/20~100W太阳能电池板组件

（2）、 电池：10~50Ah/3.6V可充电锂电池

（3）、 整机平均功耗： ＜50mA

（4）、 短距离调频发送功率：＜20mA（持续向指示器发送巡检命令时）；

（5）、 GPRS发送功耗： ＜150mA（持续向主站发送实时数据时）

（6）、SMS短信平均功耗： ＜1mA（每天向主站发送一条短信时）

（7）、 遥测：电流精度为±1.5%（电流大于20A时）或者±1A（电流小于20A时）；电压线性度优于±95%

（8）、 遥控：4路继电器空接点输出，AC2kV光电隔离，带0.1F/DC24V可控开关操作电源和7.2Ah/DC24V开关储能电源；

（9）、 遥信：6路开关位置辅助接点输入，AC2kV光电隔离，带DC24V可控遥信电源；

（10）、 遥调：可在线设置1~30只数字化故障和数据采集器本身的参数

（11）、 通讯频率（短距离无线）：433MHz（64个独立调频信道，自动跳频），20~100k（双向），100~1000米可调

（12）、 建议带数字化故障指示器个数：1~30个

（13）、 重量：DCU0、DCU1＜5kg； DCU2＜10kg； DCU3＜20kg

（14）、 尺寸： DCU0、DCU1 ＜250mm×150mm×100mm（长×宽×高）； DCU2 ＜300mm×250mm×100mm； DCU3 ＜450mm×350mm×250mm；

（15）、 设计寿命：10年以上（可充电锂电池为5年寿命）

（16）、 环境温度：-35℃～85℃

（17）、 环境湿度：5～95%

（18）、 防护等级：IP65

（19）、 EMC等级：±8kV静电放电

l       功能特点

（1）、 体积小，重量轻

（2）、 不停电装卸

（3）、 太阳能取电，后备大容量锂电池

（4）、 在线设置参数，可扩展遥控翻牌/复归、指示灯点亮/熄灭、开关合、分闸（增加开关合分闸驱动电容和开关储能电机后备电池） 等实用的配网自动化功能

（5）、 防死机和少维护设计

（6）、 对主站采用SMS短信（DCU0）、GPRS（DCU1、2、3）通讯方式和标准101通讯协议

（7）、 对指示器采用短距离无线调频、调频通讯方式和仿101协议POLLING规约

七、系统配置清单