基于无线传感器网络的配电线路故障定位方案研究
王波 孙小湘 李鹏刚
摘 要： 提出一种中低压配电线路故障定位系统新方案。该方案采用无线传感器网络来进行配电线路的故障定位，然后通过低功耗无线路由装置将配电线路故障定位信息以无线级联的方式传输至公网信号地区，进而上传至主站系统中，对故障信息进行及时、高效、可靠地采集和传递。经仿真与试验测试，该设计效果良好，能满足无线传感器网络故障定位的快速性、准确性和可靠性的要求，同时能为中低压配电网故障定位系统的研究提供一定的技术支持。
关键词： 无线传感器网络； 配电线路； 故障定位； 信息采集； 低功耗无线路由
中图分类号： TN711?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）20?0136?03
Abstract： Based on the requirements of wireless sensor network and fault location system， a new scheme of fault location system for medium and low voltage distribution lines is proposed. In this scheme， a wireless sensor network is used to locate the fault of the distribution line， the fault information of the distribution line is transmitted to the public network signal area in a wireless cascade way through the low?power consumption wireless router， and is uploaded to the master station system for timely， efficient and reliable acquisition and transmission of the fault information. The simulation and test results indicate that the scheme can meet the requirements of fastness， accuracy and reliability of fault location transmission for the wireless sensor network， which can provide technical support for the research on fault location systems for other medium and low voltage distribution nets.
Keywords： wireless sensor network； distribution lines； fault location； information acquisition； low?power wireless routing
使用中性点非有效接地方式的中低压配电网，在发生单相接地故障时，只能发出有限强度的故障信号，不易被维修人员察觉并处理。而集信息采集、处理和高速传输于一身的无线传感器网络能够利用无线通信网络及时高效地采集、判断并传递故障位置信息，并可为中低压配电网的故障定位提供帮助。借助低功耗无线路由将配电线路故障信息传输至公网信号地区，进而上传至主站系统，能够避免故障信息传输在网络信号较差的地方发生问题。因此，研究相应的故障测距技术与传播方式具有重要的现实意义[1?4]。
1 无线传感器网络故障定位的原理和测试
结合无线传感器网络的自身特点，基于该传感器网络的故障定位系统应满足电力系统故障测距的需求，具体表现在定位的准确和快速性、同步和可靠性以及低功耗等方面[5]。本文就故障定位系统方案及快速性、准确性和可靠性展开了研究。
1.1 原理分析
将传感器分散安装在配电网线路上，可得到各无线传感器节点处的故障信息。配电网的馈线系统结构以及无线传感器的节点位置，如图1所示。本文重点对电力系统中的主要故障，即单相接地故障进行相应的检测定位分析，并基于无线传感器网络，针对小电流接地系统，在采用可变负荷检测方法的基础上，提出了一种利用故障相与正常相相邻节点的电流幅值差的比值来实现准确定位的故障定位方法。图2是单相接地故障发生时的电流分布示意图，虚线为C相节点1和2之间故障发生时的电流[6]。
节点j处故障未发生时，m相采样电流可用[i0mj]来表示。因此，各节点处故障电流的幅值可以表示為：
1.2 仿真分析和实验测试
利用PSCAD进行仿真分析与测试，网络模型如图3所示。仿真参数设置如下：R1（R0）=0.45（0.74） Ω/km，L1（L0）=0.93（4.13） mH/km，C1（C0）=0.07（0.05） μF/km；变压器ZT=0.57+j0.40 Ω，各线路长度L1～L5分别为20 km，0.2 km，30 km，50 km，50 km；Rg=0～5 kΩ，RL=6 Ω，L=1.35 H。仿真获得的k值结果见表1。
从表1结果可以获知，无论何种情况，k值变化均较小。值得注意的是，故障位置处相邻节点电流幅值差较小，其比值k仍较大。意味着利用式（1）～式（3），并令3<k≤k，可针对单相接地故障进行有效定位。本文提出的故障定位系统方案具有可行性，且避免了过渡电阻的影响。使用的无线传感器节点iris，其节点和网络结构如图4、图5所示。网络中的各节点通过x?mesh无线网络通向目的节点，最终连接到计算机控制中心。经过测试，该网络能在关闭一个节点电源后快速重组，性能优异，适用于无线传感器网络的配电网线路故障的定位[7]。
