基于故障指示器的简易自动化模式研究综述

摘要：智能电网的建设在部分地区可以采用故障指示器来实现简易的配网自动化。本文对故障指示器的工作原理、国内外的研究动态和几种基于故障指示器的简易配网自动化模式进行了简要描述。从供电方式、通讯系统构成、施工简便性和免维护性等方面对几种典型的简易配网自动化模式特点进行了深入点评。几种模式各有特点，但都只适用于特定场合，部分基于脆弱的供电方式的简易配网自动化模式还远达不到智能电网坚强性的要求。

Abstract: Simplified distribution automation based on fault passage indicator is suitable for smart grid in some circumstance. The working principle, research dynamic and several simplified distribution automation models are described. Detailed analysis was made on the automation models from their power methods, structure of communication system and convenience of installation. No simplified distribution automation model is universal in any application. Some models based on fragile power method can not reach the aim of strong smart grid.

关键词：简易配网自动化、故障指示器、智能电网

Key Word: Simplified Distribution Automation, Fault Passage Indicator, Smart Grid

中图分类号： V242.3文献标识码：A文章编号：

0 引言

智能电网是当今世界电力系统发展的最新方向，并被认为是21 世纪电力系统的重大科技创新和发展趋势。智能电网的目标是实现电网运行的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全。其中一个重要的概念，那就是智能电网是自愈电网，所谓自愈，就是“规划网架线路中的故障检测点，在区域电网或更大范围内规划多重保障体系”。在配电系统中，随着电缆线路在配电网中使用大幅增加，电缆线路故障也是时有发生。目前当电缆线路发生故障后，故障查找的自动化水平不高，以往的依靠运行人员徒步开展故障巡视的模式不再适合电力发展的要求。因此在配电网运行管理上需要利用新技术来切实解决以上矛盾。

实现配电网监控、解决配电网故障处理环节的最理想途径是全面建设配电自动化系统。但是配电自动化系统建设需要进行电力一次设备改造、二次终端设备安装调试、通信光路架设、大型主站系统和软件的建设维护等工作，往往建设资金投入大、时间长，一般适合负荷密集及核心功能城区实施建设，对于其他供区而言，大规模实施配电自动化建设存在性价比考量的问题。

结合配电网线路的现状，依循简易型配电自动化系统建设原则，通过研发一套完善的、准确可靠的配网故障自动定位系统，作为配电自动化系统的补充，消除配电自动化系统无法覆盖的盲区，利用先进的科技手段帮助运行、检修人员迅速赶赴现场，排除故障，恢复正常供电，从而提高供电可靠性，同时提高工作效率。能够尽快的查找故障点，才能够实现故障的快速隔离、负荷转供，这是智能电网建设对于配电网的基本要求，因此具有广阔的经济效益和社会效益。

1 国内外研究动态

1.1 短路和接地故障判断原理

电力线路故障指示器起源于二十世纪七十年代的德国，发明它的目的是为了指示电力线路短路电流流过的途径。此文讨论的故障指示器主要指电缆线路故障指示器，一般都具有三个相传感器（分别安装在A,B,C 相上）、一个零序传感器（包裹住三相电缆）和一个主机（亦称显示单元）。当配电网发生短路故障时,电源侧到故障点处的指示器均故障报警,而故障点后的指示器不报警,据此可以确定故障点的位置区间，帮助人们查找到故障点。 依据实现故障定位的判断依据，故障指示器主要可以分为两种：采用过流原理的故障指示器和采用电流突变原理的故障指示器。至于采用其他原理如首半波法、五次谐波法、注入法、故障电流方向法等判断依据的故障指示器，因存在各种各样的问题，应用得较少。

1.1.1 采用过流原理的故障指示器

线路发生短路和接地故障，线路中的故障电流将增大，当电流增大超过某一设定值时，采用过流原理的故障指示器将报警显示。此类指示器都需要预先设定一个短路和接地故障报警阈值，短路一般在400A-1200A，接地一般在5－60A，范围可调。目前采用此原理的指示器占市场主流地位，例如德国EMG、HHH,英国NORTECH和部分国内厂家的产品。

1.1.2 采用电流突变原理的故障指示器

当线路发生短路和接地故障后，线路会发生较显著的瞬间电流变化，当保护装置动作跳闸后，线路的稳态电流变将为零。检测出电流值的这种突变，也可判断出短路和接地故障。因这类指示器不需要预先设定报警阈值，其适用范围更加广泛。但是因其需要实时监测线路电流，产品功耗较大，使用寿命较短。目前有斯奈德FLAIR系列和国内一些厂家的产品采用此类原理。

