专利名称：小电流接地故障区段在线定位方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种小电流接地故障的区段在线定位方法以及基于该定位方法的定位系统，所述方法和装置尤其适用于3飞OkV中性点不接地电网，在线路带单相接地故障运行的情况下，测量零序电压和线路零序电流的幅值和相量信息，根据幅值和相位信息确定故障点的区段位置。
背景技术：
目前，国内3kV_60kV配电网中广泛采用中性点不接地方式为主，又称作小电流接地系统，该类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广2个小时，但由于非有效接地电网发生单相接地故障时，其它两相对地电压升高为线电压，特别是发生间歇性弧光接地时，由于中性点没有电荷释放通路，会引起弧光接地过电压，系统绝缘受到威胁，容易扩大为相间短路。因此，必须尽快在线检测故障线路，带电进行故障定位，以尽快排除故障。中性点不接地电网发生单相接地时，故障电流非常小，加上中压电网接线复杂，分支众多，中性点非有效接地系统的单相接地故障定位成为一个尚未得到很好解决的难题。 人工巡线效率低，而且延长了停电时间，影响供电安全。目前，中性点不接地系统发生单相接地故障时，故障线路的判断是由选线装置来完成的，目前已有多种型号的选线装置投入运行。但是由于选线装置的选线方法的不完备，以及现场工况的复杂，致使选线效率一直很低。因此，需要研究更精确的故障区间定位方法和装置。目前现场存在两种定位产品，第一种产品称为信号注入法，包括“S”注入法和工频量注入法，该类方法不利用故障自身提供的故障信息进行被动式选线，而是主动地注入一个选线信号。其存在有问题，首先，由于注入信号的功率不够大，变换到高压侧的注入信号非常微弱，很难准确测量；其次，注入信号会在非故障线路中产生充电电流，要占用注入电源的容量，而且在故障电阻较大情况下，故障线路与非故障线路上的信号差异不明显；第三，需要附加信号装置，工程实现复杂，可靠性降低。第二种产品称为“故障指示器”，原理是测量线路故障电流进行定位，但是故障指示器测量的是相电流，由于单相接地电流远小于负荷电流，因此“故障指示器”无法准确提取故障信息，导致定位不准确。
发明内容
为了克服现有技术上的不足，本发明提出了一种充分保证定位的准确性与快速性，有效地解决中性点非有效接地电网单相接地故障的在线定位问题和线路区段线间短路故障监测问题的小电流接地故障区段在线定位方法，并基于该方法提供一种针对于小电流接地故障的区段在线定位系统。本发明的小电流接地故障区段在线定位方法，包括以下步骤 第一步，标识配电线路中各节点与故障点上下游关系，
i .根节点是变电站母线节点，将其数据项故障点标志赋值1，表示线路故障在其下游；所有节点的故障路径标志初始化赋值为2，
.遍历各节点，对于固定测点节点，当零序电流相位是-90°，故障点标志赋值1，表示故障点在测点的下游；当零序电流相位是90°，故障点标志赋值0，表示故障点在测点的上游，
iii.寻找故障点标志赋值1的固定测点节点，以其为子孙的节点故障点标志都赋值1， 标识它们都在故障路径上，故障路径标志为1，故障点标志赋值0的固定测点节点为根的子树节点的故障点标志都置0、故障路径标志置0 ； 第二步，确定故障区段边线， i.确定非故障区段
①用树Tb表示配电线路中所有节点集合，在树\中，从根节点开始，沿故障路径寻求故障路径标志为1的最远固定测点节点Tc，存在的话，它在故障点的上游，因此变电站至该节点前的区段不会出现故障，如果不存在这样的T。，则T。为0，
Tb去除T。为根节点的子树的所有节点的集合Vup，
②在树Tb中，寻求所有故障路径标志为0且故障点标志赋值0的固定测点节点TD，它们在故障点的下游，其子孙节点不在故障区段，得到所有Td形成的子树的子孙节点的集合 VmdCT，那么非故障节点集合V非故障为
V 非故障=Vup U Vunder
