基于电力物联网的配电网断线故障识别技术
安徽一天电气技术股份有限公司的研究人员余银钢、洪新春、李岭、康瑞新、吴喜生，在2020年第7期《电气技术》杂志上撰文指出，基于现有技术，各种采样设备的数据基本为本地存储，数据孤立，导致配电网的故障断线识别非常困难。
随着物联网技术的不断应用，数据交互的软硬件平台实现越来越简单，同一系统的数据很容易形成大数据平台，基于大数据平台的数据分析功能可以轻松实现配电网的故障断线识别，利用物联网技术实现的数据共享，可完成高阻抗接地的识别，从而提高系统的安全性与可靠性。
目前，我国的供配电网大都采用中性点非有效接地方式，即主变中性点悬空或者通过消弧线圈接地。这种配电网虽有着成本低廉、配电可靠性高的优点，却也存在着三相线为架空线路时，若发生断线难以实时判定的问题。
为解决这一问题，人们做出了不懈的努力，如正在使用的一种架空线路雷击断线报警装置。它由依次电连接的电流检测单元、控制单元、触发电路和报警单元组成；监测时，控制单元对由电流检测单元检测到的架空线路上的输送电流值进行判断，当判定其大于或等于预设接地故障电流时，生成触发信号起动报警单元发出报警信息。
这种断线报警装置虽可用作对断线的监测，却也存在着不足之处：①架空线路上输送电流的变化受多种因素的干扰和影响，短时的过电流时常发生，致使其识别的准确度不高，极易发生误判；②不能识别是三相线的断线，还是三相不平衡，或是高阻抗接地。
本文为克服现有技术中的不足之处，提供一种结构合理、实用，能对断线进行实时定性监测的基于无线网络的配电网断线故障识别装置。
1 配电网断线故障简介
1.1 配电网架空线架构
配电网是由架空线路、电缆、配电变压器、开关、无功补偿电容和一些其他设施所组成，在电力网中起着重要的分配电能的作用。
配电网按照电压的等级来分类，可以分为高压配电网、中压配电网和低压配电网。按供电区的功能来分，又可将配电网分为城市配电网、农村配电网和工厂配电网等。按配电线路类型来分，又可将配电网分为架空线配电网、电缆配电网和架空线电缆混合型配电网。配电网一般都采用闭环设计和开环运行的方式，它的结构呈辐射状。
图1 10kV配电网系统图
配电网架空线路是指用绝缘子将输电导线固定在直立于地面的杆塔上以传输电能的输电线路。架空线有造价低、便于分支和方便检修等优势。
配电网架空线路主要构成部分有导线、避雷线、杆塔、绝缘子、拉线、接地装置和金属具等。
图2所示为一个简单的配电网架构图举例，变电所出线负荷有工厂、小区、村庄、写字楼、厂房等，且分支较多，所以我国配电网存在负荷多样化，配电线路复杂等特点。
图2 10kV配电网架构图
1.2 配电网架空线断线故障类型
配电网架空线断线故障按断线数量划分，可分为一相断线、两相断线及三相断线；按断线位置划分，可分为首端断线、中端断线和尾端断线。
1.3 配电网架空线断线故障识别困难
配电网架空线断线故障复杂多变，有可能是一相断线或者两相断线，甚至是三相断线；有可能是架空线首端、中端或尾端断线；还有可能断线后悬空或者接地，从断线到接地的时间是随机的，接地阻抗也会受不同类型的地面以及潮湿程度影响。
配电网架空线断线故障大部分情况会引起母线电压的变化，例如首端或者中端的一相或者两相断线，断线相电压会升高，未断线相电压不变，零序电压升高。但也有部分情况不会引起母线电压的变化，例如三相同时断线或者无负载的尾端断线。由于配电网架空线断线故障复杂多变，且断线后系统母线上的电压变化和单相接地故障或者系统不平衡没有区别，所以配电网架空线断线故障识别困难。
2 配电网架空线路断线解决方案
2.1 基于无线网络配电网断线故障识别系统架构
基于无线网络的配电网断线故障识别系统架构图如图3所示。
图3 配电网断线故障识别系统架构图
基于无线网络的配电网断线故障识别系统架构是在原配电网架构基础上增加了电压传感器和无线通信模块；将各级电压传感器采集的信号通过无线网络传送给变电站主站，与站内母线电压信号进行对比，来识别配电网架空线断线故障。
2.2 断线故障的识别原理
在配电网架空线的负荷开关和分支线路上增加了电压传感器和无线通信模块，无线模块将电压传感器采集的电压信号通过无线网络传送到变电站主站系统，在发生零序电压突变时，将同一个系统中的所有电压传感器采集的电压信号传到主站和母线电压信号进行对比。
若线路上电压传感器采集的零序电压信号和母线电压信号基本一致，则为单相接地故障，且系统无断线故障。
