基于三相电压电流的10kV配电线路断线故障判定方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于三相电压电流的10kV配电线路断线故障判定方法，包括：获取配电网各节点的电压、电流信息；根据采集到的配电网电流信息确定发生故障的线路，并判断故障线路是否为断线故障；判定是单相还是多相断线故障；判定单相或者多相断线故障的具体故障类型；通过向前或向后比较各节点电压信息是否一致，确定具体的故障区段。本发明有益效果：通过采集到的电压电流信息，不仅可以进行单相断线及其接地复杂故障的判定，还能够对多相断线及其接地复杂故障进行准确检测和定位，缩短了故障处理的时间。
【专利说明】
基于三相电压电流的10kV配电线路断线故障判定方法
技术领域
[0001] 本发明属于配电线路故障诊断技术领域，特别涉及一种基于三相电压电流的10kV 配电线路断线故障判定方法。
【背景技术】
[0002] 配电网一般来说是指35kV及其以下电压等级的电力网络，作用是向城市里各个配 电站和各类用电负荷供电。目前我国大部分城市配电线路采用的是10kV电压等级向用户供 电。配电线路分布面广，总长度长，但运行环境恶劣，极易因雷击，机械外力作用和线路负荷 过载而发生断线故障，严重威胁供电的安全性和可靠性。线路发生断线故障后，系统的电压 质量将会受到十分明显的影响，系统的三相对称性遭到破坏，同时还有可能致使电动机因 缺相运行而烧毁，大大减小了设备的使用寿命。此外断线后还会有很大的可能继续发生各 种接地故障，这样将可能引发火灾，甚至电死人畜，造成难以挽救的后果。
[0003] 现有技术通过分析配电网发生单相断线故障时负序电流在系统中的分布规律，得 出故障后系统负序电流大部分由故障点经故障线路流向电源，而非故障线路的负序电流相 对较小，以此作为故障选线的理论依据，且故障相电流绝对值差分后最大最小的差值在三 相处理结果中是最大的，可以初步判定故障相，然后取半个周波内负序电流与故障相电压 的乘积对时间的积分值作为能量测度，动作判据为:按躲开其他馈线单相断线故障的最大 能量测度进行整定。
[0004] 现有技术针对10kV架空线路辐射状的拓扑特点，利用故障分量法对单相断线故障 的负序电压分布进行分析，提出了基于负序电压幅值的单相断线判据。并结合负荷监测点 到电源点的最小路径分析，提出了基于负荷监测仪的单相断线故障区域判定方法，通过划 定发生单相断线故障的可能区域和不可能区域，同时将这两个区域作差集运算，得出最小 断线故障区域。
[0005] 上述技术中的故障分析和故障检测定位方案有如下缺点：
[0006] ①上述文献都是针对的是单相断线故障提出的处理办法，对附加接地故障，尤其 是对多相断线故障缺乏充分的分析，解决方案相对单一，且难以判断故障类型；
[0007] ②通过检测负序电流电压作为判定依据，需要在负荷侧增加设备，增加了投资和 设备运维的工作量；
[0008] ③通过比较电压电流相位差作为判定依据，在特殊负荷类型情况下容易造成误判 断，可靠性难以保障；
[0009] ④通过划分区域来确定故障位置仍难以准确确定故障区段，需要辅助人工巡查确 定具体故障点。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是为了克服上述问题，提出了一种基于三相电压电流的10kv配电线 路断线故障判定方法，该方法仅仅依靠现有设备上可以获得的信息，不用增添新的设备;判 定原理简单，可靠性高;能够对单相以及多相断线及其接地复杂故障进行准确判定。
[0011] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
[0012] 基于三相电压电流的10kV配电线路断线故障判定方法，包括：
[0013] (1)获取配电网各节点的电压、电流信息;如果某测量点或某几个测量点的电压电 流变化幅度超过设定阈值，则配电线路发生故障；
[0014] (2)根据采集到的配电网电流信息确定发生故障的线路，并判断故障线路是否为 断线故障，如果是，进入下一步，否则，结束；
[0015] (3)判断故障类型为单相断线故障还是多相断线故障；如果是单相断线故障，进入 步骤(4);如果是多相断线故障，进入步骤(5);
