利用電力物聯網技術，實時識別配電網的斷線故障

安徽一天電氣技術股份有限公司的研究人員餘銀鋼、洪新春、李嶺、康瑞新、吳喜生，在2020年第7期《電氣技術》雜誌上撰文指出，基於現有技術，各種採樣設備的數據基本為本地存儲，數據孤立，導致配電網的故障斷線識別非常困難。

隨著物聯網技術的不斷應用，數據交互的軟硬體平臺實現越來越簡單，同一系統的數據很容易形成大數據平臺，基於大數據平臺的數據分析功能可以輕鬆實現配電網的故障斷線識別，利用物聯網技術實現的數據共享，可完成高阻抗接地的識別，從而提高系統的安全性與可靠性。

目前，我國的供配電網大都採用中性點非有效接地方式，即主變中性點懸空或者通過消弧線圈接地。這種配電網雖有著成本低廉、配電可靠性高的優點，卻也存在著三相線為架空線路時，若發生斷線難以實時判定的問題。

為解決這一問題，人們做出了不懈的努力，如正在使用的一種架空線路雷擊斷線報警裝置。它由一次電連接的電流檢測單元、控制單元、觸發電路和報警單元組成；監測時，控制單元對由電流檢測單元檢測到的架空線路上的輸送電流值進行判斷，當判定其大於或等於預設接地故障電流時，生成觸發信號啟動報警單元發出報警信息。

這種斷線報警裝置雖可用作對斷線的監測，卻也存在著不足之處：①架空線路上輸送電流的變化受多種因素的幹擾和影響，短時的過電流時常發生，致使其識別的準確度不高，極易發生誤判；②不能識別是三相線的斷線，還是三相不平衡，或是高阻抗接地。

本文為克服現有技術中的不足之處，提供一種結構合理、實用，能對斷線進行實時定性監測的基於無線網絡的配電網斷線故障識別裝置。

1 配電網斷線故障簡介

1.1 配電網架空線架構

配電網是由架空線路、電纜、配電變壓器、開關、無功補償電容和一些其他設施所組成，在電力網中起著重要的分配電能的作用。

配電網按照電壓的等級來分類，可以分為高壓配電網、中壓配電網和低壓配電網。按供電區的功能來分，又可將配電網分為城市配電網、農村配電網和工廠配電網等。按配電線路類型來分，又可將配電網分為架空線配電網、電纜配電網和架空線電纜混合型配電網。配電網一般都採用閉環設計和開環運行的方式，它的結構呈輻射狀。

圖1 10kV配電網系統圖

配電網架空線路是指用絕緣子將輸電導線固定在直立於地面的杆塔上以傳輸電能的輸電線路。架空線有造價低、便於分支和方便檢修等優勢。

配電網架空線路主要構成部分有導線、避雷線、杆塔、絕緣子、拉線、接地裝置和金屬具等。

圖2所示為一個簡單的配電網架構圖舉例，變電所出線負荷有工廠、小區、村莊、寫字樓、廠房等，且分支較多，所以我國配電網存在負荷多樣化，配電線路複雜等特點。

圖2 10kV配電網架構圖

1.2 配電網架空線斷線故障類型

配電網架空線斷線故障按斷線數量劃分，可分為一相斷線、兩相斷線及三相斷線；按斷線位置劃分，可分為首端斷線、中端斷線和尾端斷線。

1.3 配電網架空線斷線故障識別困難

配電網架空線斷線故障複雜多變，有可能是一相斷線或者兩相斷線，甚至是三相斷線；有可能是架空線首端、中端或尾端斷線；還有可能斷線後懸空或者接地，從斷線到接地的時間是隨機的，接地阻抗也會受不同類型的地面以及潮溼程度影響。

配電網架空線斷線故障大部分情況會引起母線電壓的變化，例如首端或者中端的一相或者兩相斷線，斷線相電壓會升高，未斷線相電壓不變，零序電壓升高。但也有部分情況不會引起母線電壓的變化，例如三相同時斷線或者無負載的尾端斷線。由於配電網架空線斷線故障複雜多變，且斷線後系統母線上的電壓變化和單相接地故障或者系統不平衡沒有區別，所以配電網架空線斷線故障識別困難。

2 配電網架空線路斷線解決方案

2.1 基於無線網絡配電網斷線故障識別系統架構

基於無線網絡的配電網斷線故障識別系統架構圖如圖3所示。

圖3 配電網斷線故障識別系統架構圖

基於無線網絡的配電網斷線故障識別系統架構是在原配電網架構基礎上增加了電壓傳感器和無線通信模塊；將各級電壓傳感器採集的信號通過無線網絡傳送給變電站主站，與站內母線電壓信號進行對比，來識別配電網架空線斷線故障。

2.2 斷線故障的識別原理

在配電網架空線的負荷開關和分支線路上增加了電壓傳感器和無線通信模塊，無線模塊將電壓傳感器採集的電壓信號通過無線網絡傳送到變電站主站系統，在發生零序電壓突變時，將同一個系統中的所有電壓傳感器採集的電壓信號傳到主站和母線電壓信號進行對比。

若線路上電壓傳感器採集的零序電壓信號和母線電壓信號基本一致，則為單相接地故障，且系統無斷線故障。

若線路上電壓傳感器採集的三相電壓及零序電壓信號和母線電壓信號不一致，且線路上的零序電壓大於20V，且其中一相電壓或兩相電壓或三相電壓差別很大，則系統發生了斷線故障。

