一个在配电网中定位接地故障的无线ASIC传感器概念设计外文翻译资料

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一个在配电网中定位接地故障的无线ASIC传感器概念设计

摘要——本篇论文将提出一个关于使用无线传感器来侦测和定位在配电网中出现的故障的新感念。这一理念是基于连接到不同的馈线和分支的输入和输出的电源线的分布式无线传感器。一个传感器仅测量它所连接的电路上的相电流特性，并且不与其他传感器同步，也不需要触发电平的配置。这个感念的新奇之处是利用配电系统的角度和贝叶斯概率论来侦测和定位故障。在Matlab软件系统环境中完成的几个模拟仿真将证明这一理念的可行性和选择性。此外，本文将提出一个针对对于拟议的故障管理概念的无线ASIC传感器应用程序。

关键词——应用特定集成电路(ASIC)，配电，电力系统通信，电力系统建模，电力系统监测，无线传感器。

一、绪论

高压配电系统（例如:20kv）存在不同的方式来连接中性地。在北欧国家（例如：芬兰）一般不中性接地。通过这种方式，故障电流主要由通过流经健全相的接地电容的电流组成。在其它国家，尤其是在欧洲大陆，中性点经常被补偿（通常被称为彼得森线圈系统）。补偿的目的是为了消除通过一个等效电感与中性点相连的系统接地电容。因此，接地故障电流相对地减少。在电感调谐到与系统电容完全匹配的情况下，故障电流将仅仅由一个小电阻原件组成。然而，在实践中电网是略低于或过补偿95%或105。例如，美国使用直接接地的配电网。在这些电网中，单相接地故障电流随故障位置和故障电阻的变化而变化。

中性点不直接接地的电气配电网中，最常见的故障类型是单相接地故障[1]。通常情况下，变电站中的定向保护继电器检测故障，如果存在零序电流，中性点电压和违反装置设置的相移，则继电器动作跳闸[2]。通过将反馈线路拆分为区段并通过在哪个区段发生故障来确定故障位置。这是一个耗费时间的任务，特别是如果开关是手动操作的。为了最大限度减少故障管理时间，可以安装远程可读故障指示器。通过这些措施，故障分支可以被直接定位并且可以完成正确的开关动作。在短路中断时间是客户的关键因素的领域，故障定位是必不可少的。

最常见的故障指标是短路指标。早期的设计包括偏转线圈（导体周围的磁场强度被用来区分负载和短路）和一个显示系统。这个显示系统可以是手动操作的（例如：一个转子显示故障方向），根据流体（红色在故障方向）或者使用一个LED。一些组合短路和接地故障指示器也被提出。一个例子，由文献[3]提出，有一个指示短路和金属带绕相绕的方向的LED，构成一个可能的接地故障的电流总和。在架空线网络中，另外一个原理被使用。指示器被安装在导线下方几米处，一个线圈用来测量短路电流和零序电流产生的磁场，以确定接地故障。

无线传感器是一种很有前途的替代传统的故障指示器。无线传感器是一个小的设备，它包含四个主要组成部分：一个传感接口，一个微控制器处理的测量量，一个短距离无线电接口（通常是在一个许可证自由带）传输处理的数据，和电子设备来管理传感器的功率消耗。无线传感器的吸引力是成本结构。无线传感器的安装不需要任何布线，这意味着系统和安装成本很低的，在短时间内投资可以取得回报[4]。

本文的第一部分提出了用来一个在对中性点不接地配电网络中接地故障定位的新概念。故障定位的概念是基于2个要要素: 测量线路电流在不同的网络分支的简单的无线传感器，和一个使用概率的方法使用从传感器获取的数据以确定故障位置的集成系统方法。利用从MATLAB的SimPowerSystems工具箱获得的模拟数据测试这一理念的可行性以及高电阻接地故障的响应。

本文的第二部分提出了在ASIC的简单无线传感器的设计。该设计已经对故障定位概念和最小化能量散耗进行了优化。不同的设计考虑和传感器结构被给出，除了从几个模拟测试结果。

二、中性点不接地网络

在中性点不接地的配电网中，单相接地故障引起一种主要取决于相位线的相地电容的电流。当故障发生时，因为故障相电容被忽略，电网不对称。（图1）[2].

应用戴维南理论，系统可以被简化为图二形式。线路阻抗已经被忽略，因为与大地的总电容相比，线路阻抗很小（E相当于相电压）。

故障电流可以通过下列公式计算：

R是故障阻抗，IC是当故障阻抗等于零时的故障电流。IC可以通过公式（2）获得

f是电网的频率，Ce是每相的总接地电容。对于架空线而言，故障阻抗为零的接地故障电流可以被近似为：

U是千伏特线电压，L被认为是千米级架空线路的总长度。因此，在20kv中性点不接地架空线电网中，故障电流近似等于0.07 A/km[2]。为了比较起见，在补偿网络中(补偿线圈将位于与图2.中平行于接地电容的位置)，对于小故障阻抗（lt;10kOmega;） ，故障电流大约是不接地电网故障电流的10%。对于大故障阻抗故障电流几乎只包含电阻元件 。