[0016] (4)根据故障前相电压有效值、故障后电源侧母线各相电压的有效值以及电压整 定值之间的关系，判定单相断线故障的具体故障类型;进入步骤(6);
[0017] (5)根据故障前相电压有效值、故障后电源侧母线各相电压的有效值、故障后负荷 侧相对地电压以及电压整定值之间的关系，判定多相断线故障的具体故障类型;进入步骤 (6)；
[0018] (6)通过向前或向后比较各节点电压信息是否一致，确定具体的故障区段。
[0019] 进一步地，所述步骤(2)中，如果配网线路三相电流中出现一相电流缺失或者三相 电流全部降低，则该配网线路确定为故障线路；
[0020] 故障线路出现至少一相电流的绝对值小于电流整定门槛值时，判定故障线路为断 线故障。
[0021] 进一步地，所述步骤(3)中，
[0022]如果同时满足以下条件，则判断为单相断线故障：
[0023] 1)其中一相的电流有效值的绝对值不大于电流整定门槛值；
[0024] 2)另外两相的电流有效值的绝对值相等，并且其值介于[之间，In为故 障前相电流有效值；
[0025] 3)另外两相的电流相位角的差值介于[120°，180°]之间；
[0026] 如果故障线路三相电流的有效值相等，且绝对值均不大于电流整定门槛值，则判 定为发生多相断线故障。
[0027] 进一步地，所述步骤(4)中，单相断线故障具体故障类型的判定方法为：
[0028] 1)判断是否出现电压为零的相，如果没有，则判定为单相断线两端悬空故障，电压 升高的一相判定为断线故障相;如果有，则伴随有接地故障，转入下一步；
[0029] 2)判断电源为零的相在电源侧还是在负荷侧，如果在电源侧，则判定为单相断线 加电源侧接地故障，电压为零的相判定为断线故障相;如果在负荷侧，则判定为单相断线加 负荷侧接地故障，电压为零的相判定为断线故障相。
[0030] 进一步地，所述步骤(5)中，多相断线故障的具体故障类型包括:两相断线不接地 故障、两相断线加电源侧一相接地故障、两相断线加负荷侧一相接地故障、三相断线故障。 [00 31] 进一步地，所述步骤(5)中，
[0032]如果故障线路三相电流均满足小于电流整定门槛值，且出现一相电压降至0,则判 断是否为负荷侧电压降至〇:
[0033] 如果负荷侧电压降至0,则可判定为发生两相断线加负荷侧一相接地故障，电源侧 电压非〇两相为故障相；
[0034] 如果负荷侧电压不为0,则判定为发生两相断线加电源侧一相接地故障，电源侧电 压与负荷侧电压相异的两相为故障相。
[0035] 进一步地，所述步骤(5)中，
[0036]如果故障线路三相电流均满足小于电流整定门槛值，且未出现一相电压为0;则判 断电源侧相电压是否变化，如果有变化，则判定为两相断线不接地故障，两个电压升高相为 断线故障相。
[0037] 进一步地，所述步骤(5)中，
[0038] 如果负荷侧各相电压降至0,电源侧电压保持不变，则判定为三相断线故障。
[0039] 进一步地，确定具体的故障区段的方法为：
[0040] 若电源侧电压变化超出设定阈值，则从电源侧节点开始向后寻找故障点，先比较 电源侧节点后的第一个节点电压和第二个节点电压，若两者一致，再比较电源侧节点后的 第二个节点电压和第三个节点电压，直到找到节点电压信息不一致的两个节点，则确定故 障点位于这两个节点之间；
[0041] 若电源侧母线电压变化没有超过设定阈值，则故障后负荷侧电压变化将会超出设 定阈值，此时从负荷侧开始向前寻找故障点，找到相邻节点电压信息不一致的两个节点，则 确定故障点位于这两个节点之间。
[0042]本发明的有益效果是：
[0043] 1.本发明原理简单，实现容易;不需额外增加设备，成本低，不增加运维工作量；
[0044] 2.通过采集到的电压电流信息，不仅可以进行单相断线及其接地复杂故障的判 定，还能够对多相断线及其接地复杂故障进行准确检测和定位，缩短了故障处理的时间。
【附图说明】
[0045] 图1是配电网络等效结构图；
[0046] 图2是本发明配电线路监测装置结构图；
[0047] 图3是本发明进行断线故障检测与定位的系统结构图；
[0048]图4是本发明故障判定主流程图；
[0049]图5是本发明单相断线故障判定流程图；
[0050]图6是本发明多相断线故障判定流程图。
【具体实施方式】：
[0051] 下面结合附图与实例对本发明做进一步说明：
