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一種配電網故障定位系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種配電網故障定位系統及其方法，包括：變電站終端：安裝在母線上、用于實現暫態零序電壓的檢測和暫態零序電壓方向的判斷，并將檢測結果傳送至主站；若干線路終端：安裝在配電網各分支線路上、用于實現暫態零序電流的檢測和暫態零序電流方向的判斷，并將檢測結果傳送至主站；主站：用于接收到的暫態零序電壓和暫態零序電流方向進行對比，確定接地故障線路區段；變電站終端和線路終端分別與主站無線通信。本發明故障定位判斷準確性高，適用于不同中性點接地方式的配電網絡；安裝在各分支線路上的線路終端安裝簡單、方便，只需要安裝一只零序互感器和一個通訊設備，停電時間短。
【專利說明】一種配電網故障定位系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電力接地故障檢測【技術領域】，具體涉及一種基于零序電壓和零序電流突變方向的配電網故障定位系統，適用于3?60kV中性點非有效接地電網，能夠在單相接地故障發生時，進行接地故障的準確定位。
【背景技術】
[0002]我國3?60kV配電網廣泛采用中性點非有效接地方式，又分為中性點不接地和中性點經消弧線圈接地系統，中性點非有效接地系統的故障絕大多數是單相接地故障。發生單相接地故障時，接地電流很小，可以在故障情況下繼續運行I?2個小時，但是必須盡快找到故障點，以防帶電供電造成更大的故障和破壞。
[0003]接地故障在線定位問題長期以來沒有得到很好的解決，人工巡線不僅耗費了大量人力物力，而且延長了停電時間，影響供電安全。接地故障選線和定位技術中，目前常用的技術手段有群體比幅比相法，諧波分析法，小波變換法，首辦波法等方法，各種方法都有其優缺點，由于配電網絡分支線路的復雜性，上述方法都不能實現接地故障的完全準確判斷，而且有的方法設備復雜、價格昂貴，不可能在配網線路的分支上進行全面安裝。因此現場迫切需要實用、準確的在線定位裝置，提高配電網供電的可靠性和經濟性。
[0004]對于中性點非有效接地系統，由于單相接地電流遠小于負荷電流，因此正、負序穩態電流均不可用，只有零序電流可以用來進行故障定位。對于中性點不接地系統，故障點前后的穩態零序電流幅值和相位差異明顯，可以依據穩態零序電流進行故障定位。但是對于中性點經消弧線圈接地系統，由于消弧線圈的補償作用，故障點前后的穩態零序電流幅值和相位幾乎沒有差異，無法進行故障定位。
[0005]根據故障發生后的暫態零序電流和暫態零序電壓進行相位角的計算，再根據故障線路和非故障線路相位角的滯后和超前可以確定出故障線路。但這種方法需要每一個終端設備同時采集零序電流和零序電流兩個參數。對于配電線路，零序電壓參數的獲得需要安裝零序互感器，而配網線路分支眾多，在各故障檢測點處都安裝零序電壓互感器非常困難，而且成本也非常高昂，不便于線路的運行維護。因此現場迫切需要簡易、實用、準確的在線定位裝置，提高配電網供電的可靠性和經濟性。

【發明內容】

[0006]本發明的目的就是為了解決上述問題，提出了一種配電網故障定位系統及方法，該系統及方法基于零序電壓和零序電流的突變方向，該定位裝置能夠快速、準確地確定故障點，并適用于金屬性接地、經電弧接地、經過渡電阻接地等多種故障情況。
[0007]為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0008]一種配電網故障定位系統，其特征是，包括:
[0009]變電站終端:安裝在母線上、用于實現暫態零序電壓的檢測和暫態零序電壓方向的判斷，并將檢測結果傳送至各處線路終端。[0010]若干線路終端:安裝在配電網各分支線路上、用于實現暫態零序電流的檢測和暫態零序電流方向的判斷，并根據接受到的暫態零序電壓方向和檢測到的暫態零序電流的方向判斷其是否處在故障線路上，并將檢測結果傳送至主站。
