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基于改进遗传算法的配电网络重构的研究摘要首先,本文研究了配电网络得出了适合于配网拓扑结构识别的重要的方面。重构的目的是在网络正常运行状态或故障恢复中通过切和可靠性,具有很大的经济效益和社会效益。配电网络重构是一个非线?踝楹嫌呕?侍狻1疚难芯坑酶慕??遗传算法来解算配网的优化重构和故障重构以求得最佳结构。基于支路电流法的前推回代潮流计算方法。同时研究了模糊控制理论,将其与遗传算法结合,用于自适应的改变交叉率和变异率。并对约束条件的处理和适应度函数的构造进行了研一定的研究和探讨,综合考虑了网损最小,操作开关数目最少、负荷配电系统作为电力系统的一个组成部分,起着连接电力生产和电力用户两方面的重要作用。而配网重构在配电系统自动化中是非常合分段开关和联络开关改变网络结构,对提高系统的安全性、经济性其次,以遗传算法为基础,对遗传算法中各个环节都进行了改进,如网络的编码策略,选择操作,交叉操作,变异操作及收敛准则等,究,给出了算法的基本步骤和流程框图。再次,论文对配电网络优化重构和故障恢复重构数学模型进行了平衡以及网络最坏电压降最小为多目标的数学模型,更适合于实际的情况。通过改变权重系数将多目标优化问题转化为单目标优化。
关键词:配电网络重构遗传算法模糊控制配电网潮流最后,本文用改进遗传算法对配电网正常运行状态和故障恢复重构进行了初步探讨,算例结果表明所用方法具有较好的收敛性和较高的计算效率。故障恢复多目标优化摘要?
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第一章绪论??引言??.?芯康哪康?随着我国电力的发展和电力市场的建立,人们对电力的需求日益增长,同时对供电可靠性,安全性和供电质量也提山了更高的要求。在电力的生产和供应中配电网是电力系统的虽后一个环节,也是直接面向用户供电的一个十分重要的环节,其可靠性和电能质量是电力系统的关键。但配电网由于电压等级低.功率损耗火.影响了配电系统的经济运行。在当前经济迅猛发展、供电日趋紧张的情况下,通过配电网络优化,提高系统的安全性、经济性和可靠性具有很大的经济效益和社会效益。实现配网自动化是安全、可靠供电的保证。我国配电网自动化的发展是电力市场和经济建设的必然结果,同时也是电力系统现代化的必然趋势。自??年以来,我国投入了大照的资金用于配电网的改造和自动化的建设,而配电网的重构是配电自动化的重要手段。配屯网含有人量的断路器和隔离开关,调度员在正常、检修或乖故运行方式下,根据实际需要进行断路器或隔离开关的操作,来调整配电网络结构,称为重构网络【”,配电网络重构的研究兴起于?年代后期,因其在降低配电网网损和改善系统安全方丽的重要作用而受到不少学者的关注。早期的配电网络重构主要是研究通过怎样的供电路径给新用户供电可以使总的费用最小,即研究配网规划阶段的重构问题。随着对配电网重构认识的逐步加深,学者们开始研究配电自动化系统中加入网络重构是否可行的问题,研究结果表明配电网络重构不仅在经济和技术上可行.而且可以极大地优化配电系统的运行。??.?芯康囊庖?网络重构的意义阐述如下:?⒃诘缒艿氖渌秃头峙涔?讨校?涞缤?耐?鹫剂苏?龅缤??鹣嗟比说谋壤?K孀?人民生活水平的提高和经济的发展特别是第三产业的兴起,用户用电量逐年上升,负荷相虑的增加.更加大了配电网的网损。据统计,曾对某???缤??辛说髌妫?峁?羌俣ㄕ?可见降低配电网?绕涫???缪沟燃?网损是提高屯力系统经济效益的关键。个电网的网损为??ィ????的电网网损为?.?ァ????.?ァ6??????%?。
配电网重构的研究与发展态特性,另一方面为了充分利用配电网络重构的功能,实时配电网重构势在必行.配电网自?⒃谂涞缤?校?刻趵∠呔?胁煌?嘈偷母汉扇纾簧桃怠⒚裼煤?:业类。由于不同类负荷的日负荷曲线是不同的,在变电所的变压器及每条馈线上峰值负荷山现的时间也不同,通过网络重构,可以将负荷从重负载或是过负载馈线?虮溲蛊?转移到轻负载馈线?虮?压器?希?庵肿R撇唤龅鹘诹嗽诵欣∠叩母汉伤?剑???∠吖?兀?鼓芨纳频缪怪柿浚?同时也可以有效地减小整个系统的网损。?⒂氪送?保?捎诮?┠昀闯鞘信涞缤?缬辛撕艽蟮姆⒄梗?呗吩嚼丛绞希?诘阍嚼?越多,结构越来越复杂,因而发生故障的几率也相应增火。当配电网发生故障时。在切除了故障运行设备后,应尽快地恢复用户的供电,尽可能减少停电面积。这样可以大大减少由于停电所造成的对社会的影响和经济上的损失。因此按侧重面不同,配电网重构可以分为优化重构和故障后重构。配电网通常闭环结构,开环运行。在正常运行情况下根据不同的负荷情况,改变这些开关的开,合状态来改变网络拓扑,从而改变网络中的功率流,一方面可降低网损,提高系统经济性;另一方面可均衡负荷,消除过载.提高供电电压质量;在配电系统发生故障时,打开某些分段开关隔离故障,同时合上某些联络开关把故障线路上的部分或全部负荷转移到其他线路上。从而起到快速隔离故障和恢复供电的目的,以提高供电可靠性???传统的配电系统规划要求一年或一季度进行一次网络重构。然而。一方面由于负荷的动动化系统的建立和不断完善使实时配电网络重构成为可能。因此,配网重构对于提高运行的安全性、经济性、可靠性和供电质量.对于当前国内配电自动化系统的建设和应用具有重要的意义。近二十年来.电力工作者已经在配电网络重构方面??ㄍ?缬呕?毓购凸收匣指粗毓?作了大量的工作,提出了很多实用、有效的算法,尽管他们采用了不同的方法,借鉴了不同的理论.但在收敛性、寻优效果及运算速度上配电网网络重构仍存在一个寻找更为实用更为优化的综合解决的问题。因此.无论现在还是将来,配网重构作为配电管理系统???的重要组成部分都是值得深入研究的领域。配电网重构是近年来电力系统领域一个引人注目的研究方向。国外对于配电网重构的研究开展较早,最初主要针对城市电网。城市电网的特点是大量使用地下电缆,系统中配电变第一章绪论?