[0052] 如图1所示的配电网简化结构图，1 一8节点为本监测装置安装点，其中节点2、3节 点之间发生了断线故障，线路I为故障线路，线路Π代表其他非故障线路的等效线路。
[0053]如图4所示流程，本实施例通过以下步骤进行10kV断线故障的检测及定位：
[0054]第一步，通过安装在配电线路各节点的监测装置获取各节点的电压、电流信息。
[0055]所述的配电网是指由架空线路、电缆、杆塔、配电变压器、隔离开关、无功补偿设备 以及其他附属设施构成的10kV电压等级的辐射型电力网络。
[0056] 所述的监测装置拥有如图2所示结构，电压、电流等模拟量通过电压互感器二次 侦叭电流互感器二次侧输入设备，数据采集系统包括电压形成、模拟低通滤波器(LPF)、采样 保持器(S/Η)以及数模转换(A/D)等功能块，完成将模拟输入量准确地转换为微型机能够识 别的数字量;数字信号处理(DSP)芯片将数字信号进行分析，得到所采集电压电流的幅值相 位;主CPU对得到的电压电流信息同储存设备中的故障判据进行比对分析，判断是否发生断 线故障及故障类型；通信接口连接主CPU和通信网络，通过通信接口主CPU向主控系统上传 各测量点的故障信息，主控系统向主CHJ下达动作命令；出口继电器连接线路刀闸等隔离设 备，在主CPU命令下动作;人机交互设备接口连接液晶显示器、光字牌、报警灯等显示设备， 向工作人员报告故障信息。
[0057] 所述的电压、电流信息所指的是各节点各相对地电压幅值和相位，各相电流幅值 和相位。
[0058] 第二步：当检测到某测量点或某几个测量点的电压电流变化幅度超过设定阈值， 首先根据米集到的电流?目息判断故障线路，确定是短路故障还是断线故障，同时确定是单 相断线故障还是多相断线故障。
[0059] (1)故障线路筛选：
[0060] 出现断线的线路会出现一相电流缺失或者三相电流全部大幅度降低，而非故障线 路三相电流正常。
[0061] (2)短路故障和断线故障的区分：
[0062] 以电流值为判据，当出现至少一相电流|lf|<Iset，其中If为故障相电流，I set为电 流整定门槛值，应按系统中出现断线故障时故障相可能出现的最大电流来整定，电流满足 上式则可判定出现了断线故障。即当出现至少一相电流小于整定值时，就可以判定发生了 断线故障，而中性点不接地系统中发生短路故障不会出现电流大幅度降低的状况。
[0063] (3)判定单相断线故障还是多相断线故障：
[0064]如果同时满足以下条件，则判断为单相断线故障：
[0065] 1)其中一相的电流有效值的绝对值不大于电流整定门槛值；
[0066] 2)另外两相的电流有效值的绝对值相等，并且其值介于[. ]之间，In为故 障前相电流有效值；
[0067] 3)另外两相的电流相位角的差值介于[120°，180°]之间；
[0069]其中七、/:s、&为三相电流，Ise3t为电流整定门槛值，应按系统中出现断线故障时故 障相可能出现的最大电流来整定，II为故障前负荷电流有效值。当三相电流满足上述条件 时，可以判定为发生了A相断线故障。
[0070] 多相断线故障电流判据：
[0071] 丨，士|/8|=|/:&卜
[0072] IS(3t为电流整定门槛值，应按系统中出现断线故障时故障相可能出现的最大电流 来整定，当电流满足上述条件时可以判定发生多相断线故障。
[0073] 第三步:根据第二步所得的结果，分别进入单相断线故障判定流程或者多相断线 故障判定流程，确定具体的故障类型。
[0074]具体故障类型包括：
[0075] 单相断线两端悬空故障、单相断线加电源侧接地故障、单相断线加负荷侧接地故 障；
[0076] 两相断线两端悬空故障、两相断线加电源侧一相接地故障、两相断线加负荷侧一 相接地故障。
[0077] 如图5所示，单相断线判定流程具体包括：
[0078] 1)判断是否出现电压为零的相，如果没有，则判定为单相断线两端悬空故障，电压 升高的一相判定为断线故障相;如果有，则伴随有接地故障，转入下一步；
[0079] 单相断线且两端悬空故障的辅助判据为：
[0081] 上式中匕":、~"分别为故障后电源侧母线各相对地电压，Em为电源侧母线故 障前相电压有效值，ΔΕ为整定允许误差值，应为系统中发生该故障时相电压的最大偏差 值。
[0082] 2)判断电源为零的相在电源侧还是在负荷侧，如果在电源侧，则判定为单相断线 加电源侧接地故障，电压为零的相判定为断线故障相;如果在负荷侧，则判定为单相断线加 负荷侧接地故障，电压为零的相判定为断线故障相。