[0011]主站:用于將接收線路終端的判斷結果，確定接地故障分支線路的位置。
[0012]變電站終端與線路終端無線通信，所述變電站終端和線路終端分別與主站無線通?目。
[0013]所述變電站終端包括:小電壓互感器、比例加法器和CPU依次串聯連接，CPU還與移動通信模塊、GPS模塊和電源單元分別連接。
[0014]所述線路終端包括:小電流互感器、比例加法器和CPU依次串聯連接，CPU還與移動通信模塊、GPS模塊和電源單元分別連接。
[0015]所述比例加法器包括:小電壓互感器二次側繞組串聯電阻R2后接入運算放大器0Ρ07的3號管腳，運算放大器0Ρ07的2號管腳串聯電阻Rl后接地，運算放大器0Ρ07的4號管腳和6號管腳分別接正負電源、5號管腳與CPU的I/O接口連接，電阻Rf的兩端分別接到運算放大器0Ρ07的2號管腳和5號管腳。
[0016]電阻R3的一端連接到運算放大器0Ρ07的3號管腳、另一端與基準電壓源AD584的I號和2號管腳分別連接，基準電壓源AD584的8號管腳接電源、4號管腳接地，基準電壓源AD584的3號和5號管腳懸空、6號和7號管腳之間連接電容C。
[0017]一種配電網故障定位系統的定位方法，包括:
[0018](I)變電站終端實時檢測變電站輸出線路始端電壓互感器PT 二次側零序電壓值。
[0019](2)線路終端實時檢測各分支線路上零序電流互感器的零序電流值。
[0020](3)被檢測的電壓互感器PT 二次側零序電壓值超過預設的啟動值后，變電站終端記錄設定時間內的暫態零序電壓值。
[0021](4)被檢測的電流互感器CT 二次側零序電流值超過預設的啟動值后，線路終端記錄設定時間內的暫態零序電流值。
[0022](5)變電站終端將設定時間內的暫態零序電壓數據進行累加求和，若累加和大于等于0，則標記暫態零序電壓方向為I ;若累加和小于0，則標記暫態零序電壓方向為O ;并將零序電壓方向傳輸給各處線路終端。
[0023](6)線路終端將設定時間內的暫態零序電流數據進行累加求和，若累加和大于等于0，則標記零序電流方向為I ;若累加和小于0，則標記零序電流方向為O。
[0024](7)各線路終端根據暫態零序電流、暫態零序電壓的方向判斷是否位于故障路徑上，若暫態零序電壓與暫態零序電流方向不同，則在故障路徑上，若相同，則不在故障路徑上；并將判斷結果遠程傳輸到主站，由主站確定出故障區段。
[0025](8)所述主站接收各線路終端的暫態零序電流和暫態零序電壓方向數據，沿著配電線路拓撲圖依次檢測各線路終端的暫態零序電流和暫態零序電壓方向:
[0026]若線路終端的暫態零序電流和暫態零序電壓方向相同，則判斷該線路終端位于非故障線路上。
[0027]若第η個線路終端的暫態零序電流和暫態零序電壓方向相反，則繼續檢測，直至檢測到第m個線路終端的暫態零序電流和暫態零序電壓方向相同，則判斷第η個線路終端到第m個線路終端為故障區段。[0028]所述主站根據檢測結果對配電線路拓撲圖進行對比著色，對故障區域標紅，準確區分故障區域和非故障區域。
[0029]本發明的有益效果是:
[0030]1.采用基于暫態零序電壓和暫態零序電流突變方向的接地故障在線定位系統，故障定位判斷準確性高，適用于不同中性點接地方式的配電網絡；
[0031]2.暫態零序電壓和暫態零序電流方向采用簡單的累加和計算，計算方法簡單，不用進行復雜的相量計算求得相位角。
[0032]3.整個系統只需要安裝一套變電站終端就可以實現零序電壓方向的計算，極大地降低了成本和安裝、運行維護的難度。
[0033]4.系統采用零序電壓和零序電流發生突變的時刻作為方向計算數據的起始點，這樣不用在線路正常運行時也進行電壓和電流參數的檢測，極大地降低終端檢測設備的功耗。
[0034]5.故障信息和故障區段著色都可以在主站上顯示，無需人工沿線路巡視。