.确定故障区段节点集合 计算故障区段的节点集合Vft,
ν故障=ν_ν非故障
iii.计算故障区段边线E故障
E 故障= {(a，b) I a, b e V 故障)■
第三步，定位故障区段，
i .如果所有固定测点节点的故障点标志都置0且故障路径标志置0，则根节点所在线路区段为故障区段，
.如果固定测点节点的故障点标志置1、故障路径标志置1，且该节点的子孙都不是测点，则该测点子孙所在线路区段为故障区段，
iii .如果有Vi、Vj两固定测点节点满足Vi的故障点标志置1且故障路径标志置1，Vj 是\的子孙节点，\的故障点标志置0且故障路径标志置0，则两节点共同所在线路区段为故障区段，其中i，j为整数。本发明的小电流接地故障区段在线定位方法适用于中性点不接地系统，能够解决金属性接地、经高阻接地等各种接地故障类型，充分保证了定位的准确性与快速性。新型在线定位方法的实现，将有效地解决中性点非有效接地电网(小电流接地)单相接地故障的在线定位问题和线路区段线间短路故障监测问题。中压配电网单相接地故障在线定位系统在不停电的情况下，实现快速定位电网小电流故障点，有利于维修人员准确判断故障方位，及时消除故障。这对提高供电可靠性和供电质量具有直接意义，极具推广应用价值。本发明的小电流接地故障区段在线定位系统，包括GPS对时装置、用于检测配电线路母线的零序电压相量检测装置、用于检测各电力线路的零序电流相量和电力线路两相电流幅值的电流检测装置、以及监控中心，其中GPS对时装置用于为系统内各个相量测量节点提供同步时钟信号；零序电压相量检测装置、电流检测装置实时的将各自的检测数据通过数据传输网络传至控制中心；控制中心根据接收到的检测数据，利用如权利要求1所述的方法对线路进行故障定位。进一步，所述定位系统的零序电压相量检测装置由二次电压互感器、信号调理整定单元、嵌入式采集板三部分构成，其中，二次电压互感器将较大的电压信号转换成低电压信号，然后通过信号调理整定单元将信号整定为AD转换器需要的幅值范围内以供嵌入式采集板采样，嵌入式采集板对来自信号调理整定单元的信号进行处理，得到零序电压相量， 并将其实时传输到监控中心。所述嵌入式采集板包括信号同步采集单元、FFT相量计算单元和网络传输单元，信号同步采集单元接收来自信号调理整定单元的信号，进行周波采样， FFT相量计算单元对采样数据进行相量计算，网络传输单元将计算结果实时传至监控中心。进一步，所述定位系统的电流检测装置包括二次电流互感器、信号调理整定单元、 A、B相电流互感器及对应的交直流转换电路、和嵌入式采集板，其中，信号调理整定单元对来自二次电流互感器的信号进行整定，以供嵌入式采集板采样，线路A、B两相电流信号经对应的A、B相电流互感器转换为较低的电压信号，再由对应的交直流转换电路将所述交流电压调制为与其有效值相等的直流电压信号，输入到嵌入式采集板中进行处理，嵌入式采集板对上述输入信号进行处理，得到零序电流相量和电力线路两相电流幅值，并将其实时传输到监控中心。所述嵌入式采集板包括信号同步采集单元、相电流检测单元、FFT相量计算单元、GPRS网络传输单元，信号同步采集单元接收来自信号调理整定单元的信号，进行周波采样，FFT相量计算单元对采样数据进行相量计算，相电流检测单元根据A、B两相的交直流转换电路的输入信号来计算出电平信号幅值，网络传输单元将上述计算结果实时传至监控中心。所述嵌入式采集板集成两个ADC控制器，小电流故障检测和线间短路故障检测采用了双ADC多通道采集技术和DMA技术，利用ADCl的两个通道分别采集线电流三相中的两相，为减小误差，取其平均值，每周波采样20个点，并将其平均值作为相电流实际测量值。进一步，所述定位系统的监控中心包括数据接收单元、数据库和监控单元，数据接收单元接收经由数据传输网络发送来的线路数据，并将数据按照不同的内容存入数据库的不同数据表中，为监控单元提供原始的线路数据，监控单元根据数据库中的原始数据，通过对数据进行分析和处理，定位故障。进一步，所述定位系统中的数据传输网络可以采用GPRS网络，