1.2 故障指示器实现简易配网自动化的模式

1.2.1 传统型故障指示器实现简易配网自动化模式简介

传统型故障指示器都具有故障信号远程传输接口，一般采用继电器触点的变位来指示短路故障和/或接地故障，有的指示器还具有电池欠电量和远程复位接口。将开关站内每台指示器的继电器触点汇集起来，接入到数据采集器上，再通过GPRS无线信号，将数据传输到监控主站上。监控主站一般设置有一个GPRS接收机和与其相连的计算机，应用特殊编写的监控软件即可将站内的指示器故障信息显示出来。也有配合开关站的自动化改造，将指示器的触点信号接入到DTU/FTU上，由DTU/FTU通过光纤通道将指示器故障信息上传到监控主站。再配置监控主站的软件将故障信息显示出来。

传统型故障指示器实现简易配网自动化的模式不需要对故障指示器进行任何改造，只要增加一台数据采集器和进行相应的配线即可实现，成本较低，比较适用于已经安装了故障指示器的开关站或需要进行配网自动化改造的场合。但是这种模式存在接线复杂，施工困难，无法改善指示器功能和性能等缺点。

1.2.2 新型故障指示器实现简易配网自动化模式简介

针对传统型故障指示器实现简易配网自动化模式的缺点，配合近年来的智能电网建设，目前出现了多种新型的故障指示器及实现简易配网自动化的模式。尽管厂家将其吹捧的天花乱坠，但是新型故障指示器并没能将故障判断的准确性有明显提高，主要是增加了一些参数检测功能和对其通讯系统进行了改善。

光纤型两遥故障指示器及其实现简易自动化模式：系统由安装在电缆上的故障检测传感器、本地显示主机、通讯终端和主站系统等组成。故障指示器的传感器不仅可以监测故障，而且增加了电流检测功能。故障和电流参数通过光纤分别接到主机和通讯终端上。接入到主机的故障信息本地显示，接入到通讯终端上的故障和参数信息通过无线GSM由主站监控软件接收。这种模式在南方电网的部分地区得到推广应用。

无线型故障指示器及其实现简易自动化模式：系统由无线指示器、无源型DTU、主站系统等组成。无线指示器的传感器同传统型指示器，只是其主机部分取消继电器触点的信号远传方式，用短距离无线通讯方式取代。指示器监测到故障后，通过短距无线通讯信号将故障信息传输到无线收发器，无线收发器嵌入在无源型DTU内部，无源DTU再通过无线GPRS将信息传输到主站监控系统。这种模式在北京、华北的几个省区有实际应用。

串行通讯型故障指示器及其实现简易自动化模式：系统由串行通讯指示器、数据汇集器、DTU/FTU和主站监控系统等组成。指示器主机部分具有RS485串行通讯接口，当指示器监测到故障信息后，通过串行通讯网络将故障信号传输到数据汇集器上，数据汇集器与DTU/FTU相连，相互间采用标准的MODBUS协议进行通讯，故障信息再由DTU/FTU通过光纤网传输到主站监控系统。这种模式在华东部分地区得到了推广应用。

数字式故障指示器及其实现简易自动化模式：系统由数字式故障指示器、数据采集器和主站监控系统等组成。指示器的传感器采用自取电和大容量锂电池供电，实时监测故障状态，根据故障电流特征进行故障判断。因其内部具有短距离无线通讯模块，可实现与站内数据采集器的双向通讯。传感器还可以附加上温度检测、电流检测等功能。数据采集器将所采集到的故障和参数数据通过无线GPRS上传到监控主站。

2 基于故障指示器的简易配网自动化典型模式评述

故障指示器实现简易配网自动化需要解决好指示器和远程数据通讯单元的供电问题、信号远程传输问题、与监控主站软件SCADA、GIS系统接口等问题，同时需要兼顾系统兼容性、施工简便性、免维护性和性价比等因素。下文将从上述几点对基于故障指示器的简易配网自动化几种模式进行评述。

2.1光纤型两遥故障指示器及其实现简易自动化模式评述

光纤型两遥故障指示器的传感器采用自取电和锂电池做后备电源的供电方式，因其具有故障监测和电流检测功能，其功耗为毫安级。为了省电，当线路电流较小时，电流检测功能关闭。其故障信号上传采用两路光纤分别到本地显示单元和远程数据采集器，功耗较大。通讯终端亦为无源型，采用大的开口CT从电缆线路取电，用超级电容做后备电源，电源使用用寿命较长。通讯终端接收传感器信号部分为光电接收电路，功耗较小。远程无线GSM通讯部分采用平衡式传输规约以降低功耗。这种供电方式比较适用于线路负荷较大的地方，最好是在电流大于30安培以上的场合，故障监测和电流检测的功能才能比较顺利的实现。该方式最薄弱的地方是安装在电缆上的零序传感器和短路传感器，当电池用尽，线路电流又较小时，该模式将因没有电源而失去作用。