若線路上的零序電壓大於20V，且線路上電壓傳感器採集的一相電壓遠小於額定電壓，而母線上相同相電壓卻大於額定電壓，則為單相斷線。

若線路上的零序電壓大於20V，且線路上電壓傳感器採集的兩相電壓遠小於額定電壓，而母線上相同相電壓卻大於額定電壓，則為兩相斷線。

若線路上電壓傳感器採集的三相電壓都小於10V，而母線上三相電壓基本不變，則為上遊開關斷開或三相斷線。

2.3 試驗室模擬配電網斷線故障的試驗數據

該高壓試驗採用圖4所示的試驗結構拓撲圖，模擬10kV電容電流50A平衡系統，有3條模擬架空線，C1—C4模擬架空線對地電容，C1—C4電流為23A、15A、7A和5A，在2#出線模擬架空線斷線故障，PT1為母線電壓互感器，PT2為斷線點後端電壓互感器，R為臺變後端的三相阻性負載；通過開關Q1和Q2的閉合和斷開，模擬斷線故障點後端空載或帶載工況。

圖4 試驗室斷線試驗系統圖

1）模擬中端單相斷線，斷線後端空載

圖4中出線P1、P2、P3開關合閘，Q1、Q2分閘，在出線2上模擬A相斷線，通過PT1和PT2檢測到斷線前後母線電壓和斷線位置後端電壓的變化特徵故障錄波儀記錄如圖5所示。

電壓1為PT1測量的電壓信號，即為母線電壓信號，電壓2為PT2測量的電壓信號，即為斷線後端電壓信號。虛線位置為斷線時刻。

圖5 空載A相斷線波形圖

斷線前電壓1和電壓2基本一致；斷線後斷線後端零序電壓（30V）大於20V，斷線後端A相電壓（2V）遠小於額定電壓，而母線側A相電壓（61V）大於額定電壓。

2）模擬中端單相斷線，斷線後端帶空載臺變

圖4中出線P1、P2、P3開關合閘，Q1合閘，Q2分閘，在出線2上模擬A相斷線，通過PT1和PT2檢測到斷線前後母線電壓和斷線位置後端電壓的變化特徵故障錄波儀記錄如圖6所示。

圖6 帶空載臺變A相斷線波形圖

電壓1為PT1測量的電壓信號，即為母線電壓信號，電壓2為PT2測量的電壓信號，即為斷線後端電壓信號。虛線位置為斷線時刻。

斷線前電壓1和電壓2基本一致；斷線後斷線後端零序電壓（31V）大於20V，斷線後端A相電壓（2V）遠小於額定電壓，而母線側A相電壓（62V）大於額定電壓。

3）模擬中端單相斷線，斷線後端帶帶載臺變

圖4中出線P1、P2、P3開關合閘，Q1、Q2合閘，在出線2上模擬A相斷線，通過PT1和PT2檢測到斷線前後母線電壓和斷線位置後端電壓的變化特徵故障錄波儀記錄如圖7所示。

電壓1為PT1測量的電壓信號，即為母線電壓信號，電壓2為PT2測量的電壓信號，即為斷線後端電壓信號。虛線位置為斷線時刻。

圖7 帶帶載臺變A相斷線波形圖

斷線前電壓1和電壓2基本一致；斷線後斷線後端零序電壓（39V）大於20V，斷線後端A相電壓（18V）遠小於額定電壓，而母線側A相電壓（63V）大於額定電壓。

4）模擬中端兩相斷線，斷線後端空載

圖4中出線P1、P2、P3開關合閘，Q1、Q2分閘，在出線2上模擬A相和B相同時斷線，通過PT1和PT2檢測到斷線前後，母線電壓和斷線位置後端電壓的變化特徵故障錄波儀記錄如圖8所示。

圖8 空載AB兩相斷線波形圖

電壓1為PT1測量的電壓信號，即為母線電壓信號，電壓2為PT2測量的電壓信號，即為斷線後端電壓信號。虛線位置為斷線時刻。

斷線前電壓1和電壓2基本一致；斷線後斷線後端零序電壓（33V）大於20V，斷線後端A相電壓（0）和B相電壓（2V）均遠小於額定電壓，而母線側A相電壓（61V）和B相電壓（61V）均大於額定電壓。

5）模擬中端兩相斷線，斷線後端帶帶載臺變

圖4中出線P1、P2、P3開關合閘，Q1、Q2合閘，在出線2上模擬A相和B相同時斷線，通過PT1和PT2檢測到斷線前後，母線電壓和斷線位置後端電壓的變化特徵故障錄波儀記錄如圖9所示。

圖9 帶帶載臺變AB兩相斷線波形圖

電壓1為PT1測量的電壓信號，即為母線電壓信號，電壓2為PT2測量的電壓信號，即為斷線後端電壓信號。虛線位置為斷線時刻。

斷線前電壓1和電壓2基本一致；斷線後斷線後端零序電壓（48V）大於20V，斷線後端A相電壓（22V）和B相電壓（22V）均遠小於額定電壓，而母線側A相電壓（61V）和B相電壓（63V）均大於額定電壓。

3 結論

1）在配電網架空線線路端加裝電壓傳感器和無線通信模塊可以有效識別斷線故障。

2）基於無線網絡的配電網斷線故障識別裝置可以和現有配電網自動化智能終端相配合，實現斷線故障定段隔離和轉供電。