摘 要： 提出一种中低压配电线路故障定位系统新方案。该方案采用无线传感器网络来进行配电线路的故障定位，然后通过低功耗无线路由装置将配电线路故障定位信息以无线级联的方式传输至公网信号地区，进而上传至主站系统中，对故障信息进行及时、高效、可靠地采集和传递。经仿真与试验测试，该设计效果良好，能满足无线传感器网络故障定位的快速性、准确性和可靠性的要求，同时能为中低压配电网故障定位系统的研究提供一定的技术支持。
关键词： 无线传感器网络； 配电线路； 故障定位； 信息采集； 低功耗无线路由
中图分类号： TN711?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）20?0136?03
Abstract： Based on the requirements of wireless sensor network and fault location system， a new scheme of fault location system for medium and low voltage distribution lines is proposed. In this scheme， a wireless sensor network is used to locate the fault of the distribution line， the fault information of the distribution line is transmitted to the public network signal area in a wireless cascade way through the low?power consumption wireless router， and is uploaded to the master station system for timely， efficient and reliable acquisition and transmission of the fault information. The simulation and test results indicate that the scheme can meet the requirements of fastness， accuracy and reliability of fault location transmission for the wireless sensor network， which can provide technical support for the research on fault location systems for other medium and low voltage distribution nets.
Keywords： wireless sensor network； distribution lines； fault location； information acquisition； low?power wireless routing
使用中性点非有效接地方式的中低压配电网，在发生单相接地故障时，只能发出有限强度的故障信号，不易被维修人员察觉并处理。而集信息采集、处理和高速传输于一身的无线传感器网络能够利用无线通信网络及时高效地采集、判断并传递故障位置信息，并可为中低压配电网的故障定位提供帮助。借助低功耗无线路由将配电线路故障信息传输至公网信号地区，进而上传至主站系统，能够避免故障信息传输在网络信号较差的地方发生问题。因此，研究相应的故障测距技术与传播方式具有重要的现实意义[1?4]。
1 无线传感器网络故障定位的原理和测试
结合无线传感器网络的自身特点，基于该传感器网络的故障定位系统应满足电力系统故障测距的需求，具体表现在定位的准确和快速性、同步和可靠性以及低功耗等方面[5]。本文就故障定位系统方案及快速性、准确性和可靠性展开了研究。
1.1 原理分析
将传感器分散安装在配电网线路上，可得到各无线传感器节点处的故障信息。配电网的馈线系统结构以及无线传感器的节点位置，如图1所示。本文重点对电力系统中的主要故障，即单相接地故障进行相应的检测定位分析，并基于无线传感器网络，针对小电流接地系统，在采用可变负荷检测方法的基础上，提出了一种利用故障相与正常相相邻节点的电流幅值差的比值来实现准确定位的故障定位方法。图2是单相接地故障发生时的电流分布示意图，虚线为C相节点1和2之间故障发生时的电流[6]。
节点j处故障未发生时，m相采样电流可用[i0mj]来表示。因此，各节点处故障电流的幅值可以表示為：
1.2 仿真分析和实验测试
利用PSCAD进行仿真分析与测试，网络模型如图3所示。仿真参数设置如下：R1（R0）=0.45（0.74） Ω/km，L1（L0）=0.93（4.13） mH/km，C1（C0）=0.07（0.05） μF/km；变压器ZT=0.57+j0.40 Ω，各线路长度L1～L5分别为20 km，0.2 km，30 km，50 km，50 km；Rg=0～5 kΩ，RL=6 Ω，L=1.35 H。仿真获得的k值结果见表1。
从表1结果可以获知，无论何种情况，k值变化均较小。值得注意的是，故障位置处相邻节点电流幅值差较小，其比值k仍较大。意味着利用式（1）～式（3），并令3<k≤k，可针对单相接地故障进行有效定位。本文提出的故障定位系统方案具有可行性，且避免了过渡电阻的影响。使用的无线传感器节点iris，其节点和网络结构如图4、图5所示。网络中的各节点通过x?mesh无线网络通向目的节点，最终连接到计算机控制中心。经过测试，该网络能在关闭一个节点电源后快速重组，性能优异，适用于无线传感器网络的配电网线路故障的定位[7]。
