本发明属于三相中性点不接地系统配电网线路的单相接地故障定位领域，尤其涉及一种基于扫频注入的配电网单相接地故障定位方法及系统。
背景技术：
国内外中压配电网广泛采用中性点不接地或经消弧线圈接地运行方式，相对于高压输电网络，中压配电网发生故障的概率高，其中单相接地故障频发。由于单相故障接地时，非故障相对地电压升高，过电压可能导致接地故障转化为相间短路故障，严重危害系统绝缘和设备安全，造成跳闸和供电中断。为了系统安全运行,需要在单相接地故障后迅速确定故障线路及故障点位置，以便进一步采取故障处理措施。
目前对单相接地故障定位方法主要分为主动式定位方法与被动式定位方法两类。被动式故障定位方法主要是利用故障本身所产生的电压及电流信号的特征来进行定位计算。但是，由于这种信号易受干扰，导致此种方法定位结果不够准确。主动式故障定位方法主要利用交流信号注入法，该方法主要是利用信号注入装置通过母线电压互感器向系统注入特定频率的交流电流信号，通过探测故障线路上该信号的位置分布来实现故障定位。但是，这种方法存在着注入信号受电压互感器容量限制和分布电容对注入信号的分流的影响，对于不同参数分布的配电网线路架构而言，利用该方法容易导致故障定位失败。
综上所述，进一步提高对三相中性点不接地系统配电网线路的单相接地故障的定位准确性是需要解决的问题。
技术实现要素：
本发明提供一种基于扫频注入的配电网单相接地故障定位系统和方法，以提高三相中性点不接地系统配电网线路的单相接地故障的定位准确性。
第一方面，本发明提供的基于扫频注入的配电网单相接地故障定位系统，包括若干条待定位线路，所述若干条待定位线路的输入端分别与配电网三相母线输出端连接，所述若干条待定位线路的输出端均依次电连接三相电压互感器和三个高压开关。还包括与所述三相电压互感器和三个高压开关均电连接的集中处理器，以及与所述三个高压开关均电连接的可控电源，所述可控电源的另一端接地。还包括分散设置在所述若干条待定位线路上、且均位于所述三个高压开关之后的若干故障指示器；所有的故障指示器均与所述集中处理器通信连接。
优选的，上述基于扫频注入的配电网单相接地故障定位系统中，所述可控电源为级联h桥。
优选的，上述基于扫频注入的配电网单相接地故障定位系统中，靠近所述可控电源的接地端处设置有与所述集中处理器电连接的返回电流检测装置。
优选的，上述基于扫频注入的配电网单相接地故障定位系统中，所述集中处理器包括依次电连接的三相母线对地实时电压接收模块、单相故障判断模块、可控电源接入故障相控制模块、扫频注入命令发送模块、实时特征电流接收模块和单相接地故障定位模块；其中，所述三相母线对地实时电压接收模块与所述三相电压互感器电连接，所述可控电源接入故障相控制模块和所述高压开关电连接，所述扫频注入命令发送模块与所述可控电源电连接，所述实时特征电流接收模块与所述故障指示器通信连接。
优选的，上述基于扫频注入的配电网单相接地故障定位系统中，所述故障指示器包括特征电流发送模块，所述特征电流发送模块与所述实时特征电流接收模块通信连接。
结合第一方面，本发明的第二方面提供了一种基于扫频注入定位配电网单相接地故障的方法，应用于集中处理器中，该方法包括，
接收三相电压互感器发送的配电网三相母线对地实时电压；
根据所述述三相母线对地电压判断是否出现单相故障，如果是，继续判断故障相；
控制与所述故障相对应的高压开关闭合，使得可控电源接入所述故障相；
发送故障点定位命令至所述可控电源，以使其利用扫频法向故障相注入频率和幅值可调的电压或电流，且使得在所述故障相故障点的上游的线路上产生所述特征电流；
接收故障相上每个故障指示器发送的实时特征电流组，所述每组实时特征电流均包括与三相母线同一位置对应的三个特征电流，所述实时特征电流均携带有对应的故障指示测器的位置信息；