此外，所述定位系统的上述嵌入式采集板采用的是英蓓特公司的EM-STM3210E评估板。本发明的小电流接地故障区段在线定位系统具有如下功能 准确采集配电网故障线路零序电流、零序电压相量。Θ准确采集配电网故障线路两相电流幅值。 具备GPRS无线传输功能。Θ设备抗干扰能力强，能够在电磁干扰强的场合，正常运行。 具备掉线重连功能。Θ满足低功耗要求，体积小。 设备具有运行指示灯，电源指示灯，电源开关，操作简单，易使用。 采用高精度AD转换器，耐压性高，输入阻抗大于50 ΜΩ。
系统稳定性高。在恶劣环境下，及其它因素造成系统死机时，系统可以自己重启，避免检测人员在不知装置出问题的情况下，依然等待检测结果。本发明的特点在于(1)以嵌入式ARM处理器作为数据采集核心控制单元，采用 GPS模块启动信息采集，实现广域相量测量；(2)利用ARM处理器12位AD转换，提高相量数据采样精度；(3)可以基于GPRS通信技术实现相量数据传输。
图1示出了本发明的小电流接地故障区段在线定位原理图； 图2示出了本发明的小电流接地故障区段在线定位系统；
图3示出了本发明的零序电压相量检测装置的结构框图； 图4示出了本发明的零序电压相量检测装置的信号调理整定单元的电路图； 图5示出了本发明的零序电压相量检测装置的嵌入式采集板的内部设计框图。图6示出了本发明的小电流接地故障区段在线定位系统的电流检测装置的结构示意图7示出了本发明的小电流接地故障区段在线定位系统的电流检测装置的电路设计
图8示出了本发明的小电流接地故障区段在线定位系统的监控中心的结构示意图。 具体实施例本发明的小电流接地故障区段在线定位方法一种自底向上的综合判定方法，配电线路区段是基于固定测点划分的，配电线路区段的状态与固定测点的零序电流相量有密切关系。通过检测电力线路中的系统零序电压和线路任意点零序电流的幅值及相位，确定测点与故障点位置的关系，来判断故障点的位置。本发明中的“故障区段”特指配电线路出现单相接地故障的区段。以下，将参照附图对本发明的方法进行说明。第一步，标识节点与故障点上下游关系。判定测点与故障点的上下游关系是故障定位的核心内容。这里，若从母线经故障路径到达故障点前经过某些测点，则称故障点在这些测点的下游，否则称故障点在这些测点的上游。那么，若零序电流滞后零序电压90°，说明此测点在故障路径中，故障点在测点的下游；若零序电流超前零序电压90°，则说明此测点不在故障路径中，故障点在该测点的上游。图1示出了本发明的小电流接地故障区段在线定位原理图，其具有最小生成树结构，用树Tb表示所有节点集合。参照图1，标识节点与故障点上下游关系的具体方法如下
i .根节点是变电站母线节点0，将其数据项故障点标志赋值1，表示线路故障在其下游；所有节点的故障路径标志初始化赋值为2。ii .遍历各节点，对于固定测点节点，当零序电流相位是-90°，故障点标志赋值 1，表示故障点在测点的下游；当零序电流相位是90°，故障点标志赋值0，表示故障点在测点的上游。
iii .寻找故障点标志赋值1的固定测点节点，以其为子孙的节点故障点标志都赋值1，标识它们都在故障路径上，故障路径标志为1。故障点标志赋值0的固定测点节点为根的子树节点的故障点标志都置0、故障路径标志置0。第二步，确定故障区段边线。对图1可标识的节点标识故障点标志后，就可以得到非故障区段零序网络电流分布，确定非故障区段，然后再定位故障发生的线路区段。确定故障区段边线方法如下 i.确定非故障区段
①在树Tb中，从根节点开始，沿故障路径寻求故障路径标志为1的最远固定测点节点 Tc。存在的话，它在故障点的上游，因此变电站至该节点前的区段不会出现故障。如果不存在这样的T。，则T。为0。Tb去除T。为根节点的子树的所有节点的集合Vup。②在树Tb中，寻求所有故障路径标志为0且故障点标志赋值0的固定测点节点TD， 它们在故障点的下游，其子孙节点不在故障区段，得到所有Td形成的子树的子孙节点的集合Vunto，那么非故障节点集合V非故障为