三、用于故障定位应用的无线传感器

费尔南德斯研究了[5] [7]使用无线传感器监测电力系统运行参数的基本原理。后来开发出了其他系统，例如Vauml;hauml;mauml;ki et al. [8], Lindgren 、Orsquo;Sullivan [4],和Lau et al. [9] 。这些系统共同提出了关于如何使用无线传感器来监测负载并检测和定位短路和单相接地故障在传输和配电网络的方法

但是，使用无线传感器检测和定位的单相接地故障非常具有挑战性。故障电流可以很小[见（1）]和测量的数量依赖于接地的类型（不接地，补偿，或电阻接地），以及网络拓扑结构。在不接地网络中，故障的检测和定位一般由零序电流I0的特性、中性点电压U0以及I0和U0之间的相移决定。一些现有技术的无线传感器解决方案通过使用一个特定的硬件设计[8]通过不断测量和报告相电流和电压[6]，或通过使用全球定位系统（全球定位系统）的同步传感器[4]。已经测量了这些数量。

这些解决方案有许多缺点。主要的问题是与能量传感器消耗的能量有关。由于传感器是无线的，它们通常是由一个电池或由他们从环境中收集的能量（例如，光伏电池，振动，或一个环绕的导线绕组的铁芯绕组）[10]。这是一个非常稀缺的资源。如果使用电池，他们应该在很长一段时间内工作，因为更换传感器连接到电源线是昂贵的。如果从环境中收集能量，该方案趋于笨重，这使得传感器集成到电力系统难以实现[11]。传感器产生的能量必须小心管理。这意味着，采样的数量（例如：测量的负载电流和导体温度）和由传感器的计算必须被最小化。 这导致从传感器在电网中的故障缺乏准确和全面的数据。在传感器级别上的退化性能的处理是通过智能数据融合和高层次的节点处理的信息与系统的综合视图的计算[11]。

考虑到以前的系统解决方案，全球定位系统提供了一个可用于相关的电压和电流测量的不同传感器和相位线非常的精确的时间同步。然而，全球定位系统是昂贵的，并且与现在使用无线传感器的其他标准组件相比，它消耗了大量能量[12]。因此，对于具有低能量收集能力的传感器而言，它不是一个可行的解决方案。同样连续测量和发送的数量到一些集电极节点的问题发生在传感器系统。当使用硬件为基础的拓扑结构，该系统对干扰，以及安装和校准精度的准确性变得敏感。校准也很昂贵和耗时。因此，测量简单、分布式和能量感知的无线传感器的零序电流I0十分困难。

安排可靠的电压测量（用于测量）在许多方面也有问题。最可行的方法是使用一个基于电容原理基础上并联系相导线和地电容的电压分压器 [3]。这个解决方案有许多缺点。为了不影响电场的分级，有线网络无法加装电压传感器禁止放任何物品在电缆终端或接头套筒。电容器将不得不挂在离电缆一定距离的空中。另一个2个平行的相和接地电容将大大影响的可靠性和灵敏度的测量，即使该现象是计算补偿的。同样这在架空电力线系统中也是被承认的，特别是当相位角应确定[13]。测量U0需要进行同步测量，其面临着同样的问题，如上面所讨论的I0。

使用分布式无线传感器在中性点不接地配电网络中进行故障定位的挑战是双重的。首先，故障定位应用程序应根据负载电流的测量为基础。与测量负载电流（例如，用Rogowski线圈）相比，安排精确的电压测量是很困难的。与以前的解决方案相比，一个利用在电网中的不同位置的相位电流测量的概念更加经济和简单。其次，因为能源消耗必须被最小化，采样频率应尽可能低。负载电流可以使用不同的方法进行采样，其中最简单的和最小的能量密集型是一个峰值测量方法。在这个方法中，传感器是同步传输负载电流的过零和观察值四分之一个基本周期后的峰值[11]。

四、新故障定位概念

新的故障定位概念中，系统方向是十分重要的。电网被划分成好多个区域，每个区域的末端是由传感器安装位置决定的。一个传感器组由三个传感器组成，每一个传感器负责每一相电路L1,、L2、L3。一个区域被认为覆盖一个在二级变电站之间的电网分段或更多情况下两个分支之间的电网分段（即无载分接在一个区域内是不允许的）。区域的开始标志为ZjB,该区域的结束标志为ZjE，其中j为区域号

如前一节所讨论的，传感器会定期测量负载电流（即峰值和相移）（用定时器确定零交叉点之间的时间）。为了尽量减少活动时间和传感器消耗的能量，因此，传感器对网络中的故障不检测。一个传感器只有一个简单的触发电平。当传感器检测到的周期性测量的电流是零时，此触发电平被激活。当发生这种情况时，作为一个故障的后果，传感器假定断路器（CB）断路。作为该事件的响应，该传感器将数据缓冲区的内容发送到附近的数据集中器。缓冲区包含周期性地测量的电流值，因此在故障之前和期间也有电流。这些数据将被用来计算在网络控制中心的故障位置，根据以下方法。