一次只开合一对开关的单环网优化问题,其数学模型可以归结为带有二次目标函数、??状压器存在哪条电缆供电最优的问题。在农村电网中主要使用架空线。最初系统足按照辐射形设计.后来为了提高供电可靠性,分段开关的数目不断增加.配网重构也就成为可能。配网重构的实质是在满足一定的约束条件下,通过改变网络中开关状态,优化配宅网的网络结构.从而改善配电系统的潮流分布,理想情况是达到最优潮流分布,使配电系统网损最小或其他指标最优。理论上,配电网络重构是一个多目标非线性优化问题,属于?难问题。由于在配电网中开关数目巨大,穷举搜索将面临“组合爆炸”的阔题【?。最优配电网络重构技术最早是由???和1
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配电网 监测
背景现状研究展望
配电网监测(1)配电网智能巡检配电网巡检工作就是为了能及时监测和掌握电力线路和电气设备的运行情况， 发现设备缺陷和设备隐患，提出具体的检修方案，以便及时消除缺陷，预防事故 发 生，或者尽可能将故障范围缩小，确保可靠供电和电力系统稳定，达到线路系统 “安 全、经济、多供、少损”的运行目标。以往的配电网系统巡视采用人工的方式， 如 手工
纸质记录法、打卡记录法等，效率低下、作业繁重【卜 4】 。配电网巡检能 否采取高 科技的手段，进行智能化改造，更好的完成线路巡检任务，同时提高工作效率， 节 约劳动成本、减轻劳动强度，提高配电线路及电气设备的管理水平，以及在减员 的 情况下也能很好的保障线路和设备运行的可靠性与安全性， 建立一个智能化的配 网 设备巡视系统就成为了一个必须解决的重要课题。 随着电力系统信息化技术的不 断 发展， 计算机和网络应用水平的不断提高，开展智能巡检工作逐渐变得更具有可 操 作性。10 千伏配电网智能巡检系统建设状况正是一项体现“智能电网”建设水 平的 重要指标。上世纪，美国、日本、德国等发达国家在电气自动化领域积累了较多的经验和 科技成果，占据着较为领先的主导优势。国外的电力设备巡检研究和实践，主要 巡检目标集中在变电站巡检，采用的巡检方式为较先进的视频监控巡检、智能 机器人巡检等方式， 采用的采集方式为高清图像识别、 机器人自动记录等方式， 采取的存储方式为将巡检结果存入大型网络数据库的方式。当时，由于受到卫 星定位技术、移动 PC 技术、无线网络技术、视频通讯技术等高科技技术瓶颈的 局限，国外鲜有对配电网线路和电气设备采取智能化巡检的例子。可以说，当 时在此方面的研究还处在止步不前的局面。近年来，随着 Pocket PC 技术和 GPs 技术的快速发展，高速智能移动终端设备 被广泛的引用到了电力建设、电网运行、配电网维护等各个领域，国外智能巡检 系统项目的开发多是基于 PDA，I 心 ID 定位技术，工作人员在电力线路和电气 设备巡视检查过程中使用这些技术，从而可以在较为复杂或是数量庞大的工作 环境下进行准确的数据采集，然后将获取的设备状况信息通过无线通讯(GPRS、 wIFI、3G 等)技术手段传给相应的运行管理部门，再将所采集的数据同步至数据 服务器进行存储、处理，最后再由服务器端的地理信息模块和管理信息模块进 行数字化分析，找出一定的客观规律，从而进一步改进巡检工作方式方法。此 类系统的开发与应用，一方面可以使巡检人员迅速掌握系统的操作，另一方面 微软等软件商对 Pocket PC 提供了强大、方便的开发工具‘5‘7】 ，极大地提高了巡视检查人员的工作效率和准确性， 建立了完善的设备管理和缺陷处理流程， 从而大大提高配电线路和设备运行的可靠性、降低了维护成本。采用移动手持 终端设备进行数据采集的人工巡检方式是今后一个时期配电网智能巡检工作研 究和实践的一个趋势，也是国内电力企业开展智能线路巡检工作最值得借鉴之 处，这种具有高度的灵敏度、适应性和开放式的巡检模式，可以保证高质高效 的巡检结果。1．2．2 国内研究状况及发展趋势 在国内，目前普遍采用两种主要巡线方式：一种是人工巡检方式；另一种是采用 读取信息钮的方式。 一般来说， 在国内大部分供电局通常采用的方式还是前者， 由每周由生技部门组织召开每周工作会议，布置全分局范围内的一周总体巡检 工作计划，会后各运行、检修班组通过每日早上的班前碰头会，将巡检任务再落实到各班的工作人员开展日常巡检工作，一线班组人员日常巡检的主要流程 有领取任务、携带记录本、现场巡检、纸质记录、现场电话报修(紧急故障)、巡 检结束报告(安全隐患)等。 人工巡检方式存在着从事巡检工作的班组人员知识储 备不一、经验能力不齐、责任心不同、参考标准不一、工作量不同等问题；同 时，纸质巡检报告数量较大，一定程度存在着人工分类整理耗时较长，数据真 实性有待考察，为消缺提供依据不够充分等缺点。近年来，一方面国内 DMS、GIS 技术水平不断发展与成熟，另一方面移动终端 设备(PDA)、GPS 设备的不断引进，移动终端设备深入到生活的各方面，为我们 的生活带来无穷便利【8'9】 ，同时也使得移动手持设备向行业应用开拓的步伐不 断加快，信息采集、信息处理和数据通信一体化现场办公成为流行【lo’n】 。 于是我们看到了开发与应用配电网智能巡检系统的“曙光” 【12】 。浙江是全国 最早开展配网自动化建设的省份之一，到目前为止已经有 lO 多年的建设经验。 目前在国内其它地区也有配电网智能巡检系统建设的经验，大家更多的还是关 注配网自动化系统本身， 对管理方面作用要求较低。浙江省配网建设工作通过多 年的实践，已经由原来的以自动化为主逐渐升级成了提升管理为主、实用化为 主的建设模式。配电网智能巡检系统开发和应用过程，也完成了杭州市电力局 配电网自动化管理的升级，目前杭州该系统已经成为日常配电网巡检工作的管 理平台，已经基本达到了实用化，发挥了较大的社会效益和经济效益。6．2 下阶段研究方向 10 千伏配电网智能巡检系统虽然在开发和应用上取得了一定的成果，但研究和实践的还将继续。下阶段，主要在以下三方面进行进一步深入的研究： 6．2．1 开发和应用巡检车辆 GPS 定位模块 巡检车辆 GPS 实时定位和轨迹查询是一项实用的功能，目前该模块尚未进行开 发，需加大投入、加快研发此模块。通过该模块的应用，将进一步促进整个巡检 系 统的运行更为合理化和智能化。 巡检计划制定人员可以更为科学的安排每日的巡 检 计划，计算出最短的巡检路线，节约巡检人力和时间。同时，在巡检过程中，运 管 中心的调度人员还可以根据车辆运行轨迹，下达突发任务的查勘工作，安排事故 点 最近的巡检车辆在最短的实践里赶赴现场，进行踏勘调处。6．2．2 开发和应用 配电网远程视频监控模块 随着当前视频技术和无线网络技术的高速发展，以及视频采集设备的成本大大 降低， 配电网远程视频监控功能的实现变成了可能。 远程视频监控是一项新技术， 应尽量的加快该模块的开发和应用。通过该模块的应用，部分 10 千伏配电网线 路 和设备就可以实现远程巡检， 可以大大降低巡检工作的压力，大大减少巡检人工 开 支成本。同时，该功能还有助于打击盗窃电力设施犯罪，对盗窃电力设施作案人 员 予以震慑作用，并且可以保存犯罪记录。 6．2．3 加强与新的配电网自动化管理系统数据源融合 目前，市局层面还在开发和应用负控系统、TTu 系统等实时数据采集系统，数 据的来源不仅限于 FTU、DTU。因此，在配电网智能巡检系统今后的开发和应用 上， 还应考虑到多数据源的融合，为新的系统融入只能巡检系统，提供通用的接口， 从 而确保配电网智能巡检系统在新的领域，发挥更大的作用。