确定三个特征电流的幅值不相等的实时特征电流组所对应的故障指示器中，距离三相母线的输出端最远的故障指示器之后的位置为故障位置。
优选的，还包括实时检测可控电源的接地电流。
优选的，所诉发送故障点定位命令至所述可控电源，以使其利用扫频法向故障相注入频率和幅值可调的电压或电流，且使得在所述故障相故障点的上游的线路上产生所述特征电流具体是指：
确定所述注入频率的初始频率值、频率步长和终止频率值；
确定初始电流/电压幅值、电流/电压步长和终止电流/电压幅值；
可控电源按频率步长，从初始频率值改变输出频率至终止频率值，完成一次扫频，按电流/电压步长，从初始电流/电压幅值改变输出电流/电压幅值至终止电流/电压幅值，重复进行扫频；直到集中处理器确定出故障点位置或者达到终止电流/电压幅值为止结束扫频注入过程，以使得在所述故障相故障点的上游线路上产生所述特征电流。
优选的，所述注入频率fcom的满足以下范围区间：
其中，r为故障点接地电阻值，c0为正常运行系统单相线路对地电容值，ω为电源角频率，
优选的，所述注入电流为直流或交流电流。
本发明采用主动式定位方式定位单相接地故障。通过可控电源为三相母线中注入电流，可控电源注入电流，具有频率广，幅值可调，而且可以实现电压或电流输出的优点。注入过程利用扫频法，注入电流可以根据不同的电网架构参数设定范围，并从中选取最优注入特征电流，依据故障指示器回传的三相母线各相中针对最优注入特征电流产生的实时特征电流值精确定位出故障区域，相比现有的定位方式，准确率更高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于扫频注入的配电网单相接地故障定位系统的结构示意图；
图2为图1中特征电压注入电路的结构示意图；
图3为图1中集中处理器的结构示意图；
其中1-集中处理器，101-三相母线对地实时电压接收模块，102-单相故障判断模块，103-可控电源接入故障相控制模块，104-扫频注入命令发送模块，105-实时特征电流接收模块，106-单相接地故障定位模块，2-三相电压互感器，3-高压开关，4-可控电源，5-故障指示器，501-特征电流发送模块，6-返回电流检测装置。
具体实施方式
本发明提供一种基于扫频注入的配电网单相接地故障定位系统和方法，以提高三相中性点不接地系统配电网线路的单相接地故障的定位准确性。以下以实施例的方式进行说明。
本发明提供的基于扫频注入的配电网单相接地故障定位系统，包括若干条待定位线路，所述若干条待定位线路的输入端分别与配电网三相母线输出端连接。所述若干条待定位线路的输出端均依次电连接三相电压互感器和三个高压开关。还包括与所述三相电压互感器和三个高压开关均电连接的集中处理器，以及与所述三个高压开关均电连接的可控电源，所述可控电源的另一端接地。还包括分散设置在所述若干条待定位线路上、且均位于所述三个高压开关之后的若干故障指示器；所有的故障指示器均与所述集中处理器通信连接。
本发明提供的定位系统，三相母线连接的待定位线路可以为多条，本发明对线路条数不做限定。实施中，只需将母线分成若干分支，分别将各条待定位线路接入此若干分支，使得所有的待定位线路均接入三相母线中。请参考图1，该图示出了本发明实施例提供的基于扫频注入的配电网单相接地故障定位系统的结构。该实施例以三相母线的输出端连接三条待定位线路为例进行说明。如图所示，该定位系统包括三条待定位线路，这三条待定位线路的输入端分别与配电网三相母线输出端连接，这三条待定位线路的输出端均依次电连接三相电压互感器2和三个高压开关3。三个高压开关为k1、k2、和k3，分别与三相母线中的a相、b相和c相连接。还包括与三相电压互感器2和三个高压开关3均电连接的集中处理器1，以及与所述三个高压开关3均电连接的可控电源4，所述可控电源4的另一端接地。