该模式的故障信号传输通道是传感器通过光纤直接传递故障和/或参数信息到电缆子站，再由电缆子站通过GSM信息或采用串行接口及标准101协议到中心站，中心站设备再通过无线GSM将信息传输到主站系统。整个通讯系统比较复杂，层次较多。在将传感器信号上传时，每只传感器需要2根光纤，对于常见的2进6出有8面环网柜的开关站，需要铺设64根光纤，很容易造成接线错误，施工难度很大。由于需要电网断电安装，也给安装施工增加了不少难度。

监控主站系统接收各子站内指示器的数据信息，软件采用图形化界面，并将故障信息与地理信息系统结合，显示界面友好。

2.2无线型故障指示器及其实现简易自动化模式评述

无线型故障指示器主机仍采用锂电池供电，只在故障发生时采用平衡式规约通过短距离无线信号上传故障信息。因故障发生的几率少，信息代码较短，无线传输的平均功耗较继电器触点方式相差不多。接收无线指示器故障信息的无源DTU也采用自取电和超级电容做后备电源的供电方式。因其无线接收部分的功耗很大（20毫安左右），而且不可待机运行，这就决定了该模式只适用于电缆线路电流较大的场所。

该模式故障信息传输通路是无源传感器通过光纤将故障信号上传到主机，主机通过短距离无线信号（2.4GHz）再将信号上传到无源DTU，DTU通过无线GPRS将信号上传到主站系统。该通路全部采用无线进行信号传输，极大地方便了施工和安装。但是为防破坏GPRS天线必须安装在很隐蔽的地方，信号因屏蔽而消弱，在市郊比较偏僻的地方，信号可能无法顺利上传到主站。

监控主站系统一般独立与监控终端的SCADA系统，采用独立的一套软件来显示故障区段。软件也采用图形化界面，并将故障信息与地理信息系统结合，显示界面友好。

2.3串行通讯型故障指示器及其实现简易自动化模式评述

串行通讯型故障指示器电源由配网自动化监控终端DTU/FTU提供，采用交流供电加超级电容和蓄电池后备的方式。故障指示器不再使用锂电池供电，正常时处于待机状态，功耗为微安级，当传感器发送来故障信号时，指示器点亮本地报警指示灯，然后开启串行通讯电路，将故障信息主动上传给数据汇集器。数据汇集器的串行通讯电路一直处于接收状态，其功耗在20毫安以内。数据汇集器再通过另一路串行接口将故障信息传递给DTU/FTU。这种供电模式由于有交流电源和大容量后备电源，供电可靠性最高。另外去掉指示器主机的锂电池，消除了指示器最可能的故障源。这种模式比较适用于进行配网自动化改造而又不想对每一路分支线路进行监测和监控的场合。

该模式的通讯通道是指示器在接收到故障信号后通过串行接口上传到数据汇集器，数据汇集器暂存各指示器故障状态，由DTU/FTU通过串行接口采用标准MODBUS协议信号采集，DTU/FTU通过光纤网与主站系统相连。

该模式借助配网自动化主站的SCADA和GIS系统显示故障指示器的状态和位置信息，不需要一套独立的设备和软件。

2.4数字式指示器及其实现简易自动化模式评述

数字式指示器实际上就是增加了电流检测、温度检测等功能的指示器，它采用自取电加锂电池后备的供电方式。其传感器内部具有短距离无线通讯模块，功耗较大。尽管采用了大容量锂电池和特殊的磁回路来取电，但在线路负荷较小的地方，其实际使用寿命将会大大缩短。另外传感器上附加的一些不切实际的功能更加重了供电系统的负担。系统中起数据转接功能的数据采集器可以使用太阳能取电（架空线路使用）或开口CT取电（电缆线路使用）。采集器内的无线模块需要一直处于工作状态以接收传感器上传来的故障和参数信息，其实际功耗较高。

该模式的通讯通路是安装在电缆线路上的传感器直接通过无线模块将故障和或其他参数信息通过短距离无线方式传送到数据采集器上，数据采集器再通过无线GPRS上传到监控主站。由于传感器是安装在开关柜高压室内，短距无线通讯的通路被铁皮柜大部分屏蔽，该通讯方式比较脆弱。

3 结论

智能电网的建设因性价比等因素需要采用故障指示器来实现简易的配网自动化。目前的几种基于故障指示器的简易自动化模式都仅适用于特定的场合。不同地区，不同中性点接地方式，不同的配网自动化建设方案和目标都需要采用不同的简易自动化模式来适应。脆弱的供电方式是部分简易自动化模式的最大不足，这也与智能电网建设的“坚强性”目标是背道而驰的。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。