(2)农村配电网监测1．1 课题背景及研究的目的和意义 农村配电网作为电网的重要组成部分，目前已覆盖了全国 95％以上的人 口，在电网企业中占有相当的比例和十分重要的位置，是企业经济效益、社会 效益、政治效益的集中体现。因此，加快推进坚强智能化的农村配电网建设是 电网发展和公司自身发展的需要，也是社会和政治的需要。 但是，由于受投资体制、管理体制，农村配电网的发展缓慢，技术装备落 后，供电能力不强，在一定程度上制约着县域经济发展。主要表现在： 一是总体投入不足，供电能力不强。由于历史欠账多，发展速度、发展质 量与城网和主网相比还有较大差距，网架薄弱，电源点少，电网互带能力差， 装备技术水平较低；农村配电网点多面广，设备陈旧老化，健康水平低，抵御 自然灾害能力较差，设备故障率高；供电半径大，设备“卡脖子”问题普遍存 在，供电质量差、线路损耗高，可靠性和电压合格率低；农村用电需求侧管理 不到位，人均用电量不足城市人均 1／3，随着“新农村”建设、扩大内需和家 电下乡等一系列惠民政策的实施，供需矛盾逾显突出。但随着第二轮的大规模 农村配电网升级改造工程的实施，这一矛盾将会得到彻底解决【lJ。二是农村配 电网设备运行管理水平不高，现有电网资源和管理资源没有发 挥最大化效益。农村配电网点多面广，技术装备水平和管理方法落后，目前仍 停留在传统的粗放式管理的水平，精益化管理水平不高，信息化建设相对滞 后，在输配电设备在线运行监控方面，仍停留在对变电站主设备的监控层面， 各级农电管理人员对配电变压器的电压、电流、有功、无功、电压越限、过负 荷、三相不平衡等运行信息难以实时掌握。?同时电压合格率、负载率、供电可靠率、线损率等指标无法及时计算和分析，制约了农村配电网运行管理水平 的有效提高。而大量的输配电线路，尤其是配电变压器运行监控缺乏有效的解 决办法；再加上长期以来，电网企业的调度、配电、营销等专业之间专业壁垒 较为严重，各专业现有信息化平台孤岛运行，一体化信息平台的建设和应用滞 后，不能实现信息资源共享，造成大量信息资源的浪费，不能有效提高运行管 理水平、管理效率较低。随着农村配电网规模的逐步扩大、电网结构的日益复 杂，以及全社会对电网企业的供电服务提出越来越高的要求，这一矛盾愈显突 出。为此，在加快农村配电网升级改造的同时，大力提高电网运行管理水平和管 理新型农村配电网的能力，充分发挥现有电网的能力，是目前国网山西省电 力公司的一项非常重要而十分迫切的任务。也是落实国家电网公司建设统一坚 强智能电网，加快建设新型农村配电网，着力提高农村配电网智能化水平，推 动农村配电网晋级发展的!必然要求。201 2 年，中低压电网在线监测与综合管理 平台在阳泉供电公司试点成 功，2013 年该系统的深化应用“农村配电网运行监控系统”在全省进一步推广 应用，实现了全省所属 11 个地市共 6 万余台农村公用配变和近 10 万台客户配 变运行信息在线集中监测，使各级管理人员可以及时准确地掌握农网设备的过 载【2】 、低电压、电能损耗等状况，使山西省农村配电网设备运行管理水平迈上 新的台阶。国网山西省电力公司以强化农电“四率”(供电可靠率、电压合格 率、负载率、线损率)管理为目标，本系统以电力用户用电信息采集系统、营 销业务应用系统、变电站电能量采集等系统数据为支撑计算“四率”指标，应 用全省统一的信息平台，实现农村配电网线路、配变及客户设备在线监测和智 能统计分析，可准确反映农村配电线路和配电变压器的运行信息及电压越限、 过负荷、三相不平衡、电能损耗等异常信息，为农村配电网设备的故障预警、 运 行 分 析 、 大 修 、 技 改 决 策 提 供 了 技 术 支 撑 。山西省智能电网的发展方向以长治潞城具有代表性。在国网电科院支持 下，审定了《潞城智能电网建设实施方案》 ，一期投资 2968 万元以建设配调一 体化主站及以智能 FTU 和环网柜为代表的线路智能化改造。但目前一期仍处 于施工前期准备阶段。二期目标是：围绕以建设“营配合一&运营模式的、具 有信息化、自动化、互动化特征的高可靠性的坚强智能配电网的总体目标，结 合我省配网实际情况，稳妥、有序地推进智能化建设，构筑以省级地理信息系 统(GIS)和生产管理系统(SGl86)为基础平台 pj，以配电调度控制系统、配 电自动化系统及配电设备状态监控系统为数据平台，以配电网信息化系统、配 网检修中心、配电网安全预警中心为应用平台，并与智能变电、智能用电模块 建立起实时数据交互联系，实现数据共享和控制匹配，组建成涵盖上一级高压 电网、 配电网和用户界面的高度集成的智能指挥和控制系统，提升驾驭配电网能 力，实现规范化、精益化生产管理。潞城智能电网全部投入运行后，将有效 提高城网互供互备能力和供电灵活性，一旦整条线路发生故障，会在短时间内 自动把故障点隔离，并迅速恢复其他用户供电，从而大幅度提高电网设备的利 用效率，最大限度降低设备维护成本，有效避免大面积、长时间停电现象发 生。潞城农网智能化试点建设对地区农网发展模式进行了有益探索，有效促进 了企业发展和供电水平的提高，为农网智能化成果的推广奠定了基础。(1)山东维纺供电公司高密公司： 在农村配线路运行监测方面，推广应用线路自动无功补偿装置，在 6 条路 径长、 负荷大的 1 O 千伏线路上加装箱式一体化自动无功补偿装置， 可根据时间、 电压、无功功率、功率因数自动进行投切，达到设备管理和数据统计分析等功 能，实现无功就地平衡。在线路故障监测方面开发应用的配电线路故障在线智 能检测系统，在 40 条配电线路上安装了故障指示器【4】 。 在客户服务方面，以 95598 客户服务系统为基础，整合应用了 GPS 卫星定 位现场服务系统、客户配电运行监控系统、四到户配电室故障报警系统、视频 监控系统、GIS 地理信息系统和营销 MIS 系统等 6 个子系统。建立贯穿生产、 营销的一体化客户服务体系。体现了农村配电网管理多系统合一的思想。 (2)青岛供电公司 在农村配电网线路管理方面：通信方式先进，光纤到表箱，覆盖率达到 30％ 以上。lOKv 公用线路的用户线路分支上基本都研究应用了故障指示器、配电 网故障段指示器、与分段配电柱上负荷开关将用户线路及用户设备的各类故障 明确的指示出来，查线就是查重要监测点，效率高。存在的问题是所有的故障 指 示 器 都 不 带 远 传 功 能 ， 故 障 后 必 须 到 现 场 查 看 。1．2．3 国内农村配电网运行状态监测与管理技术现状总结比较 从我们对国内农村配电网运行状态监测与管理技术查新情况分析看：针对 农村配电网的维护管理，尚未从不同层面的需求形成集设备在线监测、运行指 标分析、告警信息展示、多系统集成等功能于一体的综合信息管理平台，难以 满足管理决策、运行监控不同层面人员的应用需求。 近年来在电力系统中研究农村配电网管理系统的文章层出不穷，但综合阐 述国内外农村配电网技术发展的文章并不多见。为了使更多农村配电网的研究 人员了解当下农村配电网发展现状，便于对农村配电网有更深层次的研究，本 ，近年来，我国投入大量资金对农村配电网进行改造和建设，极大程度上改 善了农村供电水平和质量，农网的经济技术指标以及供电可靠性也有显著提高， 但是和工业强国相比还有较大差距。