还包括分散设置在所述若干条待定位线路上、且均位于所述三个高压开关3之后的若干故障指示器5；所有的故障指示器均与所述集中处理器(1)通信连接。如图1所示，故障指示器标记为a至f。所有的故障指示器均与所述集中处理器1通信连接。故障指示器就是故障指示器，具备电流检测、故障报警等功能。可以识别注入的特定频率电流，读取特征电流幅值信息。a至f均包括连接在三相母线同一位置对应的三个故障指示器。待定位线路1中接入的是a和d，待定位线路2中接入的是b和f，待定位线路3中接入的是c和e。
该系统的工作过程分为三个阶段。第一个阶段为判断是否出现单相故障；第二个阶段为利用扫频法向故障相注入特征电流，注入开始前调整注入特征电流为最优注入特征电流，第三为当注入电流为最优注入特征电流时，定位故障相的单相接地位置。以下按照这三个工作阶段的顺序说明该系统的工作过程。
在第一阶段中三相电压互感器4检测配电网三相母线对地实时电压，并将此实时对地电压发送至集中处理器。结合图1，得到了三个实时对地电压ua、ub和uc，当无单相接地故障时，ua、ub和uc应该相等或近似相等，而如果ua、ub或uc中出现了其中某项突然变低，其余两相升高但小于线电压，则判断出现单相接地故障，且ua、ub或uc中实时电压降低的相即为故障相，需要立刻对此故障定位。结合图1，假定单相接地故障点为ig，故障相为c相。定位前，集中处理器1控制与c相对应的高压开关k3闭合，使得可控电源4接入所述c相。那么，闭合c相后就使得故障指示器c和e与可控电源4接通。
本方法采用的特征电压注入电路如图2所示，可控电源4采用级联h桥拓扑，每个级联h桥的直流侧都采用直流电源进行供电，通过pwm调制技术，级联h桥可以在c相母线和地之间注入一定频率和幅值的特征电压。所述可控电源可以为级联h桥。利用级联h桥注入电流是因为以下两个原因：第一，级联h桥是直挂设备的常用结构形式，可以满足直接挂网时的输出电压要求，对于不同架构的电网可以匹配不同的级联h桥。第二，级联h桥在输出特定频率电流时，谐波更少，去掉变压器耦合环节使得可注入的电流幅值增大，有利于定位的准确性。
级联h桥的可控电源的注入电流可以为直流注入方式也可以是交流注入方式，没有规定可以依据具体情况选择两种注入方式组合使用。
在第二阶段中，集中处理器1发送故障点定位命令至所述可控电源4，以使其利用扫频法向c相注入频率和幅值可调的电压或电流，且使得在c相故障点ig的上游的线路上产生特征电流。当c相母线处注入一定量的特征对地电压后，c相线路中会产生相同频率的特征电流，此特征电流会从线路对地电容c1和接地点ig流过，并流回级联h桥。c线路上的c和e故障指示器会测得特征电流幅值信息，且这些实时特征电流均携带有对应的位置信息，此位置信息是指地理位置信息。通过无线通信将实时特征电流传回集中处理系统，从而可以判定接地点的具体区间。靠近所述可控电源的接地端处设置有与所述集中处理器电连接的返回电流检测装置，用于实时检测从可控电源流出的注入电流，经过故障相产生了特征电流，并流回级联h桥时的回流电流值。此回流电流值与故障指示器回传至集中处理器的实时特征电流值相结合，可以作为反馈并调整可控电源实时注入电流的依据。通过此反馈可以将可控电源你的注入电流调整至和电网架构参数最匹配的最优注入特征电流。调整的过程利用扫频注入法实现。
在第二阶段中，扫频注入法具体是指：在确定所述注入频率的初始频率值、频率步长和终止频率值，确定初始电流/电压幅值、电流/电压步长和终止电流/电压幅值后，可控电源按频率步长，从初始频率值改变输出频率至终止频率值，完成一次扫频，按电流/电压步长，从初始电流/电压幅值改变输出电流/电压幅值至终止电流/电压幅值，重复进行扫频；直到集中处理器确定出故障点位置或者达到终止电流/电压幅值为止结束扫频注入过程，以使得在所述故障相故障点的上游线路上产生所述特征电流。