考虑一个类似于图3中的系统和类似于图4中的带有一个中性点不接地的网络分支。图4显示了一个电源线的三个相，传感器是安装在黑盒子的位置。A、B、C，虚线表示的故障电流的路径，灰色区域显示产生于相位线的均匀分布的接地电容的总和的故障电流的分布。首先估计在每个传感器位置的故障电流分量。因此，对于每一个在位置X上的传感器S，在故障之前的电流IB和故障期间的电流ID的矢量差是按以下公式计算

Phi;代表由传感器测量的IB和ID的相位差。这个由（4）计算的数值包含在负载电流有两个测量时刻和故障电流通过传感器之间看到发生的变化。这个数值可以近似由公式（3）计算。

在下一阶段中，在一个区域的两端的矢量差减去。下面的计算为 其余数值是源于接地电容的相位线的故障分量电流。此数值与传感器的位置和在电网中的一部分（即所有网络段的馈线连接到变电站和故障的故障馈线之间的线路长度）的线路的长度成比例关系。

由于接地故障发生在一个电网馈线，因此在被一对传感器限制的区域中线路总长度短于理想电网总长度的假设是合理的。这里关键因素是故障电路是通过接地电容的闭合。因此，在设想的100%的故障电流流到地面的故障位置中，故障电流沿所有线路的传播。当与在不同的网络区中的由公式（5）给出的估计的故障电流分量相比时，这一设想将被证明。标志着该区域包含一个在故障和故障的后面部分之间的取决于故障电流（故障电阻）和线路长度之间的差异是常数的故障。包含故障的区域根据k值来确定。

在低故障阻抗情况下，常数k将有一个大的值，该包含故障的区域很容易确定。然而，当故障电阻增长时，故障电流分量变小，k值将很小，并且正确的区域将是难以确定。为了提高概念的选择性，一个使用贝叶斯定理的概率系统方法将被介绍。

对在电网中的每一个区域j，由公式（5）计算出的具有最大相电流的相被选中作为计算的候选项。选择每个区域的最大值是因为它是最有可能包含故障电流分量的相。候选项被标记为I1hellip;hellip;In，n表示区域数。每个被假定为独立并且同分布的服从正态分布的mu;j=参数均值和sigma;j=标准差的随机变量。一个健康区域的电流密度函数表示为fH（Ij）。它有一个近似为0的平均值（由传感器和不同的相位线特性的测量接口所造成的误差是按方差仿照的）。故障区域的概率密度函数表示为fF（Ij）。它有一个和故障电流大小相同的预期的平均值。预期其中一个区域包含故障。这项任务是以据所观察到的电流值Iihellip;hellip;In的区域j为基础来确定概率。首先，故障在被给出Iihellip;hellip;In的测量值的区域j的概率是确定。其次，贝叶斯定理是用来确定包含故障的区域。在（8）的最高概率的区域被认为是含有故障的区域

五、研究实例

新概念的可行性以及概率方法的特点在如图5所示的系统中，以一个案例研究展示出来。该系统具有三馈线连接到一个20千伏的源和一个基本的频率，在间隔49.5赫兹- 50.5赫兹（在欧洲允许变化）的架空配电线路馈线。一个馈线分为四个区域，根据图3的布局。三种实验被设计出来。

（1）馈线长度有50，50，和45公里。45公里支线分为四个区并且故障按顺序实验于每个区。故障电阻变化范围从1Omega;到1MOmega;。

（2）馈线长度有5，5，和25公里。25公里支线分为四个区并且故障按顺序实验于每个区。故障电阻变化范围从1Omega;到1MOmega;

（3）馈线长度有50，50，和45公里。45公里馈线被二次变电站分支分为被安排在一个直行（1区、2区、3区、4区）的四个区。故障电阻变化范围从1Omega;到1MOmega;。

传感器位于区的两端。一个传感器测量在一个20ms周期内的负载电流和相移（即每个基频周期电流和相移的记录）。根据记录于故障发生之前和故障发生过程中的不同位置传感器的电流特征（例如，在传感器检测负载电流为零后的40毫秒，80毫秒，960毫秒，1秒），新的故障管理的概念来确定某一区域内故障的概率。在图表1到3里记录了实验结果。图表对故障电阻的每一个值，由（6）得到的k值和由（8）得到的概率为故障区域。当kgt;2并且概率gt;50%的例子被认为是清除故障指示，这用暗灰色表示。当klt;2并且概率gt;50%，这个例子用亮灰色表示。这里（6）的选择性是有限的但由计算（8）的概率表明故障区域。如果使用的白色，没有任何方法可以找到正确的故障区域。还有两个特殊情况以粗体标记（表一4区200 KOmega;，和表III 2区75 KOmega;）在这些kgt;2情况下，贝叶斯方法已不能够清楚地确认（小的

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