随着国民经济进～步地飞速发展，有关农 村配电网的以下研究问题也越来越广泛和深入。 (1)农村配电网规划 农村配电网规划通常是指在满足预期负荷增长的情况下，实现对配电变压 器的建设时问、地点、容量以及馈线段的路径和尺寸等变量的最优选择，同时 考虑电压降落约束、容量约束和网架结构约束等限制。 众多学者在研究提高优化电网质量的有效途径，通过集成各种管理系统来 弥补各自的弱点，如将地理信息系统(geographic infomation system，GIS)和遗 传算法(genetic algorithm，GA)相结合【10J、将 GIS 和禁忌搜索算法相结合并将 其 应用到农村配电网规划中，有效避免了传统方法中中终止条件难以确定、易陷 入局部最优等问题，高效地保证了优化质量。 (2)农村配电网可靠性评估 电力系统可靠性又可分为发电系统可靠性、发输电系统可靠性、输电系统 可靠性、配电系统可靠性和发电厂变电所电气主接线可靠性。配电系统通常包 括配电变电站、一次配电线路(馈电线路)、配电变压器、二次配电线路继电保 护设施等，是连接发、输电系统与用户的重要环节。据不完全统计，用户停电 故障中 80％以上是由配电系统故障引起的，它对用户供电可靠性的影响也最大。 如今农村配电网可靠性评估日益重要，如何将定量和定性相结合，解析法 和模拟法相结合，发挥各自的优势构成“综合法’ ’有可能成为今后配电网可靠 性评估的重点发展方向。 国内一些地区已提出基于各种神经网络的电网可靠性评估模型，他们的基 本思想是把神经网络应用于故障筛选过程。但利用神经网络进行故障筛选过程存在算法复杂耗时更长的弊端。 【9】一些神经网络在削减负荷策略时采用就近先 削的原则也与实际情况不符。(3)农村配电网的综合评估 农村配电网综合评估体系的研究是提高配电网建设、改造及管理现代化科 学化水平，深化电网改造工作的一个重要环节。农村配电网综合评估是以网络 综合费用最小为目标函数，相关的评估指标为：电网的安全性、电网可靠性、 电网损耗等。(4)农村配网自动化 随着计算机及通信技术的发展，电力系统自动化技术发生了深刻的变化， 正逐步地从局部的、单一功能的自动化，向整体系统综合自动化发展，并且从 输电网自动化向配电网自动化延伸。配电网自动化(DA，Distribution Automation)【14J，是利用现代计算机及通信技术，将配电网的实时运行、电网 结 构、设备、用户以及地理图形等信息进行集成，构成完整的自动化系统，实现 配电网运行监控及管理的自动化、信息化。近年来，配电网自动化已成为电力 自动化技术的一个热点，引起了科研、制造单位的广泛注意和重视。 配电网自动化功能可分为两方面的内容：把配电网实时监控、自动故障隔 离及恢复供电、自动读表等功能，称为配电网运行自动化：而把离线的或实时性 不强的设备管理、停电管理、用电管理等功能，称为配电网管理自动化。其主 要目标是提高供电可靠性、改善电能质量和提高运行管理水平及经济效益。 在我国，从 1998 年开始每年新建配网自动化系统的城市有 10 个以上，到 目前已有上百个城市进行了配网自动化系统建设或试点，相关标准、规范的制 定工作也取得了进展，这些都推进了配网自动化工作的进展。但是我国目前实 现农村配电网自动化系统仍然不多，并大多存在着一些问题，有待进一步完善 或提高： 我国农村配电网具有分布广泛，规模庞大，所以农村配电网自动化系统的 站端设备数量非常多，这样就大大增加了通信系统的建设复杂性，从目前成熟 的通信手段看，没有一种方式能够单独满足要求，因此往往综合采用多种通信 方式，并且通常采取多层集结的方式来减少通道数量和充分发挥高速信道的能 力，这样就更增加了通信系统的难度【1 21。 同时由于传送信息量相对较小、实时性要求相对较低等特点。光缆通信可 靠性、带宽、通信速率等均是最理想的，但成本高，不可能在配网系统大面积 使用。电力线载波(PLC)是利用中、低压配电线作为信道传输数据信号，故不需 要新建通信网络，是一种价廉方便的通信方式。但该方式存在传输衰减大、噪 声电平高、耦合阻抗随时会有不可预测的变化等缺点。 小电流接地系统单相接地故障时故障点的判断与处理，我国农村配电网基 本上采用小电流接地方式，而在农村配电网故障中约 80％属于单相接地故障。 农村配电网管理研究中处理线路故障是一项非常重要的功能，对单相接地故障 选线及处理也已经历了 20 余年的研究，但仍没有很完善的解决办法，主要问题 是故障线路及故障点的判断。 农村配网发展的经济问题与数字化配电变压器的建设将成为新的发展方 向。我国目前农村配电网的现状仍十分落后，在电力市场环境下，供电可靠性 和电能质量两个指标是和经济效益密切相关的。因此供电可靠性与农村配电网 的发展及成本之间必然存在紧密的联系，供电可靠性和与停电成本之间的经济 相关性是‘个值得深入研究的问题。 (5)农村配电网重构农村配电网络重构是降低配电网线损的有效途径，通过网络重构还可以均 衡负荷、消除过载、提高供电电压质量。经过许多学者多年的研究，目前农村 配电网络重构的目标一般为降低配电网线损、均衡负荷、提高供电可靠性、提 高供电电压质量、提高电压稳定性。为了保证得出最优的农村配电网络结构， 人们尝试了用不同的方法来解决配电网重构的问题。其中，对以网损最小为目 标函数的配电网络重构研究最多，产生了许多相应的算法。 随着现代科学技术的发展，越来越多精密用电设备在生产生活中得到了应 用。一方面，这些设备对供电的可靠性和供电质量的要求越来越高，几十甚至 几个毫秒的电压跌落就会对设备运行造成影响；另一方面，一些新型设备所采 用 的大量高新技术特别是电力电子技术的广泛应用，使得这些负荷在用电中表现 出非线性、冲击性等特征，并可能对电网产生谐波污染，引起供电电网波形畸 变、三相不平衡、电压波动等问题，使得配电系统的供电质量恶化，造成对电 能质量的严重影响。克服传统的提高供电可靠性和电能质量的方法存在的缺点， 寻找投资更少、效果更好、能耗更低的办法一直是电力部门努力的目标。 美国电力研究院(E1ectric Power Research Institute 简称 EPRI)【16】于 1988 年 首先提出了定制电力技术(custom Power，又称用户电力技术)的概念，即将采 用电力电子技术的静止型调节装置用于配电系统(1～35 kV)，以向用户提供增 值 的、达到用户所需可靠性水平和电能质量水平的电力。 分布式发电(Distributed Generation―DG) 【23 J 的发展将对传统的电力系统带 来 较大的影响，引起电力技术的显著进步为了利用分散能源和提高供电可靠性， 各种分布式电源将在配电系统中得到越来越广泛的应用。 在美国，正在研究开发方便用户就近利用分布式电源的多种新型技术，例 如：1)分布式电源的成批控制技术(群控技术)，在负荷高峰时向电网供电的调 峰技术； 2)根据用户的要求按需供电的多品质供电系统； 3)区域电力网络系统。 将 分布式电源、贮电装置和电力设备组合起来，根据区域用的要求提供更加灵活 有效的供电服务。由于农村配电系统直接影响电力用户，它在电力系统中的重 要性不言而喻， 如何解决好我国农村配电网目前所存在的各类问题直接影响到我国电力事业的 发展前景及人民生活水平的提高。 