一种配电网故障定位系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种配电网故障定位系统及其方法，包括：变电站终端：安装在母线上、用于实现暂态零序电压的检测和暂态零序电压方向的判断，并将检测结果传送至主站；若干线路终端：安装在配电网各分支线路上、用于实现暂态零序电流的检测和暂态零序电流方向的判断，并将检测结果传送至主站；主站：用于接收到的暂态零序电压和暂态零序电流方向进行对比，确定接地故障线路区段；变电站终端和线路终端分别与主站无线通信。本发明故障定位判断准确性高，适用于不同中性点接地方式的配电网络；安装在各分支线路上的线路终端安装简单、方便，只需要安装一只零序互感器和一个通讯设备，停电时间短。
【专利说明】一种配电网故障定位系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力接地故障检测【技术领域】，具体涉及一种基于零序电压和零序电流突变方向的配电网故障定位系统，适用于3?60kV中性点非有效接地电网，能够在单相接地故障发生时，进行接地故障的准确定位。
【背景技术】
[0002]我国3?60kV配电网广泛采用中性点非有效接地方式，又分为中性点不接地和中性点经消弧线圈接地系统，中性点非有效接地系统的故障绝大多数是单相接地故障。发生单相接地故障时，接地电流很小，可以在故障情况下继续运行I?2个小时，但是必须尽快找到故障点，以防带电供电造成更大的故障和破坏。
[0003]接地故障在线定位问题长期以来没有得到很好的解决，人工巡线不仅耗费了大量人力物力，而且延长了停电时间，影响供电安全。接地故障选线和定位技术中，目前常用的技术手段有群体比幅比相法，谐波分析法，小波变换法，首办波法等方法，各种方法都有其优缺点，由于配电网络分支线路的复杂性，上述方法都不能实现接地故障的完全准确判断，而且有的方法设备复杂、价格昂贵，不可能在配网线路的分支上进行全面安装。因此现场迫切需要实用、准确的在线定位装置，提高配电网供电的可靠性和经济性。
[0004]对于中性点非有效接地系统，由于单相接地电流远小于负荷电流，因此正、负序稳态电流均不可用，只有零序电流可以用来进行故障定位。对于中性点不接地系统，故障点前后的稳态零序电流幅值和相位差异明显，可以依据稳态零序电流进行故障定位。但是对于中性点经消弧线圈接地系统，由于消弧线圈的补偿作用，故障点前后的稳态零序电流幅值和相位几乎没有差异，无法进行故障定位。
[0005]根据故障发生后的暂态零序电流和暂态零序电压进行相位角的计算，再根据故障线路和非故障线路相位角的滞后和超前可以确定出故障线路。但这种方法需要每一个终端设备同时采集零序电流和零序电流两个参数。对于配电线路，零序电压参数的获得需要安装零序互感器，而配网线路分支众多，在各故障检测点处都安装零序电压互感器非常困难，而且成本也非常高昂，不便于线路的运行维护。因此现场迫切需要简易、实用、准确的在线定位装置，提高配电网供电的可靠性和经济性。
【发明内容】
[0006]本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种配电网故障定位系统及方法，该系统及方法基于零序电压和零序电流的突变方向，该定位装置能够快速、准确地确定故障点，并适用于金属性接地、经电弧接地、经过渡电阻接地等多种故障情况。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0008]一种配电网故障定位系统，其特征是，包括:
[0009]变电站终端:安装在母线上、用于实现暂态零序电压的检测和暂态零序电压方向的判断，并将检测结果传送至各处线路终端。[0010]若干线路终端:安装在配电网各分支线路上、用于实现暂态零序电流的检测和暂态零序电流方向的判断，并根据接受到的暂态零序电压方向和检测到的暂态零序电流的方向判断其是否处在故障线路上，并将检测结果传送至主站。