[0083]单相断线且电源侧接地故障辅助判据为：
[0085]上式中，Uset为电压整定值，应按系统中发生该故障时故障相可能出现的最大电压 来整定。单相断线且负荷侧接地故障辅助判据为：
[0087] Um为故障后负荷侧A相对地电压有效值，ΔΕ为整定允许误差值，应为系统中发生 该故障时相电压的最大偏差值。
[0088] 多相断线故障判定流程如图6所示，具体包括：
[0089] 两相断线且电源侧两相短路和两相断线且电源侧两相短路接地故障特征同两相 短路故障，出现相间短路电流，根据电流保护原则进行保护整定，此时电流保护设备将动作 跳闸。
[0090] 如果没有出现相间短路电流，则三相电流不大于电流整定门槛值，判断是否出现 一相电压降至〇;
[0091] 1、如果故障线路三相电流均满足电流整定门槛值，且出现一相电压降至0,则判断 是否为负荷侧电压降至〇:
[0092] 如果负荷侧电压降至0,则可判定为发生两相断线加负荷侧一相接地故障，电源侧 电压非〇两相位故障相。
[0093] 两相断线加负荷侧一相接地故障辅助判据为：
[0095] 知为负荷侧相电压有效值，因为三相重合，所以用一个符号表示。根据 可以判定出故障相为B、C两相，由A相电压最低可知是负荷侧接地。
[0096] 如果负荷侧电压不为0,电源侧一相电压降至0,则判定为发生两相断线加电源侧 一相接地故障，电源侧电压与负荷侧电压相异的两相为故障相。
[0097] 两相断线加电源侧一相接地故障辅助判据为（以B相接地为例）：
[0099] Uset为电压整定值；ΔΕ为整定允许误差值，整定原则同上；为故障后负荷侧相 对地电压，因为三相重合，所以用一个符号表示。
[0100] 2、如果故障线路三相电流均满足电流整定门槛值，未出现一相电压为0;则判定为 两相断线不接地故障，两个电压升高相为断线故障相。
[0101 ]两相断线不接地故障辅助判据为：
[0103] ?分别为故障后电源侧母线各相电压的有效值，Em为故障前相电压有 效值。
[0104] 3、三相断线故障等效于切负荷，故障特征比较明显，负荷侧各相电压降至0,电源 侧电压保持不变。
[0105] 所述的电源侧为位于故障点上游靠近供电端的一侧。所述负荷侧为故障点下游靠 近受电端一侧。
[0106] 第四步:通过向前或向后比较各节点电压信息是否一致，确定具体的故障区段。 [0107]所述的向前或向后比较各节点电压信息的具体过程描述如下：
[0108]如图3系统图所示，监测装置安装在配电线路各测量点，每个装置通过通信网络连 接到主控系统上，监测装置采集和上传各测量点的电气量信息，主控系统对这些信息和故 障数据库中的信息比对，确定故障类型，并通过比较各测量点的电压来确定故障区段。比较 过程如下：如图1所示，若故障发生在线路I的2、3之间，测量点1处的检测到电流缺相，而测 量点5各相电流正常，可以判定线路I发生了断线故障，为了确定故障区段，若电源侧电压变 化超出设定阈值，则从电源侧节点开始向后寻找故障点，先比较测量点1和测量点2电压，两 测量点电压信息一致，则再比较测量点2和测量点3电压，此时2、3的电压信息不一致，则可 以确定故障在测量点2、3之间，而且结合以上的故障辅助判据，可以确定故障相别与故障类 型。若电源侧测量点电压变化不明显，则故障后负荷侧电压变化将会超出设定阈值，此时可 以从负荷侧测量点开始向前寻找故障点，如从测量点4开始寻址，先比较测量点4和测量点3 之间电压信息，两测量点电压信息一致，再比较测量点3和测量点2之间的电压信息，此时两 测量点电压信息不一致，则可以确定故障在测量点3、2之间。
[0109]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。
【主权项】