只有在新技术、 新形势下传承经典开拓创新， 我国农村配电网的发展才大有可为。(3)配电变压器监测电力系统是一个庞大、 复杂而又十分重要的系统，它关系到国民经济和人民日常 生活的各个方面。因此，电力系统提供优质、持续的电力供应是十分重要的。随 着国 民经济的不断发展， 配电网的规模也逐步得到了发展，人们对供电质量提出了越 来越 高的要求。 减少停电范围， 建设一个配电自动化系统成了当前城市电网改造和建 设的 重要任务。 配电自动化，简称 DA（Distribution Automation）是综合应用了现代电子技术、 通信技术、计算机技术、网络技术和图形技术，将正常和事故情况下的配电系统 的监 测、保护、控制和供电企业的工作管理有机融合在一起的综合性先进技术。实现 配电 自动化可使供电企业和用户双方均受益， 主要表现在： （1） 提高供电可靠性； （2） 提 高供电质量，特别是电压合格率； （3）提高供电经济性，包括降低经常性的运行 维护 成本和推迟扩容投资两个方面； （4）提高为用户服务水平和用户的满意程度，改 善供 电企业形象； （5）提高供电企业的管理水平和劳动生产率。配电自动化是城市电 网建 设和改造的重要组成部分，也是城市电网现代化的重要标志之一。讨论低压配电网的监测， 首先应说一说它在配电自动化中所处的地位。现在人们 说起配电自动化，马上会联想到 SCADA、AM/FM/GIS、RTU 等这些系统中的显要 部分。 然而， 低压配电网的监测同样也是配电自动化中不可缺少的组成部分，担负着很 重要 的角色。在如下几个方面起到作用： （1）加强对现有配电网运行工况的了解，为 提高 管理水平提供数据。低压配电网的一个特点是，节点量大，负荷种类繁多、特性 不一， 变化频繁。过去，由于没有对低压配电网进行有效地监视，只凭经验大概估计其 运行 情况， 或用人工的方法进行短时测量， 安全性和可信度都很低， 当负荷发生变动， 很 难及时得到信息。 这对管理和安全是十分不利的。所以用自动化的监测装置对其 进行 监测是必不可少的。 （2 ） 提高供电质量、 供电可靠性、 减少线损。 由于上述原因， 供 电线损、电压质量、供电可靠性等指标一直难于控制。供电部门在经济和声誉上 都受 到了很大的损失，用户也付出了很大的代价。通过对配电网实时监测，可获得第 一手 数据，因地制宜，指导现场调整，提高供电质量。更可通过现场自动控制，使低 压配网直接受益，如就地无功补偿，可提高功率因数，有效降低线损。从满足社会的 需要、 适应市场经济发展这一角度来讲，配网自动化也是势在必行的。 （3）及时发现隐 患， 保障设备安全。现在，供电部门每年都要花费大量的人力、物力进行配电设备的 维护， 但仍有事故经常发生。 在这些事故当中有许多是运行中出现的问题，如三相严重 不平 衡烧毁中线、变压器过载受损等，都是需要在运行中连续监测才能提早发现。可 见， 保障设备安全，也是自动监测的重要内容之一。 （4）为城网改造方案的制定提供 科学、 可靠的依据。社会在发展，城市在扩大，用电量大幅度增加，旧的供电网络已难 负重任，各地都在搞城网改造。在制定方案过程中，基础数据的完整和可靠是相 当重要的。 数据需要不断积累，才能总结、分析。加强配电网的监测，为规划提供可靠的数 据， 对城市的规划、改造是很有益处的。总之，搞好配电自动化，不能仅从局部的角 度来 看， 应立足于全局来考虑， 才能充分发挥各个部分的作用， 提高运行和管理水平。1．1 配变监测概述 配电变压器是将电能直接分配给低压用户的电力设备， 其运行数据是整个配电网 的基础数据。配变监测系统通过对配电变压器的各种运行数据的采集、计算、分 析， 实现远程计量抄表、线损分析、电能质量监测、设备运行监测、线路电量平衡分 析、 配变用电质量分析、 用电异常报警、 负荷预测管理、 故障诊断、 考核稽查等功能， 是 电力配电自动化系统中的重要组成部分。 配变监测系统能够全面提高配电系统的 服务 质量， 提高系统运行的经济性和供电企业的管理水平，从而确保设备的安全运行 产生 良 好 的 经 济 效 益 和 社 会 效 益 【 ¨ 。1．1．1 配变监测终端的定义及作用 配电变压器监测终端是配电终端的重要组成部分，它安装在配电变压器的二次 侧， 位于配电自动化系统的底层， 主要是对配电变压器的运行状态进行实时监测。 它 采集配电变压器的电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、频率、谐波等 数据， 并与远程配变监测中心站的监控微机配合，构成配电自动化系统，为电力部门的 专业 分析，如负荷预测、线损分析、故障判断、经济运行等提供数据参考，进而从技 术上 和管理上提高了电网运行的经济性和安全性，实现良好的经济效益和社会效益 [21。由 于电力系统的市场化， 用电质量将会直接影响电能价格，对用电质量的监控作用 会越 来越重要，因此配变监测终端在配电网系统中地位因此也会越来越重要。1．1．2 配变监测终端的发展现状 配电网监测在发达国家开始较早， 大约从 20 世纪 70 年代就开始了配电网自动监 测的试点工作。国内配电自动化起步于 20 世纪 90 年代，较国外发达国家滞后 20 年。 由于近年来计算机技术、通信技术的发展，配电网综合自动化成为必然趋势，国内许 多厂家和研究单位纷纷研制和开发各种类型的配电监测装置， 以满足电力事业飞 速 发早期的配电变压器监测， 由于采用功能单一的仪表或控制装置，存在着监控装置 体积大、功能少、所测参数不全、数据统计分析不便、数据存储繁琐以及可靠性 差等 诸多问题。近年来，随着计算机技术的不断发展与渗透，电力系统自动化程度不 断提 高， 对配电变压器参数的测量、 数据处理和数据传送的方式也提出了更高的要求。 计算机和微电子技术的发展，促进了配电网自动化系统的实施及监测装置的研 制。尤其是微处理器芯片从 8 位发展到 16 位、32 位，处理速度与集成度越来越 高， 性能指标更为先进，为装置的设计提供了强大的技术支持。过去的保护、测量和 监控 方式已不能完全满足电网自动化的需要，新一代智能监控单元是集保护、测量、 控制、 通 信 等 多 种 功 能 于 一 体 的 综 合 化 智 能 装 置 【 3 】。在通信方面，传统的配电监控系统采用的通信方式有公用电话交换网，无线数 传电台和光纤等方式。 公用电话交换网相当普及，有人工作和居住的地方就有公 用电 话交换网， 公用电话交换网不仅可以用于通话还可以用于数据传输，但带来的问 题是 拨号冗余时间太长， 而且链路不便于维护。无线数传电台适用于通讯点分散的数 据监 控， 恰好适用于配变监控， 但初次开通需要向当地的无线电管理委员会交纳一定 费用， 每年再交一定的频率占用费，组网费用高；通讯距离有一定的限制 (平原地带最 远为 50km)，且受建筑物、山体的影响较大；需要专业人员维护管理，建设、维护费 用很 高。从现场运行情况来看，利用光纤通信数据比较稳定，抗干扰能力强。这种方 式在 初期投资时较大，光纤通信设备成本非常高，工程实施难度大。随着 GPRS 网络 的成 熟， GPRS 应用领域的推广， 国内已有许多城市供电局将 GPRS 无线通信技术应用 在 配变监测系统中。经试运行其可靠性、适用性、安全性能够满足配电网信息传输 和远 方控制的应用，取得了良好的经济效益【4】[sl。 