V 非故障=Vup U Vunder
.确定故障区段节点集合计算故障区段的节点集合Vft,
ν故障=ν_ν非故障
iii.计算故障区段边线E故障
E 故障= {(a，b) I a, b e V 故障)■
当配电线路拓扑结构复杂，可采用故障区段推导定位法导出故障区段所有边线，并可得到非故障区段零序电流分布情况。第三步，定位故障区段
i如果所有固定测点节点的故障点标志都置0且故障路径标志置0，则根节点所在线路区段为故障区段。 如果固定测点节点的故障点标志置1、故障路径标志置1，且该节点的子孙都不是测点，则该测点子孙所在线路区段为故障区段。iii如果有Vi、Vj两固定测点节点满足Vi的故障点标志置1且故障路径标志置1， Vj是Vi的子孙节点，且Vj的故障点标志置0且故障路径标志置0，则两节点共同所在线路区段为故障区段。当配电线路拓扑结构简单，将推理规则判定法表达为简单的推理系统，可以方便的实现故障区段的定位。本发明还提供一种小电流接地故障区段在线定位系统，如图2所示，包括用于为各个相量测量节点提供同步时钟信号的GPS对时装置、用于检测配电线路母线的零序电压相量检测装置(PMU电压)、用于检测各电力线路的零序电流相量和电力线路两相电流幅值的电流检测装置(PMU电流)、以及监控中心构成。GPS对时装置是实现同步相量测量的关键部件之一，它为各个相量测量节点提供同步时钟。STM32的NVIC中断控制器可以捕获GPS的秒脉冲IPPS的上升沿，并产生中断信号INTO。微控制器通过GPS中断信号来启动采样程序，实现了广域测量的时间同步。参照图3-5，对零序电压相量检测装置进行说明，其中图3示出了本发明的零序电压相量检测装置的结构框图；图4示出了本发明的零序电压相量检测装置的信号调理整定单元的电路图；图5示出了本发明的零序电压相量检测装置的嵌入式采集板的内部设计框图。零序电压相量检测装置安装在变电站，对电力线路母线进行检测，直接利用站内 220v电压源对其进行供电，装置内部采用220V/士 12V电源转换模块，作为装置的供电电源。零序电压相量检测装置由二次电压互感器、信号调理整定单元、嵌入式采集板三部分构成。二次电压互感器将较大的电压信号转换成低电压信号，然后通过信号调理整定单元AD620将信号整定为AD转换器需要的幅值范围内以供嵌入式采集板采样，信号调理整定单元AD620电路图如图4所示。嵌入式采集板包括信号同步采集单元、FFT相量计算单元、GPRS网络传输单元，信号同步采集单元接收来自信号调理整定单元的信号，进行周波采样，FFT相量计算单元对采样数据进行相量计算，GPRS网络传输单元将计算结果实时传至监控中心。嵌入式采集板的内部设计框图如图5所示，系统核心板采用的是英蓓特公司的 EM-STM3210E评估板，该核心板接口丰富，采用ARM最新Cortex M3处理器，具有体积小，运算性能优于ARM7处理器，且价格低廉等特点。采集板的ARM Cortex处理器负责实时捕获GPS秒脉冲信号，在秒脉冲上升沿时刻，启动AD转换开始一个周波64点的等间隔采样。一个周波采样结束后，将缓冲区的64 个采样数据送入FFT运算函数进行相量计算，然后通过GPRS网络实时将测量数据传回监控中心。本实施例中选用KB3000 GPRS DTU模块实现一对多的组网方式。参照图6-7，对小电流接地故障区段在线定位系统的电流检测装置进行说明，其中，图6示出了本发明的小电流接地故障区段在线定位系统的电流检测装置的结构示意图；图7示出了本发明的小电流接地故障区段在线定位系统的电流检测装置的电路设计图。本发明的小电流接地故障区段在线定位系统的电流检测包括零序电流相量的测量和电力线路两相电流幅值的测量两部分。由于零序电流相量需要和零序电压同步，因此，零序电流检测部件与零序电压测量装置类似，硬件上只是将二次电压互感器换成二次电流互感器。本发明的小电流接地故障区段在线定位系统的电流检测装置包括二次电流互感器、信号调理整定单元、A、B相电流互感器及对应的交直流转换电路、和嵌入式采集板。