[0011]主站:用于将接收线路终端的判断结果，确定接地故障分支线路的位置。
[0012]变电站终端与线路终端无线通信，所述变电站终端和线路终端分别与主站无线通?目。
[0013]所述变电站终端包括:小电压互感器、比例加法器和CPU依次串联连接，CPU还与移动通信模块、GPS模块和电源单元分别连接。
[0014]所述线路终端包括:小电流互感器、比例加法器和CPU依次串联连接，CPU还与移动通信模块、GPS模块和电源单元分别连接。
[0015]所述比例加法器包括:小电压互感器二次侧绕组串联电阻R2后接入运算放大器0Ρ07的3号管脚，运算放大器0Ρ07的2号管脚串联电阻Rl后接地，运算放大器0Ρ07的4号管脚和6号管脚分别接正负电源、5号管脚与CPU的I/O接口连接，电阻Rf的两端分别接到运算放大器0Ρ07的2号管脚和5号管脚。
[0016]电阻R3的一端连接到运算放大器0Ρ07的3号管脚、另一端与基准电压源AD584的I号和2号管脚分别连接，基准电压源AD584的8号管脚接电源、4号管脚接地，基准电压源AD584的3号和5号管脚悬空、6号和7号管脚之间连接电容C。
[0017]一种配电网故障定位系统的定位方法，包括:
[0018](I)变电站终端实时检测变电站输出线路始端电压互感器PT 二次侧零序电压值。
[0019](2)线路终端实时检测各分支线路上零序电流互感器的零序电流值。
[0020](3)被检测的电压互感器PT 二次侧零序电压值超过预设的启动值后，变电站终端记录设定时间内的暂态零序电压值。
[0021](4)被检测的电流互感器CT 二次侧零序电流值超过预设的启动值后，线路终端记录设定时间内的暂态零序电流值。
[0022](5)变电站终端将设定时间内的暂态零序电压数据进行累加求和，若累加和大于等于0，则标记暂态零序电压方向为I ;若累加和小于0，则标记暂态零序电压方向为O ;并将零序电压方向传输给各处线路终端。
[0023](6)线路终端将设定时间内的暂态零序电流数据进行累加求和，若累加和大于等于0，则标记零序电流方向为I ;若累加和小于0，则标记零序电流方向为O。
[0024](7)各线路终端根据暂态零序电流、暂态零序电压的方向判断是否位于故障路径上，若暂态零序电压与暂态零序电流方向不同，则在故障路径上，若相同，则不在故障路径上；并将判断结果远程传输到主站，由主站确定出故障区段。
[0025](8)所述主站接收各线路终端的暂态零序电流和暂态零序电压方向数据，沿着配电线路拓扑图依次检测各线路终端的暂态零序电流和暂态零序电压方向:
[0026]若线路终端的暂态零序电流和暂态零序电压方向相同，则判断该线路终端位于非故障线路上。
[0027]若第η个线路终端的暂态零序电流和暂态零序电压方向相反，则继续检测，直至检测到第m个线路终端的暂态零序电流和暂态零序电压方向相同，则判断第η个线路终端到第m个线路终端为故障区段。[0028]所述主站根据检测结果对配电线路拓扑图进行对比着色，对故障区域标红，准确区分故障区域和非故障区域。
[0029]本发明的有益效果是:
[0030]1.采用基于暂态零序电压和暂态零序电流突变方向的接地故障在线定位系统，故障定位判断准确性高，适用于不同中性点接地方式的配电网络；
[0031]2.暂态零序电压和暂态零序电流方向采用简单的累加和计算，计算方法简单，不用进行复杂的相量计算求得相位角。
[0032]3.整个系统只需要安装一套变电站终端就可以实现零序电压方向的计算，极大地降低了成本和安装、运行维护的难度。
[0033]4.系统采用零序电压和零序电流发生突变的时刻作为方向计算数据的起始点，这样不用在线路正常运行时也进行电压和电流参数的检测，极大地降低终端检测设备的功耗。
[0034]5.故障信息和故障区段着色都可以在主站上显示，无需人工沿线路巡视。