可以预见， 随着电子技术和通信技术的高速发展，未来配电监测终端将进一步向 功能完善化、技术智能化、通信集成化、结构模块化、体积小型化的方向发展。1．2 远程监控系统发展现状 计算机监控系统是以监测控制计算机为主体，加上检测装置、执行机构与被监测 控制的对象(生产过程)共同构成的整体。在该系统中，计算机实现了生产过程的 检 测 、监督和控制功能。在现代企业的生产和管理中，大量的物理量、环境参数、工艺 数据、 特性参数需要进行实时检测、监督管理和自动控制。 一般情况下， 计算机监控系统都是在生产现场或附近进行管理的，这样便于生产 技术人员及时到达现场指导生产， 在发生故障时能够尽快解决问题以便恢复生产。 但 是如果生产或采集现场地理位置比较偏僻、 气候和其它一些条件比较恶劣时就无 法在 生产现场或数据采集现场建立计算机监控系统，这时就需要建立远程监控系统。 另外， 对于有许多地理位置分散的分厂或者分部的企业集团， 总公司为了能够统一和全 面管 理各个分厂的生产，也需要建立一个计算机远程监控系统【6】川。传统远程监控系统的实现方式有以下几种：铺设光纤或电缆，数传电台，租用运 营商专用线路等。 这些监控系统己大量应用于工业企业管理系统，但它们有许多 缺陷。 有线方式受布线局限较大， 增加或减少一个被监控对象都不太容易。后两种方式 需要 自己建设或租用运营商专线， 维护和建设费用比较高。传统监控手段的监控者和 被监 控对象都是固定的，任何一端都无法随意移动。传统监控手段针对偏僻、偏远地 域监 控无法很容易的实现。 针对机动性较强场合的监控，传统监控手段布局的成本较 高嗍。 随着移动通信技术的快速发展，移动数据通信已经成熟并得到了广泛的应用。 GSM 数据业务功能的开发应用取得了长足的进展，先后开发出了 SMS(短消息业 务)、 CSD(电路交换数据业务 )、GPRs(通用分组无线业务)等移动数据业务功能【 91。将移动数据通信引入到远程监控系统中，可以充分利用现有的 GSM 网络资源， 达到节省投资、可靠性高、组网方便的目的。在布线难度大、布线成本过高或无 人值 守的远程数据监测网络中， 采用移动通信技术是一种实用、有效的数据通信方式 【埘。 远程监控系统应用广泛， 遍及国民经济的众多领域，典型应用概括为以下几个方 面： (1)电力，煤气／天然气，石油等能源系统设备以及网络的远程监测 (2)车辆状态远程监测 (3)自动化工厂，生产过程，机器和设备的远程监测 (4)核设施、危险品监测，环境监测 (5)通风设备，制冷设备等的远程监测 (6)水库大坝、水闸、供水系统的远程监测 (7) 各 种 信 息 查 询 系 统1．3 研究的目的和意义 目前国内已有许多科研单位和厂家推出了配电变压器监测设备， 这些产品较多使 用外围扩展模块使得成本变高。 本课题研发了以 MSP430F149 单片机为核心的配 电变 压器监测终端，充分利用它的片内资源，具有低成本和多功能特点。 配电变压器具有量多面广的特点，如何将分散的配电变压器的运行数据实时、 可靠、便捷的传输是一个关键的技术问题。基于通用分组无线业务的 GPRS 无线 数据 传输方式是目前十分适合远程监控的一种通讯方式， 具有运行成本低、 实时性好、 可 靠性高、 不受地域限制等优点。 最重要的是 GPRS 网络是由移动运营商投资系统， 可 以节省巨额的远程监控网络建设费用，达到环保、节能、资源最大共享的目的， 而且 免除了网络的日常修改和维护，最大限度地节省了投资。因此利用 GPRS 无线通 信网 络实现配变的远程实时监测，可使配电监测系统建设及维护成本大大降低。 GPRS 无线通信网络在配变监测中的应用，为提高配电管理和需求侧管理的自动 化水平提供了有力的技术手段，因此具有广阔的应用前景。7．2 展望 基于 GPRS 的配电变压器远程监测系统的性能还有待于进一步提高和完善，还有 很多工作要做。就本系统而言，需要进一步完善的工作如下： (1)对系统功能进行扩展。增加开关量采集检测，并向监测中心传送；监测中心 可在 远方控制监测终端的开关量输出的开闭，在变压器二次侧对无功进行补偿，准确 把握 好电容器的投切时间。 (2)增加误差补偿的算法。在实际设计中会引入各种误差，包括电压、电流互感 器的 线性度误差，运放等硬件电路引入的误差，还包括同步采样误差、相位偏移等误 差。 可以增加各种误差补偿的算法，以及更为优化的算法来减少误差。 近年来新型高性能单片机不断推出，尤其是高速数字处理芯片 DSP 或嵌入式逻 辑系统 ARM 器件在工控领域的应用不断推广， 配电监测终端的设计会不断发展， 功 能也会不断地完善和改进，比如在运算速度方面会更快，实时性会做得更好。 随着无线通信系统进一步发展，采用更为先进和完善的 3G 网络进行数据传输是 将来的发展方向。 可以预见， 无线通信数据传输在远程监控中的应用将会发挥更 大的 作 用 。(4)配电网电能自动采集 电能量的自动采集也是配电自动化系统中一个重要组成部分。 配电网络自动化系 统面对的主要是广大的中、低压电力用户，以及大量的工业和商业用户。这些用 户的 特点是量多、面广，具有分散性。因此对其管理比较复杂。在配电网络中，对电 力低 压客户、 工业和商业用户所消耗的电能进行计量是配电自动化中一个十分重要的 方面。 多年来， 电能表的自动化抄表问题一直是许多人的梦想，因此解决这一问题的办 法― 低压自动抄表系统应运而生。 电力用户抄表自动化是配电自动化的一个基本功能， 是 用电企业管理自动化的一个重要手段和组成部分。 利用远方自动抄录的实时电量， 不仅可以合理地解决用户当月电费分期划拨的估 算问题， 还可以减少供电和用电双方在划拨电费数额上的纠纷，使用户电费划拨 与实 用一致，提高电费回收率和资金周转率。另外，通过系统查询功能，可及时发现 并处 理在线电能表的表计故障， 减少表计故障后带来隐性经济损失，这对双方来说都 是赢 利的事。 随着电力市场研究的深入，我国电能的生产、供应、消费也将逐步走向市场，由 市场的机制来运行现有的电力系统。在这当中，电能的价格是体现电力市场的一 个最 主要的标志，在引入竞争的基础上，将不再是一个电力企业的垄断价格。按照目 前的 发展方向，对于用户的电能价格问题，将采用“分时付费”的机制，用户在不同 时间 段里使用的电能价格是不相同的。这就给电力企业电能收费提出了更高的要求。 只有 进行精确的不同时间段的收费， 才能真正的将电力市场中的价格机制引入电力系 统中。1.2 国内外发展现状 在国内外电力系统近几十年的自动化发展过程中， 一般多注重于高压输电系统自 动化程度的发展， 包括对高压电力变压器和输电线路的自动保护和故障自动定位 等。 国外对于高压线路和大型变电站的检修由计划检修方式逐步向状态检修方式过 渡【1，2， 3】 ，设备的在线监测技术已经运用于实际生产中，如大型变电站的故障监测、变电 站 绝缘子的在线监测等技术 【4 ， 5， 6】 .而低压配电变压器由于数量众多、 容量小、 保护配置 简单、配电变压器的布局较分散等情况，故障的发现等完全依靠人来完成，这就 造成 在低压配电系统中，自动化程度很低。国家和企业投资、管理的重点绝大多数放 在发、 输电上，对配电相对较少顾及。据统计，我国发电与配电的投资比接近十比一， 远低 于发达国家十比六或十比七的比例。