1. 基于三相电压电流的lOkV配电线路断线故障判定方法，其特征是，包括： (1) 获取配电网各节点的电压、电流信息；如果某测量点或某几个测量点的电压电流变 化幅度超过设定阈值，则配电线路发生故障； (2) 根据采集到的配电网电流信息确定发生故障的线路，并判断故障线路是否为断线 故障，如果是，进入下一步，否则，结束； (3) 判断故障类型为单相断线故障还是多相断线故障；如果是单相断线故障，进入步骤 (4);如果是多相断线故障，进入步骤(5); (4) 根据故障前相电压有效值、故障后电源侧母线各相电压的有效值以及电压整定值 之间的关系，判定单相断线故障的具体故障类型;进入步骤(6); (5) 根据故障前相电压有效值、故障后电源侧母线各相电压的有效值、故障后负荷侧相 对地电压以及电压整定值之间的关系，判定多相断线故障的具体故障类型;进入步骤(6); (6) 通过向前或向后比较各节点电压信息是否一致，确定具体的故障区段。2. 如权利要求1所述的一种基于三相电压电流的10kV配电线路断线故障判定方法，其 特征是，所述步骤(2)中，如果配网线路三相电流中出现一相电流缺失或者三相电流全部降 低，则该配网线路确定为故障线路； 故障线路出现至少一相电流的绝对值小于电流整定门滥值时，判定故障线路为断线故 障。3. 如权利要求1所述的一种基于三相电压电流的10kV配电线路断线故障判定方法，其 特征是，所述步骤(3)中， 如果同时满足以下条件，则判断为单相断线故障： 1) 其中一相的电流有效值的绝对值不大于电流整定门槛值； 2) 另外两相的电流有效值的绝对值相等，并且其值介于?之间，In为故障前 2 相电流有效值； 3) 另外两相的电流相位角的差值介于[120°，180° ]之间； 如果故障线路三相电流的有效值相等，且绝对值均不大于电流整定门槛值，则判定为 发生多相断线故障。4. 如权利要求1所述的一种基于三相电压电流的10kV配电线路断线故障判定方法，其 特征是，所述步骤(4)中，单相断线故障具体故障类型的判定方法为： 1) 判断是否出现电压为零的相，如果没有，则判定为单相断线两端悬空故障，电压升高 的一相判定为断线故障相;如果有，则伴随有接地故障，转入下一步； 2) 判断电源为零的相在电源侧还是在负荷侧，如果在电源侧，则判定为单相断线加电 源侧接地故障，电压为零的相判定为断线故障相;如果在负荷侧，则判定为单相断线加负荷 侧接地故障，电压为零的相判定为断线故障相。5. 如权利要求1所述的一种基于三相电压电流的10kV配电线路断线故障判定方法，其 特征是，所述步骤(5)中，多相断线故障的具体故障类型包括:两相断线不接地故障、两相断 线加电源侧一相接地故障、两相断线加负荷侧一相接地故障、三相断线故障。6. 如权利要求1所述的一种基于三相电压电流的10kV配电线路断线故障判定方法，其 特征是，所述步骤(5)中， 如果故障线路三相电流均满足小于电流整定门槛值，且出现一相电压降至0,则判断是 否为负荷侧电压降至0: 如果负荷侧电压降至0,则可判定为发生两相断线加负荷侧一相接地故障，电源侧电压 非0两相为故障相； 如果负荷侧电压不为0,则判定为发生两相断线加电源侧一相接地故障，电源侧电压与 负荷侧电压相异的两相为故障相。7. 如权利要求1所述的一种基于三相电压电流的10kV配电线路断线故障判定方法，其 特征是，所述步骤(5)中， 如果故障线路三相电流均满足小于电流整定门槛值，且未出现一相电压为〇;则判断电 源侧相电压是否变化，如果有变化，则判定为两相断线不接地故障，两个电压升高相为断线 故障相。8. 如权利要求1所述的一种基于三相电压电流的10kV配电线路断线故障判定方法，其 特征是，所述步骤(5)中， 如果负荷侧各相电压降至〇,电源侧电压保持不变，则判定为三相断线故障。9. 如权利要求1所述的一种基于三相电压电流的10kV配电线路断线故障判定方法，其 特征是，所述步骤(6)中，确定具体的故障区段的方法为： 若电源侧电压变化超出设定阈值，则从电源侧节点开始向后寻找故障点，先比较电源 侧节点后的第一个节点电压和第二个节点电压，若两者一致，再比较电源侧节点后的第二 个节点电压和第三个节点电压，直到找到节点电压信息不一致的两个节点，则确定故障点 位于这两个节点之间； 若电源侧母线电压变化没有超过设定阈值，则故障后负荷侧电压变化将会超出设定阈 值，此时从负荷侧开始向前寻找故障点，找到相邻节点电压信息不一致的两个节点，则确定 故障点位于这两个节点之间。
【文档编号】G01R31/02GK105866615SQ201610429719
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】丛伟, 康奇豹, 程昭龙, 曾宪振, 侯广松, 张子衿, 王慧
【申请人】山东大学, 国网山东省电力公司菏泽供电公司