[0035]6.通過比較各線路終端處零序電壓和零序電流方向的差異來判斷是否位于故障路徑上，并將判斷結果遠程傳輸到主站，最后由主站確定出故障區段。將故障判斷的計算分散在了主站和終端兩個設備執行，大大減少了主站的工作量，具有較強的實際應用效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1為本發明配電網故障定位系統結構示意圖；
[0037]圖2為暫態零序電壓或零序電流方向計算方法示意圖；
[0038]圖3是變電站終端示意圖；
[0039]圖4是線路終端示意圖。
[0040]其中，1.變電站終端，2.線路中斷，3.主站。
【具體實施方式】:
[0041]下面結合附圖與實施例對本發明做進一步說明:
[0042]本發明提出的一種新的配電網故障定位系統及方法，其原理是在線路發生單相接地故障時，故障線路的暫態零序電流與暫態零序電壓極性相反，且滯后零序電壓90度；而非故障線路暫態零序電流與暫態零序電壓極性相同，且超前零序電壓90度。
[0043]將變電站終端I的計算結果傳輸給各線路終端2，這樣各線路終端2便同時獲得了暫態零序電流和暫態零序電壓的方向數據O或者1，這個方向數據與零序電壓，電流的極性是相對應的。各線路終端2根據零序電壓、零序電流的方向數據判斷線路終端2是否位于故障路徑上，并將判斷結果遠程傳輸到主站3。最后由主站3確定出故障區段。
[0044]如圖1所示，配電網故障定位系統由主站3、變電站終端1、線路終端2組成。
[0045]線路終端2實現暫態零序電流的檢測和暫態零序電流方向的判斷。
[0046]在線路正常運行時，由于消弧線圈的過補償作用，線路中無零序電流或僅有很小的零序電流流過，相應的線路中無零序電壓或零序電壓很小。
[0047]當接地故障發生，在消弧線圈未投入前，線路中將檢測到突然變大的零序電流和零序電壓，零序電壓和零序電流比較電路檢測到這個突變并將此時作為參數采樣的起始點，從此時開始檢測I個半周期的暫態零序電壓和暫態零序電流數據進行零序電壓和零序電流方向的計算，并將計算得到的方向用狀態I或O表示，同時將方向狀態通過無線GPRS遠程傳輸到各線路終端2接收。線路終端2將接收到的暫態零序電壓和暫態零序電流方向進行對比，所有零序電流方向與零序電壓方向相同的線路終端2均位于非故障線路，這樣各線路終端根據零序電壓、零序電流的方向判斷是否位于故障路徑上，并將判斷結果遠程傳輸到主站3，最后由主站3依據故障線路上各終端暫態零序電壓和電流方向的異同來確定故障區段，沿著故障線路拓撲圖，當第一個線路終端檢測到的暫態零序電壓和零序電流方向相反，若第二個終端的暫態零序電壓和零序電流方向也相反，則繼續尋找，直到該故障線路上第η個終端檢測到的暫態零序電壓和零序電流方向相同，此時第一個終端到第η個終端為故障區段；當第一個線路終端檢測到的暫態零序電壓和零序電流方向相同，若第二個終端的暫態零序電壓和零序電流方向也相同，則第一個終端到第二個終端為非故障區段，若第二個終端的暫態零序電壓和零序電流方向相反，則第一個終端到第二個終端為故障區段。主站根據存儲的配電線路圖進行對比著色，對故障區域標紅，準確區分故障區域和非故障區域。
[0048]本發明所述的暫態零序電壓和暫態零序電流方向的計算方法如附圖2所示。在接地故障發生前，由于消弧線圈的補償作用，零序電壓和零序電流幅值很小，零序電壓、電流波形同相位。在發生接地故障時，非故障線路的零序電流與零序電壓同相位，超前90度，故障線路的零序電流與零序電壓反相位，滯后90度。檢測的暫態零序電壓和暫態零序電流經濾波處理后簡化認為其為正弦波，畫出其故障前后的暫態零序電壓和零序電流波形如附圖2所示。
[0049]當檢測到零序電壓或零序電流幅值(絕對值)超過設定的限定值時，此時作為數據記錄的起始點，取起始點前10個采樣數據和起始點后20個采樣數據進行累加求和，消除采樣不準確所造成的誤差。