改革开放以来，由于国民经济的迅速发展， 用电 总量及负荷密度均成倍增长。经过多年的努力，严重缺电的局面已经缓解。但从 最终 用户的实际感受上来说， 供电可靠性及供电质量还并非尽如人意；对供电企业来 说，存在着电力损耗大、运行成本高、现场情况难以掌握控制等问题。解决电力供应 问题的关键，现在已落到了配电网的改造上了。在城市配电网改造工作中，除了 大量一次 设备的更新、投入外，配电自动化手段的广泛使用也是很重要的一个方面，对电 能质 量的提高、经济效益的增加都有极其重要的作用。目前，我国也在研究在电力系 统生 产和运行中进行状态检修的可行性。我们有理由相信，随着国家对供电质量和供 电可 靠性要求的不断提高， 采用低压配电变压器故障自动监测与自动抄表系统将极大 的提 高低压配电网的自动化程度， 提高低压配电系统的供电质量和供电可靠性 【 7， 8】 。 随着我国经济的高速发展， 电力工业得到了迅猛发展，电网的负荷结构越来越复 杂， 对配网调度自动化和管理自动化提出了新的要求。提高供电质量和供电可靠 性， 实施高效准确的抄收系统已是势在必行。由于电能无法大量存储，其生产、传输 和使 用必须在同一时间内进行。因此，电力行业要实现电力计量、负荷控制、继电保 护、 电力调度、 故障监测和故障隔离等综合功能的智能化是电力行业发展的迫切需要， 要 实现这一系列功能只有采用计算机技术及相关的最新技术。 而电能计量管理系统 是其 它现代化系统实现的基础。目前在美国、日本已经实行。但是由于电网不同、国 情不 同，美国、日本的先进技术无法在我国电网采用，国内也还没有成熟的技术提供 电力 部门使用。为此，电力部门提出“两网改造”和“城镇一户一表”工程的任务。 这为 我国实现低压电网的管理现代化提供了广阔的空间， 许多科研部门和企业开始在 这方 面做出努力【9】 。从 20 世纪 60 年代，人们开始把信息技术引进电力系统，从而出现了自动抄表 的 概念。 自动抄表是指采用通讯和计算机网络等技术自动读取和处理表计数据，是 一项 集计算机、 数字通讯等多种技术于一体的高新技术，它是一项较为复杂的系统工 程。 发展电能自动抄表技术是提高用电管理水平的需要， 也是网络和计算机技术迅速 发展 的必然。 自从出现自动抄表的概念后， 一些发达国家就开始着手研究低压电力用户的自动 抄表系统。60―70 年代抄表装置获得了广泛的应用。抄表系统的发展与科学技 术的进 步是分不开的， 尤其是数学理论的发展以及新的电子器件问世和计算机技术的发 展。 随着集成电路的出现，并日益成熟，计算机家族中的单片机应用于抄表装置，一 种体 积小、功能齐全、价格低、可靠性高的抄表装置开始投入电网运行。我国现在电 能抄 表工作， 尤其是低压电力用户的电能抄表工作大部分地区还一直沿用人工作业方 式， 部分地区也采用了携带方便、 操作简单可靠的红外线抄表机来自动完成抄表工作。 但 由于众多人为因素， 极大地降低了抄表的准确性和及时性，营业站经常发生抄表 人员 抄表不到位、估抄、漏抄电表等问题，用户不满意的问题时有发生。这种落后的 作业 方式严重制约了供电企业进一步扩展电力用户市场， 因此必须依靠科技进步来改 变这 种 落 后 的 作 业 方 式 ， 提 高 用 电 管 理 水 平 和 工 作 效 率 。(5)配电线路故障定位1 绪论 1.1 选题背景与意义 电力系统由发电输电和配电三部分组成。 配电系统作为电力系统的最后一个环节 直接面向终端用户， 它的完善与否直接关系着广大用户的用电质量和可靠性，因 此在 电力系统中占有重要的地位[1,2] 。 电力系统中性点接地方式包括中性点有效接地和中性点非有效接地方式两种。 其 中中性点有效接地方式有中性点直接接地、 中性点经低阻接地方式和中性点经电 抗接地方式， 该接地方式的系统又称为大电流接地系统；中性点非有效接地方式有经 消弧 线圈接地， 包括谐振接地和中性点不接地方式和中性点经中高阻接地方式，该接 地方 式的系统又称为小电流接地系统[3] 。根据电压等级划分，我国的 10kV 配电网属于中压电网，大多采用中性点非有效 接地方式， 属于小电流接地系统， 其对应的单相接地故障又称为小电流接地故障。 当 线路发生单相瞬间接地时，可以自动熄弧；当发生单相永久接地故障时，负荷可 以不 用立即停电。按照电网规定，发生单相接地故障时，系统可以运行 1-2 小时，从 而保 证了供电可靠性[4] 。然而，在配网系统中单相接地故障占整个故障的 80%以上。10kV 配电网所处的地理环境复杂，配电线路分支较多，发生单相永久接地故障时，很 难确 定是哪一条线路发生了故障，因为故障点电流较小，捕获电流信号较弱，故障定 位困 难。另外，由于故障会引起其它相电压升高，给系统绝缘造成很大威胁，很有可 能由 单向接地发展成相间、两点和多点短路，扩大故障事故。因此，10kV 配电线路 单向 接地故障定位方法的研究， 对于保证供电可靠性和电力系统的稳定运行有着重要 的作 用。短路故障也是 10kV 线路出现的一种常见故障，对于如何检测出短路故障也 是本文研究的一个重点。1.2 故障类型 短路故障，是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地（中性线）之 间的连接。 产生短路故障的主要原因是电力设备绝缘损坏。引起绝缘损坏的原因 主要 有：各种形式的过电压（如雷击过电压或操作过电压）引起的绝缘子、绝缘套管 表面 闪络； 绝缘材料恶化等原因引起绝缘介质击穿；恶劣的自然条件及鸟兽跨接裸露 导体 造成短路；运行人员的误操作等等[5,6] 。 对于故障类型，主要包括以下三种： （1）单相接地短路故障 单相接地短路故障是线路中最常出现的故障，根据线路的故障统计，约占全部故 障的 80%以上。对于中性点直接接地系统，当发生单相接地时，要求迅速切除故 障点。 对于中性点不接地或中性点经消弧线圈接地的系统，发生单相接地时，允许短时 间带电运行，但是要求尽快找到接地点，将接地部分退出运行并进行处理。 （2）两相接地短路故障 两相接地短路一般不会超过全部故障机率的 10%。在中性点直接接地系统中， 这 种故障多在同一地点发生， 在中性点非直接接地系统中，常见情况是先发生一点 接地， 而后其他两相对地电压升高， 在绝缘薄处形成第二接地点，此两点多数不在同一 点。 （3）两相短路和三相短路故障 两相短路及三相短路相对较小，一般不超过全部故障机率的 5%，但这种故障比较严重，故障发生后要求更迅速的切除。短路故障主要分为三相短路、两相短路、单相接地短路及两相接地短路。其中三 相短路仍然对称，称为对称短路；其余三类称为不对称短路。短路对电力系统的 正常 运行和电气设备有很大的危害。主要表现在一下几个方面[7] ： 发生短路时，短路回路中的电流大大增加。例如在发电机发生短路时，流过定子 绕组的短路电流最大值可达到发电机额定电流的 10-15 倍。 过大的短路电流， 其 热效 应会引起导体或其绝缘的损坏；同时电动力效应也可能使导体变形或损坏。 短路引起电网中电压降低， 结果可能使部分用户的供电受到破坏，用户设备不能 正常工作。 例如系统中的主要负荷―异步电动机，其电磁转矩与电压的平方成正 比， 若电压下降，会导致电动机不能正常工作，甚至停机。 