[0035]6.通过比较各线路终端处零序电压和零序电流方向的差异来判断是否位于故障路径上，并将判断结果远程传输到主站，最后由主站确定出故障区段。将故障判断的计算分散在了主站和终端两个设备执行，大大减少了主站的工作量，具有较强的实际应用效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1为本发明配电网故障定位系统结构示意图；
[0037]图2为暂态零序电压或零序电流方向计算方法示意图；
[0038]图3是变电站终端示意图；
[0039]图4是线路终端示意图。
[0040]其中，1.变电站终端，2.线路中断，3.主站。
【具体实施方式】:
[0041]下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明:
[0042]本发明提出的一种新的配电网故障定位系统及方法，其原理是在线路发生单相接地故障时，故障线路的暂态零序电流与暂态零序电压极性相反，且滞后零序电压90度；而非故障线路暂态零序电流与暂态零序电压极性相同，且超前零序电压90度。
[0043]将变电站终端I的计算结果传输给各线路终端2，这样各线路终端2便同时获得了暂态零序电流和暂态零序电压的方向数据O或者1，这个方向数据与零序电压，电流的极性是相对应的。各线路终端2根据零序电压、零序电流的方向数据判断线路终端2是否位于故障路径上，并将判断结果远程传输到主站3。最后由主站3确定出故障区段。
[0044]如图1所示，配电网故障定位系统由主站3、变电站终端1、线路终端2组成。
[0045]线路终端2实现暂态零序电流的检测和暂态零序电流方向的判断。
[0046]在线路正常运行时，由于消弧线圈的过补偿作用，线路中无零序电流或仅有很小的零序电流流过，相应的线路中无零序电压或零序电压很小。
[0047]当接地故障发生，在消弧线圈未投入前，线路中将检测到突然变大的零序电流和零序电压，零序电压和零序电流比较电路检测到这个突变并将此时作为参数采样的起始点，从此时开始检测I个半周期的暂态零序电压和暂态零序电流数据进行零序电压和零序电流方向的计算，并将计算得到的方向用状态I或O表示，同时将方向状态通过无线GPRS远程传输到各线路终端2接收。线路终端2将接收到的暂态零序电压和暂态零序电流方向进行对比，所有零序电流方向与零序电压方向相同的线路终端2均位于非故障线路，这样各线路终端根据零序电压、零序电流的方向判断是否位于故障路径上，并将判断结果远程传输到主站3，最后由主站3依据故障线路上各终端暂态零序电压和电流方向的异同来确定故障区段，沿着故障线路拓扑图，当第一个线路终端检测到的暂态零序电压和零序电流方向相反，若第二个终端的暂态零序电压和零序电流方向也相反，则继续寻找，直到该故障线路上第η个终端检测到的暂态零序电压和零序电流方向相同，此时第一个终端到第η个终端为故障区段；当第一个线路终端检测到的暂态零序电压和零序电流方向相同，若第二个终端的暂态零序电压和零序电流方向也相同，则第一个终端到第二个终端为非故障区段，若第二个终端的暂态零序电压和零序电流方向相反，则第一个终端到第二个终端为故障区段。主站根据存储的配电线路图进行对比着色，对故障区域标红，准确区分故障区域和非故障区域。
[0048]本发明所述的暂态零序电压和暂态零序电流方向的计算方法如附图2所示。在接地故障发生前，由于消弧线圈的补偿作用，零序电压和零序电流幅值很小，零序电压、电流波形同相位。在发生接地故障时，非故障线路的零序电流与零序电压同相位，超前90度，故障线路的零序电流与零序电压反相位，滞后90度。检测的暂态零序电压和暂态零序电流经滤波处理后简化认为其为正弦波，画出其故障前后的暂态零序电压和零序电流波形如附图2所示。
[0049]当检测到零序电压或零序电流幅值(绝对值)超过设定的限定值时，此时作为数据记录的起始点，取起始点前10个采样数据和起始点后20个采样数据进行累加求和，消除采样不准确所造成的误差。