信号调理整定单元AD620对来自二次电流互感器的信号进行整定，以供嵌入式采集板采样。线路A、B两相电流信号经对应的A、B相电流互感器转换为较低的电压信号，再由对应的交直流转换电路AD736将所述交流电压调制为与其有效值相等的直流电压信号，输入到嵌入式采集板中进行处理。嵌入式采集板包括信号同步采集单元、相电流检测单元、FFT相量计算单元、GPRS 网络传输单元，信号同步采集单元接收来自信号调理整定单元的信号，进行周波采样，FFT 相量计算单元对采样数据进行相量计算，相电流检测单元根据A、B两相的交直流转换电路的输入信号来计算出电平信号幅值，GPRS网络传输单元将上述计算结果实时传至监控中心。如图7，嵌入式采集板集成两个ADC控制器，小电流故障检测和线间短路故障检测采用了双ADC多通道采集技术和DMA技术。利用ADCl的两个通道分别采集线电流三相中的两相，为减小误差，取其平均值，每周波采样20个点，并将其平均值作为相电流实际测量值。监控中心主要由数据接收单元、数据库和监控单元三部分构成，结构如图8所示。 数据接收单元可采用标准RS232串口，接收经由例如GPRS网络发送来的线路数据，并将数据存入数据库中。数据库作为数据的存储中心，接收线路数据，将数据按照不同的内容存储在不同的数据表中，为监控单元提供原始的线路数据。监控单元根据数据库中的原始数据， 通过对数据进行分析和处理，结合上述具体的线路故障判断方法对线路进行监控、故障定位以及线路报警，并且提供相关的图形界面、故障查询界面以及相关数据的导出。上述实施例仅是优选的和示例性的，本领域技术人员例如可以根据本专利的描述，采用不同的模数转换器、控制器、网络传输方式等来实现本专利，其都由本专利的保护范围所覆盖。
权利要求
1. 一种小电流接地故障区段在线定位方法，包括以下步骤 第一步，标识配电线路中各节点与故障点上下游关系，i .根节点是变电站母线节点，将其数据项故障点标志赋值1，表示线路故障在其下游；所有节点的故障路径标志初始化赋值为2， .遍历各节点，对于固定测点节点，当零序电流相位是-90°，故障点标志赋值1，表示故障点在测点的下游；当零序电流相位是90°，故障点标志赋值0，表示故障点在测点的上游，iii.寻找故障点标志赋值1的固定测点节点，以其为子孙的节点故障点标志都赋值1， 标识它们都在故障路径上，故障路径标志为1，故障点标志赋值0的固定测点节点为根的子树节点的故障点标志都置0、故障路径标志置0 ； 第二步，确定故障区段边线，1.确定非故障区段①用树Tb表示配电线路中所有节点集合，在树\中，从根节点开始，沿故障路径寻求故障路径标志为1的最远固定测点节点Tc，存在的话，它在故障点的上游，因此变电站至该节点前的区段不会出现故障，如果不存在这样的T。，则T。为0，Tb去除T。为根节点的子树的所有节点的集合Vup，②在树Tb中，寻求所有故障路径标志为0且故障点标志赋值0的固定测点节点TD，它们在故障点的下游，其子孙节点不在故障区段，得到所有Td形成的子树的子孙节点的集合 VmdCT，那么非故障节点集合V非故障为V 非故障=Vup U Vunder .确定故障区段节点集合 计算故障区段的节点集合Vft,ν故障=ν_ν非故障iii.计算故障区段边线E故障E 故障= {(a，b) I a, b e V 故障)■第三步，定位故障区段，i .如果所有固定测点节点的故障点标志都置0且故障路径标志置0，则根节点所在线路区段为故障区段， .如果固定测点节点的故障点标志置1、故障路径标志置1，且该节点的子孙都不是测点，则该测点子孙所在线路区段为故障区段，iii .如果有Vi、Vj两固定测点节点满足Vi的故障点标志置1且故障路径标志置1，Vj 是\的子孙节点，\的故障点标志置0且故障路径标志置0，则两节点共同所在线路区段为故障区段，其中i，j为整数。