不对称短路所引起的不平衡电流，将产生不平衡磁通，会在邻近的平行通信线路 内感应到电动势，造成对通信系统的干扰，威胁人身和设备安全。 短路可能造成最严重的后果是破坏系统的稳定性。 由于短路引起系统中功率分布 的变化， 发电机输出功率与输入功率不平衡，可能会引起并列运行的发电机失去 同步， 使系统瓦解，造成大面积停电[8,9]。1.3 故障检测方法 对于线路的故障， 主要可概括为短路故障和接地故障，对于不同的故障类型有着 不同的方法。 对于短路故障大多数厂家判断原理基本一样， 主要采用方法有电流突变法和过流 速断法。 即当负荷电流大于正常负荷电流的一倍时触发中断，然后读取短路电流 进入 速断过流判断，当前 40ms 检测电流与速断门限比较，超过速断门限就认为发 生了短 路故障，没有超过速断门限则进入过流判断，在下一个 200ms 内检测电流数值 与过 流门限进行比较，超过过流门限则判为故障，而没有超过则认为没有发生故障。 而接地故障号称“世界难题” ，目前做的最好的厂家科锐也承认对于接地故障只 能达到 70%左右的准确率。对于我国而言，中低压配电网广泛采用中性点不接地 方式， 又称小电流接地方式。 这种运行方式具有供电可靠性高的优点，但是当发生单相 接地故障时，不形成短路回路，没有量值很大的短路电流，且三相线电压仍然对称， 不影 响负载的正常工作，可以继续运行一段时间，但是发生单相接地后，非接地相对 地的 电压会升高， 而且持续性电弧接地时还会产生弧光过电压，长期运行可能会损坏 其绝 缘，引发严重的相间故障。所以，当系统出现单相接地故障后，应立即设法消除 故障， 即尽快地找出故障线路和故障点，进行必要的负荷转移后，将接地设备从系统中 切除。对于中性点不直接接地系统单相接地的故障检测和定位在国内外已有不少研究 方案，有的已经实施。具体如下所示： 1．零序谐波分量法 主要用在变电站进行故障选线， 在线检测 5 次或 11 次谐波电流的零序分量的方 向， 比较各线路谐波电流零序分量的大小。 跟系统容性电流大小、 线路分布状况、 谐波污染、有无消弧线圈有很大关系，实践证明其准确率不高，有些场合根本不能 用。 或用手持式装置在线路下方检测零序电流的大小和方向， 早期的 EFD 系列装置。 可以用在农网，判断故障分支和故障点，用在城网准确性较差，易受空间干扰。 人工 离线操作，不太方便。跟系统线路分布状况有很大关系，准确率也不高。 2．零序有功分量法（有功电流、功率方向） 在中性点经消弧线圈接地的系统中， 在线圈下方串联一个电阻或在线圈两端并联 一个电阻， 以产生有功分量， 在变电站出口检测各线路的零序电流中的有功分量， 进 行故障选线。在线路上使用时，因为要检测零序分量中的有功分量，只能用特殊 的测 量装置（如 RTU、FTU 等） ，还需要安装零序 PT 与零序 CT，故费用较高，不适 合大 量安装，难以定位到故障分之和故障点。另外，由于连续注入较大有功分量，对 系统 有功损耗、变压器/开关/线路等过热、接地点长时间拉电弧、人身触电等安全运 行带 来了很大问题。3．中性点小电阻接地法 在发生单相接地故障后， 在中性点短时接入一个小电阻， 以产生较大的零序分量， 在变电站出线配置零序保护，保证故障出线跳闸。由于是人为制造短路故障，会 大电 流冲击会对小电阻、变压器、母线、故障线路、接地点等带来本不希望的结果， 甚至 造成下级保护拒动或上级保护越级跳闸而造成全变电站停电的可能性， 已经是严 重影 响系统安全运行了。另外当高阻接地时又无能为力了，实践证明 95%以上的接 地故障 是瞬时性接地或高阻接地。4．故障相高频信号注入法 在发生单相接地故障后，在变电站的故障相注入一个高于工频的特殊信号（如 80Hz） ，然后用离线装置检测。但非故障线路很长且故障线路较短时，判断比较 困难。 另外，由于不是 50HZ 工频信号，或多或少会对系统有影响，其影响大小跟注入 信号大小有关。离线检测不方便。 5．故障相低频信号注入法 发生单相接地故障时，在变电站故障相注入一个特低频率的信号（如 2Hz）,利 用故障指示器检测特殊的低频信号。只适合中性点无消弧线圈接地系统，而目前 大多 数系统为了安全运行已经装有消弧线圈。若暂时退出消弧线圈，则不太方便，且 不安 全。 6．暂态信号测量和计算法 利用接地瞬间分布电容的充放电过程产生的暂态过程， 判断故障方向和估算故障 距离。主要的算法有微分方程法、傅里叶变换法和最小二乘拟合法，但是这样的 算法 目前只有用高成本的装置来实现，没有推广应用价值。由于是检测暂态信号，其 可靠 性还有待验证。 7．超声波法、电容放电法、负序电流法、零序导纳法、残流增量法等 只适合在变电站内部使用，没有实际应用价值。在线路上使用时准确度较差，费 用也太高，不适合在配电系统中推广。 8．非故障相特殊信号注入法 发生单相接地故障以后， 在变电站的非故障相短时注入一个电流信号，然后利用 特殊故障指示器检测。所有非故障线路要经受一次接地冲击，一旦失控制（如接 地点阻抗变小、 信号源绝缘下降等）则会人为制造一次两相接地短路事故或造成 系统过电 压。另外，由于信号源平时一直是处于高压状态，须严格遵守挂网运行与检修规 程， 实在是不安全又不方便。 9．中性点特殊信号注入法 这是我公司隆重推出的成熟专利技术。 特殊信号注入法之单相接地故障定位技术 及其实现装置（中性点特殊信号注入装置 GFS、接地故障指示器 GFI、带接地故 障检测的 FTU）经过多次现场试验证明技术可行，属国内外首创。对于国外而言，由于中性点接地方式与我国不尽相同，如英美国家，中压电网采 用中性点直接接地或经地电阻接地的有效接地方式，当发生单相接地故障时，其 接地电流较大，故障信号比较明显可以采用过电流保护或零序功率方向保护[10] 。对于中性 点非有效的接地方式， 单相接地故障定位方法主要有利用分段开关的定位方法和 停电 外加信号的定位方法等等。 日本的中压电网同时存在大电流和小电流两种接地方 式， 中性点不接地是小电流接地方式的主要方式， 故障定位方法基本上采用零序功率 方向 继电保护装置、基本无功方向法和注入信号检测技术。近年来，日本对区分故障 区段 以及怎样能获取零序电流信号方面进行了一系列的研究， 成功地研制出光导纤维 式的 架空线路和电缆零序互感器，同时将人工神经网络方法应用于接地保护中。接地故障判断方法很多，如上所示，而我们采用信号注入法，根据三相电压的变 化来判断线路是否发生单相接地故障，并且可以判断哪一相发生故障，进而通过 安装 在母线处的特频源产生 220Hz 的方波信号，从而根据判断器上检测的异频电流 值的 大小来判断故障的区域。 总而言之， 从原理上和实践上来说都是一种稳定的方法。 8 存在问题及展望 本文是基于 10kV 线路的在线监测和故障检测， 对于存在的问题， 有待以后的解 决。 1） 对于故障的定位， 只能定一个区域， 不能定到某一个点， 需要进一步的研究。 2）对于双相接地故障，由于出现概率很小，没有具体考虑如何实现，需要进一 步的研究。 以上问题将在后期的研究中继续努力克服，总之，经过对课题的整体分析到具体 设计， 对我个人的分析和解决问题的能力都有了很大程度的提高，后期的研究工 作将会更加努力，使系统功能更加完善。
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