[0050]由图中可以看出，对于故障线路，其零序电压累加和大于零，标注暂态零序电压方向为1，其零序电流累加和小于零，标注其暂态零序电流方向为0，表明零序电压与零序电流极性相反；而对于非故障线路，其暂态零序电流累加和小于零，标注为0，暂态零序电压累加和小于零，标注为0，表明零序电压和零序电流的极性相同。所以，可以通过这种简单的累加和计算，区分出故障线路和非故障线路。
[0051]本发明的变电站终端I安装在母线上，用于测量零序电压信号，变电站终端I的GPS模块在获得时标的同时发出秒脉冲信号，在每个整秒时刻触发A/D对零序电压信号进行采样，CPU采用FFT算法对采样值进行计算，得到零序电压信号的幅值，然后利用移动通信方式将零序电压的幅值以及对应的时标信息发送至各线路终端2。
[0052]本发明的线路终端2安装在分支节点上，用于测量零序电流信号，线路终端2的GPS模块在获得时标的同时发出秒脉冲信号，在每个整秒时刻触发A/D对零序信号的电流进行采样，CPU采用FFT算法对采样值进行计算，得到零序电流信号的幅值。
[0053]各线路终端2根据零序电压、零序电流的方向判断是否位于故障路径上，将判断结果远程传输到主站，最后由主站确定接地故障的区段。
[0054]变电站终端I示意图如图3所示，由小电压互感器、比例加法器、CPU、移动通信模块、GPS模块组成。小电压互感器连接变电站零序电压互感器的二次侧开口三角绕组，将变电站电压互感器PT输出的交流O到IOOV的电压变换为交流O到5V信号，交流O到5V信号输入到输入运算放大器OP07中，0P07、基准电压源AD584以及电阻Rl、R2、Rf构成比例加法器。输入运算放大器0P07输出接到CPU的8051F120的Pl.0管脚上，8051F120内部含有作为A/D转换模块的ADC转换器和附加基准电压源。8051F120通过P4和P5这两个I/O口中的P4.0-P4.7和P5.0-P5.6接点分别与移动通信模块M1206的Sub HD Pinl5端口的15个接点一一对应相连，用于驱动移动通信模块M1206，将采集的零序电压幅值、相位数据通过移动通信模块M1206传输到各处线路终端2中。8051F120通过P6.1、P6.2、P6.3、P6.4与GPS模块的GPS模块M-87的端口 TXA、RXA、RXB、IPPS对应相连，用于接收秒脉冲和标准时钟数据；电源单元用于将市电220交流转换为装置其他部分所需的低压直流电源。
[0055]线路终端2示意图如图4所示，由小电流互感器、比例加法器、CPU、移动通信模块、GPS模块组成。小电流互感器与二次侧并联的电阻Rz共同组成了电流/电压转换器，用于测量线路上的电流。线路侧的零序电流互感器的二次侧输出电流接到小电流互感器的一次侦牝电流/电压转换器输出交流O到5V信号。交流O到5V信号输入到输入运算放大器0P07中，0P07、基准电压源AD584以及电阻Rl、R2、Rf构成比例加法器。输入运算放大器0P07输出接到CPU的8051F120的Pl.0管脚上，8051F120内部含有作为A/D模块的ADC和附加基准电压源。8051F120通过P4和P5这两个I/O 口中的P4.0-P4.7和P5.0-P5.6接点分别与移动通信模块M1206的Sub HD Pinl5端口的15个接点——对应相连，用于驱动移动通信模块M1206，将采集的电流信号幅值相位数据通过移动通信模块M1206传输到主站中。8051F120 通过 P6.1、P6.2、P6.3、P6.4 与 GPS 模块的 GPS 模块 M-87 的端 口 TXA、RXA、RXB、IPPS对应相连，用于接收秒脉冲和标准时钟数据。电源单元用于将市电220交流转换为装置其他部分所需的低压直流电源。
[0056]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【权利要求】