2.—种小电流接地故障区段在线定位系统，其特征在于包括GPS对时装置、用于检测配电线路母线的零序电压相量检测装置、用于检测各电力线路的零序电流相量和电力线路两相电流幅值的电流检测装置、以及监控中心，其中GPS对时装置用于为系统内各个相量测量节点提供同步时钟信号； 零序电压相量检测装置、电流检测装置实时的将各自的检测数据通过数据传输网络传至控制中心；控制中心根据接收到的检测数据，利用如权利要求1所述的方法对线路进行故障定位。
3.如权利要求2所述的定位系统，其特征在于零序电压相量检测装置由二次电压互感器、信号调理整定单元、嵌入式采集板三部分构成，其中二次电压互感器将较大的电压信号转换成低电压信号，然后通过信号调理整定单元将信号整定为AD转换器需要的幅值范围内以供嵌入式采集板采样，嵌入式采集板对来自信号调理整定单元的信号进行处理，得到零序电压相量，并将其实时传输到监控中心。
4.如权利要求3所述的定位系统，其特征在于所述嵌入式采集板包括信号同步采集单元、FFT相量计算单元和网络传输单元，信号同步采集单元接收来自信号调理整定单元的信号，进行周波采样，FFT相量计算单元对采样数据进行相量计算，网络传输单元将计算结果实时传至监控中心。
5.如权利要求2所述的定位系统，其特征在于电流检测装置包括二次电流互感器、信号调理整定单元、A、B相电流互感器及对应的交直流转换电路、和嵌入式采集板，其中信号调理整定单元对来自二次电流互感器的信号进行整定，以供嵌入式采集板采样，线路A、B两相电流信号经对应的A、B相电流互感器转换为较低的电压信号，再由对应的交直流转换电路将所述交流电压调制为与其有效值相等的直流电压信号，输入到嵌入式采集板中进行处理，嵌入式采集板对上述输入信号进行处理，得到零序电流相量和电力线路两相电流幅值，并将其实时传输到监控中心。
6.如权利要求5所述的定位系统，其特征在于所述嵌入式采集板包括信号同步采集单元、相电流检测单元、FFT相量计算单元、GPRS网络传输单元，信号同步采集单元接收来自信号调理整定单元的信号，进行周波采样，FFT相量计算单元对采样数据进行相量计算， 相电流检测单元根据A、B两相的交直流转换电路的输入信号来计算出电平信号幅值，网络传输单元将上述计算结果实时传至监控中心。
7.如权利要求5或6所述的定位系统，其特征在于嵌入式采集板集成两个ADC控制器，小电流故障检测和线间短路故障检测采用了双ADC多通道采集技术和DMA技术，利用 ADCl的两个通道分别采集线电流三相中的两相，为减小误差，取其平均值，每周波采样20 个点，并将其平均值作为相电流实际测量值。
8.如权利要求2所述的定位系统，其特征在于监控中心包括数据接收单元、数据库和监控单元，数据接收单元接收经由数据传输网络发送来的线路数据，并将数据按照不同的内容存入数据库的不同数据表中，为监控单元提供原始的线路数据，监控单元根据数据库中的原始数据，通过对数据进行分析和处理，定位故障。
9.如权利要求2所述的定位系统，其特征在于所述数据传输网络采用GPRS网络。
10.如权利要求4或6所述的定位系统，其特征在于所述嵌入式采集板采用的是英蓓特公司的EM-STM3210E评估板。
全文摘要
本发明公开了一种小电流接地故障的区段在线定位方法以及基于该定位方法的系统，所述方法和系统适用于3~60kV中性点不接地电网，在线路带单相接地故障运行的情况下，测量零序电压的相量信息以及线路零序电流的幅值和相量信息，根据幅值和相位信息确定故障点的区段位置，充分保证了定位的准确性与快速性，有效地解决中性点非有效接地电网单相接地故障的在线定位问题和线路区段线间短路故障监测问题。
文档编号G01R19/25GK102565626SQ20121000886
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月12日 优先权日2012年1月12日
发明者乔学军, 唐亮, 姜超, 李刚, 杨以涵, 梁树增, 樊志翀, 牛卓博, 王宏伟, 田永超, 邓宏怀, 郑顾平, 齐郑 申请人:保定供电公司, 华北电力大学(保定)