[0050]由圖中可以看出，對于故障線路，其零序電壓累加和大于零，標注暫態零序電壓方向為1，其零序電流累加和小于零，標注其暫態零序電流方向為0，表明零序電壓與零序電流極性相反；而對于非故障線路，其暫態零序電流累加和小于零，標注為0，暫態零序電壓累加和小于零，標注為0，表明零序電壓和零序電流的極性相同。所以，可以通過這種簡單的累加和計算，區分出故障線路和非故障線路。
[0051]本發明的變電站終端I安裝在母線上，用于測量零序電壓信號，變電站終端I的GPS模塊在獲得時標的同時發出秒脈沖信號，在每個整秒時刻觸發A/D對零序電壓信號進行采樣，CPU采用FFT算法對采樣值進行計算，得到零序電壓信號的幅值，然后利用移動通信方式將零序電壓的幅值以及對應的時標信息發送至各線路終端2。
[0052]本發明的線路終端2安裝在分支節點上，用于測量零序電流信號，線路終端2的GPS模塊在獲得時標的同時發出秒脈沖信號，在每個整秒時刻觸發A/D對零序信號的電流進行采樣，CPU采用FFT算法對采樣值進行計算，得到零序電流信號的幅值。
[0053]各線路終端2根據零序電壓、零序電流的方向判斷是否位于故障路徑上，將判斷結果遠程傳輸到主站，最后由主站確定接地故障的區段。
[0054]變電站終端I示意圖如圖3所示，由小電壓互感器、比例加法器、CPU、移動通信模塊、GPS模塊組成。小電壓互感器連接變電站零序電壓互感器的二次側開口三角繞組，將變電站電壓互感器PT輸出的交流O到IOOV的電壓變換為交流O到5V信號，交流O到5V信號輸入到輸入運算放大器OP07中，0P07、基準電壓源AD584以及電阻Rl、R2、Rf構成比例加法器。輸入運算放大器0P07輸出接到CPU的8051F120的Pl.0管腳上，8051F120內部含有作為A/D轉換模塊的ADC轉換器和附加基準電壓源。8051F120通過P4和P5這兩個I/O口中的P4.0-P4.7和P5.0-P5.6接點分別與移動通信模塊M1206的Sub HD Pinl5端口的15個接點一一對應相連，用于驅動移動通信模塊M1206，將采集的零序電壓幅值、相位數據通過移動通信模塊M1206傳輸到各處線路終端2中。8051F120通過P6.1、P6.2、P6.3、P6.4與GPS模塊的GPS模塊M-87的端口 TXA、RXA、RXB、IPPS對應相連，用于接收秒脈沖和標準時鐘數據；電源單元用于將市電220交流轉換為裝置其他部分所需的低壓直流電源。
[0055]線路終端2示意圖如圖4所示，由小電流互感器、比例加法器、CPU、移動通信模塊、GPS模塊組成。小電流互感器與二次側并聯的電阻Rz共同組成了電流/電壓轉換器，用于測量線路上的電流。線路側的零序電流互感器的二次側輸出電流接到小電流互感器的一次偵牝電流/電壓轉換器輸出交流O到5V信號。交流O到5V信號輸入到輸入運算放大器0P07中，0P07、基準電壓源AD584以及電阻Rl、R2、Rf構成比例加法器。輸入運算放大器0P07輸出接到CPU的8051F120的Pl.0管腳上，8051F120內部含有作為A/D模塊的ADC和附加基準電壓源。8051F120通過P4和P5這兩個I/O 口中的P4.0-P4.7和P5.0-P5.6接點分別與移動通信模塊M1206的Sub HD Pinl5端口的15個接點——對應相連，用于驅動移動通信模塊M1206，將采集的電流信號幅值相位數據通過移動通信模塊M1206傳輸到主站中。8051F120 通過 P6.1、P6.2、P6.3、P6.4 與 GPS 模塊的 GPS 模塊 M-87 的端 口 TXA、RXA、RXB、IPPS對應相連，用于接收秒脈沖和標準時鐘數據。電源單元用于將市電220交流轉換為裝置其他部分所需的低壓直流電源。
[0056]上述雖然結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。
【權利要求】