1.一种配电网故障定位系统，其特征是，包括: 变电站终端:安装在母线上、用于实现暂态零序电压的检测和暂态零序电压方向的判断，并将检测结果传送至各处线路终端； 若干线路终端:安装在配电网各分支线路上、用于实现暂态零序电流的检测和暂态零序电流方向的判断，并根据接受到的暂态零序电压方向和检测到的暂态零序电流的方向判断其是否处在故障线路上，并将检测结果传送至主站； 主站:用于接收线路终端的判断结果，确定接地故障线路区段，并将故障线路和非故障线路区分； 变电站终端与线路终端无线通信，所述变电站终端和线路终端分别与主站无线通信。
2.如权利要求1所述的一种配电网故障定位系统，其特征是，所述变电站终端包括:小电压互感器、比例加法器和CPU依次串联连接，CPU还与移动通信模块、GPS模块和电源单元分别连接。
3.如权利要求1所述的一种配电网故障定位系统，其特征是，所述线路终端包括:小电流互感器、比例加法器和CPU依次串联连接，CPU还与移动通信模块、GPS模块和电源单元分别连接。
4.如权利要求2或3所述的一种配电网故障定位系统，其特征是，所述比例加法器包括:小电压互感器二次侧绕组串联电阻R2后接入运算放大器0P07的3号管脚，运算放大器0P07的2号管脚串联 电阻Rl后接地，运算放大器0P07的4号管脚和6号管脚分别接正负电源、5号管脚与CPU的I/O接口连接，电阻Rf的两端分别接到运算放大器0P07的2号管脚和5号管脚； 电阻R3的一端连接到运算放大器0P07的3号管脚、另一端与基准电压源AD584的I号和2号管脚分别连接，基准电压源AD584的8号管脚接电源、4号管脚接地，基准电压源AD584的3号和5号管脚悬空、6号和7号管脚之间连接电容C。
5.一种如权利要求1所述的配电网故障定位系统的定位方法，其特征是，包括: (1)变电站终端实时检测变电站输出线路始端电压互感器PT二次侧零序电压值； (2)线路终端实时检测各分支线路上零序电流互感器的零序电流值； (3)被检测的电压互感器PT二次侧零序电压值超过预设的启动值后，变电站终端记录设定时间内的暂态零序电压值； (4)被检测的电流互感器CT二次侧零序电流值超过预设的启动值后，线路终端记录设定时间内的暂态零序电流值； (5)变电站终端将设定时间内的暂态零序电压数据进行累加求和，若累加和大于等于O，则标记暂态零序电压方向为I ;若累加和小于O，则标记暂态零序电压方向为O ;并将零序电压方向传输给各处线路终端； (6)线路终端将设定时间内的暂态零序电流数据进行累加求和，若累加和大于等于O，则标记零序电流方向为I ;若累加和小于O，则标记零序电流方向为O ; (7)各线路终端根据暂态零序电流、暂态零序电压的方向判断是否位于故障路径上；并将判断结果远程传输到主站，由主站确定出故障区段。
6.如权利要求5所述的一种配电网故障定位系统的定位方法，其特征是，所述步骤(7)中判断线路终端是否位于故障路径上的方法为:若暂态零序电压与暂态零序电流方向不同，则在故障路径上，若相同，则不在故障路径上。
7.如权利要求5所述的一种配电网故障定位系统的定位方法，其特征是，所述步骤(7)中，主站接收各线路终端的暂态零序电流和暂态零序电压方向数据，沿着配电线路拓扑图依次检测各线路终端的暂态零序电流和暂态零序电压方向: 若线路终端的暂态零序电流和暂态零序电压方向相同，则判断该线路终端位于非故障线路上； 若第η个线路终端的暂态零序电流和暂态零序电压方向相反，则继续检测，直至检测到第m个线路终端的暂态零序电流和暂态零序电压方向相同，则判断第η个线路终端到第m个线路终端为故障区段。
8.如权利要求7所述的一种配电网故障定位系统的定位方法，其特征是，所述主站根据检测结果对配电线路拓扑图进行对比着色，对故障区域标红，准确区分故障区域和非故障区域。
【文档编号】G01R31/08GK103837801SQ201410116320
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月26日 优先权日:2014年3月26日
【发明者】李建修, 李立生, 邵志敏, 孙勇, 张世栋 申请人:国家电网公司, 国网山东省电力公司电力科学研究院