其中，最优注入特征电流的选择具体操作为：首先根据中性点对地电压ua、ub和故障相电压uc计算接地电阻值。为了减少故障相线路分布电容对线路特征电流的分流影响，根据接地电阻与分布电容的阻抗之间的关系可以得到注入电流频率的范围。再次，通过图1中所示靠近可控电源4的接地端处设置的返回电流检测装置6实时检测可控电源的接地电流。考虑注入电流对系统的影响，根据故障指示器检测精度和接地电流大小，确定注入电流幅值范围。试验得出，所述注入电流幅值范围小于或等于所述接地电流的二十分之一时电流对系统的影响较小且同时易于检测。接地电流发送至集中处理器1，集中处理器根据接地电流控制可控电源的输出电流的幅值小于或等于所述接地电流的二十分之一。
注入频率fcom的满足以下范围区间：
其中，r为故障点接地电阻值，c0为正常运行系统单相线路对地电容值，ω为电源角频率，
在确定了电流注入的频率范围和幅值范围后，确定可控电源输出电压注入或电流注入。如果是电流注入，初始电流选定为最小值，扫频过程中，频率从计算的可选范围的最大值开始，按频率步长逐渐调节到0hz完成一次扫频，按照电流步长增大注入电流，直到集中处理系统能接收到故障指示器发送的信号为止。如果是电压注入，初始电压从0v开始，扫频过程中，频率从计算的可选范围的最大值开始，按频率步长逐渐调节到0hz完成一次扫频，按照电压步长增大注入电压，直到集中处理系统能接收到故障指示器发送的信号为止。
下面以具体数值举例说明扫频注入法的过程。首先获取配电网的对地电容c0、接地电阻r。初始频率设置为计算的注入特征频率的最大值，以频率步长5hz依次减小，终止频率0hz。电流注入下，为便于故障指示器对特征电流的检测，初始电流幅值设置为50ma，电流以步长10ma增大，终止电流幅值按照接地电流的大小设置为5％的接地电流(一般在20a～30a大小)。电压注入下，初始电压幅值设置为0v，电压步长设置为30v，终止电压幅值根据装置的直流电压而决定，设置为直流电压的5％，这样保证始终在装置可提供的容量范围内。按照上述参数设定，从初始频率值改变输出频率至终止频率值，完成一次扫频，按电流/电压步长，从初始电流/电压幅值改变输出电流/电压幅值至终止电流/电压幅值，重复进行扫频；直到集中处理器确定出故障点位置或者达到终止电流/电压幅值为止结束扫频注入过程。
在第三阶段中，经过上述过程，确定了最优注入特征电流后，针对此最优特征电流值精确定位出故障区域。具体定位过程为：确定三个特征电流的幅值不相等的实时特征电流组所对应的故障指示器中，距离三相母线的输出端最远的故障指示器之后的位置为故障位置。结合图1，具体过程为：c和e故障指示器中安在同一位置的三个故障指示器将检测到的特征电流幅值传回至集中处理器。当发生单相接地故障时，在故障点之前的同一位置的故障指示器中三个特征电流中会出现一个特征量交其他两个电流明显增加的情况，而故障点之后的位置的故障指示器的三个特征电流的电流值会基本一致。因此，可以通过在集中处理器中对所有回传的特征电进行比较，判断同一位置中具有较大特征电流量的为故障相，且根据特征电流中携带的位置信息，确定三个特征电流的幅值不相等的实时特征电流组所对应的故障指示器中，距离三相母线的输出端最远的故障指示器之后的位置为故障位置。结合图1，故障相为c相，故障位置为ig,当向c相注入了特征电流，c故障指示器所检测到的特征电流量，而e故障指示器所未检测到特征电流量，集中处理系统则可以根据传回信号，可以确定单相接地故障点位于c故障指示器和e故障指示器之间的配电线路上。