1.一種配電網故障定位系統，其特征是，包括: 變電站終端:安裝在母線上、用于實現暫態零序電壓的檢測和暫態零序電壓方向的判斷，并將檢測結果傳送至各處線路終端； 若干線路終端:安裝在配電網各分支線路上、用于實現暫態零序電流的檢測和暫態零序電流方向的判斷，并根據接受到的暫態零序電壓方向和檢測到的暫態零序電流的方向判斷其是否處在故障線路上，并將檢測結果傳送至主站； 主站:用于接收線路終端的判斷結果，確定接地故障線路區段，并將故障線路和非故障線路區分； 變電站終端與線路終端無線通信，所述變電站終端和線路終端分別與主站無線通信。
2.如權利要求1所述的一種配電網故障定位系統，其特征是，所述變電站終端包括:小電壓互感器、比例加法器和CPU依次串聯連接，CPU還與移動通信模塊、GPS模塊和電源單元分別連接。
3.如權利要求1所述的一種配電網故障定位系統，其特征是，所述線路終端包括:小電流互感器、比例加法器和CPU依次串聯連接，CPU還與移動通信模塊、GPS模塊和電源單元分別連接。
4.如權利要求2或3所述的一種配電網故障定位系統，其特征是，所述比例加法器包括:小電壓互感器二次側繞組串聯電阻R2后接入運算放大器0P07的3號管腳，運算放大器0P07的2號管腳串聯 電阻Rl后接地，運算放大器0P07的4號管腳和6號管腳分別接正負電源、5號管腳與CPU的I/O接口連接，電阻Rf的兩端分別接到運算放大器0P07的2號管腳和5號管腳； 電阻R3的一端連接到運算放大器0P07的3號管腳、另一端與基準電壓源AD584的I號和2號管腳分別連接，基準電壓源AD584的8號管腳接電源、4號管腳接地，基準電壓源AD584的3號和5號管腳懸空、6號和7號管腳之間連接電容C。
5.一種如權利要求1所述的配電網故障定位系統的定位方法，其特征是，包括: (1)變電站終端實時檢測變電站輸出線路始端電壓互感器PT二次側零序電壓值； (2)線路終端實時檢測各分支線路上零序電流互感器的零序電流值； (3)被檢測的電壓互感器PT二次側零序電壓值超過預設的啟動值后，變電站終端記錄設定時間內的暫態零序電壓值； (4)被檢測的電流互感器CT二次側零序電流值超過預設的啟動值后，線路終端記錄設定時間內的暫態零序電流值； (5)變電站終端將設定時間內的暫態零序電壓數據進行累加求和，若累加和大于等于O，則標記暫態零序電壓方向為I ;若累加和小于O，則標記暫態零序電壓方向為O ;并將零序電壓方向傳輸給各處線路終端； (6)線路終端將設定時間內的暫態零序電流數據進行累加求和，若累加和大于等于O，則標記零序電流方向為I ;若累加和小于O，則標記零序電流方向為O ; (7)各線路終端根據暫態零序電流、暫態零序電壓的方向判斷是否位于故障路徑上；并將判斷結果遠程傳輸到主站，由主站確定出故障區段。
6.如權利要求5所述的一種配電網故障定位系統的定位方法，其特征是，所述步驟(7)中判斷線路終端是否位于故障路徑上的方法為:若暫態零序電壓與暫態零序電流方向不同，則在故障路徑上，若相同，則不在故障路徑上。
7.如權利要求5所述的一種配電網故障定位系統的定位方法，其特征是，所述步驟(7)中，主站接收各線路終端的暫態零序電流和暫態零序電壓方向數據，沿著配電線路拓撲圖依次檢測各線路終端的暫態零序電流和暫態零序電壓方向: 若線路終端的暫態零序電流和暫態零序電壓方向相同，則判斷該線路終端位于非故障線路上； 若第η個線路終端的暫態零序電流和暫態零序電壓方向相反，則繼續檢測，直至檢測到第m個線路終端的暫態零序電流和暫態零序電壓方向相同，則判斷第η個線路終端到第m個線路終端為故障區段。
8.如權利要求7所述的一種配電網故障定位系統的定位方法，其特征是，所述主站根據檢測結果對配電線路拓撲圖進行對比著色，對故障區域標紅，準確區分故障區域和非故障區域。
【文檔編號】G01R31/08GK103837801SQ201410116320
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月26日 優先權日:2014年3月26日
【發明者】李建修, 李立生, 邵志敏, 孫勇, 張世棟 申請人:國家電網公司, 國網山東省電力公司電力科學研究院