若线路上电压传感器采集的三相电压及零序电压信号和母线电压信号不一致，且线路上的零序电压大于20V，且其中一相电压或两相电压或三相电压差别很大，则系统发生了断线故障。
若线路上的零序电压大于20V，且线路上电压传感器采集的一相电压远小于额定电压，而母线上相同相电压却大于额定电压，则为单相断线。
若线路上的零序电压大于20V，且线路上电压传感器采集的两相电压远小于额定电压，而母线上相同相电压却大于额定电压，则为两相断线。
若线路上电压传感器采集的三相电压都小于10V，而母线上三相电压基本不变，则为上游开关断开或三相断线。
2.3 试验室模拟配电网断线故障的试验数据
在高压试验采用图4所示的试验结构拓扑图，模拟10kV电容电流50A平衡系统，有3条模拟架空线，C1—C4模拟架空线对地电容，C1—C4电流为23A、15A、7A和5A，在2#出线模拟架空线断线故障，PT1为母线电压互感器，PT2为断线点后端电压互感器，R为台变后端的三相阻性负载；通过开关Q1和Q2的闭合和断开，模拟断线故障点后端空载或带载工况。
图4 试验室断线试验系统图
1）模拟中端单相断线，断线后端空载
图4中出线P1、P2、P3开关合闸，Q1、Q2分闸，在出线2上模拟A相断线，通过PT1和PT2检测到断线前后母线电压和断线位置后端电压的变化特征故障录波仪记录如图5所示。
电压1为PT1测量的电压信号，即为母线电压信号，电压2为PT2测量的电压信号，即为断线后端电压信号。虚线位置为断线时刻。
图5 空载A相断线波形图
断线前电压1和电压2基本一致；断线后断线后端零序电压（30V）大于20V，断线后端A相电压（2V）远小于额定电压，而母线侧A相电压（61V）大于额定电压。
2）模拟中端单相断线，断线后端带空载台变
图4中出线P1、P2、P3开关合闸，Q1合闸，Q2分闸，在出线2上模拟A相断线，通过PT1和PT2检测到断线前后母线电压和断线位置后端电压的变化特征故障录波仪记录如图6所示。
图6 带空载台变A相断线波形图
电压1为PT1测量的电压信号，即为母线电压信号，电压2为PT2测量的电压信号，即为断线后端电压信号。虚线位置为断线时刻。
断线前电压1和电压2基本一致；断线后断线后端零序电压（31V）大于20V，断线后端A相电压（2V）远小于额定电压，而母线侧A相电压（62V）大于额定电压。
3）模拟中端单相断线，断线后端带带载台变
图4中出线P1、P2、P3开关合闸，Q1、Q2合闸，在出线2上模拟A相断线，通过PT1和PT2检测到断线前后母线电压和断线位置后端电压的变化特征故障录波仪记录如图7所示。
电压1为PT1测量的电压信号，即为母线电压信号，电压2为PT2测量的电压信号，即为断线后端电压信号。虚线位置为断线时刻。
图7 带带载台变A相断线波形图
断线前电压1和电压2基本一致；断线后断线后端零序电压（39V）大于20V，断线后端A相电压（18V）远小于额定电压，而母线侧A相电压（63V）大于额定电压。
4）模拟中端两相断线，断线后端空载
图4中出线P1、P2、P3开关合闸，Q1、Q2分闸，在出线2上模拟A相和B相同时断线，通过PT1和PT2检测到断线前后母线电压和断线位置后端电压的变化特征故障录波仪记录如图8所示。
图8 空载AB两相断线波形图
电压1为PT1测量的电压信号，即为母线电压信号，电压2为PT2测量的电压信号，即为断线后端电压信号。虚线位置为断线时刻。
断线前电压1和电压2基本一致；断线后断线后端零序电压（33V）大于20V，断线后端A相电压（0）和B相电压（2V）均远小于额定电压，而母线侧A相电压（61V）和B相电压（61V）均大于额定电压。
5）模拟中端两相断线，断线后端带带载台变
图4中出线P1、P2、P3开关合闸，Q1、Q2合闸，在出线2上模拟A相和B相同时断线，通过PT1和PT2检测到断线前后母线电压和断线位置后端电压的变化特征故障录波仪记录如图9所示。
图9 带带载台变AB两相断线波形图
电压1为PT1测量的电压信号，即为母线电压信号，电压2为PT2测量的电压信号，即为断线后端电压信号。虚线位置为断线时刻。
断线前电压1和电压2基本一致；断线后断线后端零序电压（48V）大于20V，断线后端A相电压（22V）和B相电压（22V）均远小于额定电压，而母线侧A相电压（61V）和B相电压（63V）均大于额定电压。
3 结论
1）在配电网架空线线路端加装电压传感器和无线通信模块可以有效识别断线故障。
2）基于无线网络的配电网断线故障识别装置可以和现有配电网自动化智能终端相配合，实现断线故障定段隔离和转供电。