虽然图1中故障相上的故障指示器只示出了c和e，且故障点ig之前的故障指示器只示出了c。但是图1只是示例性的，如果配电网长度较长且故障率较高，可以提高故障指示器的布置密度，例如，在图1中在c和e之间依次布置五个故障指示器c1-c5，为了能够更准确找到接地点ig究竟位于c1-c5的精确位置，可以通过注入多个不同频率和幅值电流信号。集中处理器得到多次c1-c5的传回的三组实时特征电流。一个频率和幅值的注入电流，对应一次传回的实时特征电流。例如，第一次回传后，在c1-c5中三个特征电流中，均出现一个特征量交其他两个电流明显增加的情况，第n次回传后，在c1-c5中三个特征电流中，只有c1-c3出现一个特征量交其他两个电流明显增加的情况，c4-c5未出现这种情况，可见根据多次回传信息可以更准确的确定单相接地故障点，直到锁定故障点ig精确位置。其中，不同频率的特征电流的频率范围满足上述fcom的范围。
综上所述，本发明采用主动式定位方式定位单相接地故障。通过可控电源为三相母线中注入电流，可控电源注入电流，具有频率广，幅值可调，而且可以实现电压或电流输出的优点。注入过程利用扫频法，注入电流可以根据不同的电网架构参数设定范围，并从中选取最优注入特征电流，依据故障指示器回传的三相母线各相中针对最优注入特征电流产生的实时特征电流值精确定位出故障区域，相比现有的定位方式，准确率更高。
为了实现上述的三个工作阶段，请参考图3，该图示出了集中处理器的结构。所述集中处理器包括依次电连接的三相母线对地实时电压接收模块101、单相故障判断模块102、可控电源接入故障相控制模块103、扫频注入命令发送模块104、实时特征电流接收模块105和单相接地故障定位模块106；其中，所述三相母线对地实时电压接收模块101与所述三相电压互感器2电连接，所述可控电源接入故障相控制模块103和所述高压开关3电连接，所述扫频注入命令发送模块104与所述可控电源4电连接，所述实时特征电流接收模块105与所述故障指示器通信501连接。通信连接方式可以优选为无线通信方式。所述故障指示器5包括特征电流发送模块，所述特征电流发送模块501与所述实时特征电流接收模块105通信连接。集中处理器的工作过程为：三相母线对地实时电压接收模块101接收三相电压互感器2发送的实时三相对地电压，单相故障判断模块102根据所述述三相母线对地电压判断是否出现单相故障，如果是，继续判断故障相。当判断出故障相后，可控电源接入故障相控制模块103控制与所述故障相对应的高压开关闭合，使得可控电源接入所述故障相。扫频注入命令发送模块104发送故障点定位命令至所述可控电源，以使其利用扫频法向故障相注入频率和幅值可调的电压或电流，且使得在所述故障相故障点的上游的线路上产生所述特征电流。实时特征电流接收模块105接收故障相上每个故障指示器中故障指示器通信501发送的实时特征电流组。单相接地故障定位模块106确定三个特征电流的幅值不相等的实时特征电流组所对应的故障指示器中，距离三相母线的输出端最远的故障指示器之后的位置为故障位置。详细的过程可以参考上述关于基于扫频注入的配电网单相接地故障定位系统的三个阶段的工作过程的介绍，此不赘述。
需要说明的是，图1中的故障指示器是图3中的故障指示器中的几个，标记为a-e。在实际中,故障指示器的安装间距没有规定，可根据实际运行线路来定，通常，在故障易发线路中，每隔5km安放一个故障指示器。非故障易发线路，距离可以适当加大。为了发生单相接地故障后，巡线人员快速排除接地故障，方便巡线的区域可以稀疏安装，不方便巡线的区域需要密集安装。本发明定位单相接地故障点的地理准确度与电流检测器实际安装距离有关，安装越密集，地理定位信息越准确。
综上所述，利用本发明提供的基于扫频注入的配电网单相接地故障定位方法，按照上述三个阶段的工作过程，应用在本发明提供的基于扫频注入的配电网单相接地故障定位系统中，能够提高三相中性点不接地系统配电网线路的单相接地故障的定位准确性。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。