一种基于广义量测的地区电网T接线路故障测距系统的制作方法

本发明涉及一种基于广义量测的地区电网T接线路故障测距系统。

背景技术：

近年来，伴随社会经济的快速发展，用电需要与日俱增，特别在夏季高峰时段，电网负荷往往接近于满载运行，如何快速恢复供电，保障系统供电的持续性，对电网运检人员进行巡检提出了新的挑战。因此，在故障发生时，快速定位故障位置，从而为电网运行调控人员及时安排运检人员进行故障抢修赢得宝贵时间，将对地区电网的安全可靠供电产生重要的意义。

对电网故障位置进行快速定位，传统分析方法主要为阻抗法和行波法。阻抗法具有实现简单、经济可靠等特点，在电力系统中得到了广泛的应用。近些年随着电网规模的迅速扩大，电网的供电半径也日益增大，T接线路在110kV等级以下的电网中广泛存在，当其发生故障时传统的阻抗法进行故障测距就难以为继。近几年行波法因其具有应用范围广、实用性强、定位准确等特点在电力系统故障测距与定位等领域得以快速发展。目前110kV线路及10kV以下电压等级的配电网中，阻抗法已在配电自动化系统得到广泛应用，但其仍无法实现精确定位，给电网巡检人员带来了很大的困难，本发明通过将基于广义测量的行波法引入110kV地区电网的T接线路故障测距中，以期待改善、解决这一问题。

考虑到传统电流互感器的工作原理和电气特性，在已有线路中加装电流互感器存在诸多困难，且传统的电流和电压传感器易受饱和影响，安装与维护复杂。面对这样的瓶颈问题，有必要寻求新型的测量方式，实现安全而有效的架空输电线路电流监测。

当前的110kV城市骨干电网，由于城市的快速发展，其电缆与架空线路经常同时出现在一条输电线路中，T接线路更是大量存在于该电压等级电网，诸多不利因素对110kV城市电网故障测距的实施造成了极大障碍如何能够实现快速、精确的故障测距，以减轻电网运行维护人员的工作量，迅速查找线路故障点，缩短故障排除时间，从而减少因停电所造成的经济损失，对于110kV城市电网已然迫在眉睫。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于广义量测的地区电网T接线路故障测距系统，本发明针对110kv地区电网中T接线路的故障测距问题，利用一种安装维护的无接触式电压电流行波感应装置来采集行波信号，替代传统的需要接入运行线路的电压或电流互感器，利用电磁场感应原理采集到的输电线路暂态电流信息，进一步用于行波测距，实现了故障的精确定位。通过对某地区电网的一条110kV线路T接进行分析，基于广义测量的行波采集测距理论可经济可靠的解决地区电网的故障测距问题，为提高电网的供电可靠性提供有效保障。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于广义量测的地区电网T接线路故障测距系统，包括分布式采样终端、通信网络和行波测距分析中心，其中，所述分布式采样终端包括各个设置在杆塔处的无接触式电压电流行波采集装置，所述无接触式电压电流行波采集装置采集行波的突变信号，并将其通过通信网络上传至主站的行波测距分析中心，行波测距分析中心将各采样终端上传的信息，以故障支路两端时标为基准，结合故障支路线路参数，利用双端行波故障测距理论，计算故障点位置，实现电网的T接线路的故障测距。

所述无接触式电压电流行波采集装布置在线路的首末端以及线路的T接点的杆塔以及杆塔与电缆连接处，负责线路故障发生时故障行波信号的采集。

所述无接触式电压电流行波采集装置，包括无线通讯模块和同步时钟模块，行波采集装置由太阳能电池板进行供电。

所述无接触式电压电流行波采集装置均配置GPS，通过无线网络上传统一时标的故障监测数据。

所述无接触式电压电流行波采集装置采用三相不对称安装。

所述行波测距分析中心包括通信前置机、服务器和工作站中心，所述通信前置机负责完成规约转换，通过系统与采集终端的数据接口，将数据发送至服务器，服务器负责处理和分析数据，其内置T接线路故障测距算法，提供数据通道，接口SCADA系统；工作站中心负责用户界面的图形处理与展示功能。

所述行波测距分析中心对故障支路的判别以所有上传带时标的数据的终端确定故障区域，按照时间排序检测各故障初始行波的监测点，结合故障区域的网络拓扑分析，即可判断故障所在的支路。

所述行波测距分析中心采用双端行波测距原理进行分析，利用故障初始行波分别到达故障线路两端的时间，实现故障点的测距。

本发明的有益效果为：

(1)本发明各分布式采样终端主要布置在线路的首末端以及线路的T接点的杆塔以及杆塔与电缆连接处，负责线路故障发生时故障行波信号的采集。各采样终端采用GPS统一授时，保证了数据的高度可靠性。采用GPRS通讯网络，具有传输速率高，支持IP协议，资源利用率高，成本低廉等特点；

(2)本发明的采集装置安装、维护方便，通过场检测方式采集信号，无需接入电力系统一次侧，避免了传统PT、CT等设备安装对电网运行造成的影响，日常维护也非常方便；具有极强的适应性，其适用于架空线路、地下电缆及架空线路与地下电缆混合等各种复杂的线路模式；实现电流、电压行波信号的双采集，能够为故障测距提供最全面、准确、高精度的信号支持；低功耗与灵活的供电方式，对于野外等偏远的环境，采用装置自带的太阳能板即可满足其日常运行的耗电需求，对于城市地下线路等处可就地取电，易于实现；

(3)易安装，且易推广：设备安装、维护不影响线路带电运行(传统的终端互感器由于需要一次侧串联或并联在终端电路中，安装、维护需要断电操作)；在已有的FTU、DTU等终端设备的节点处，可改造利用现有的监测终端的执行机构，只需更新其控制器，容易推广。

(4)冲击强度检测：只检测信号冲击强度，低成本设备就可以实现高质量的监测，容易实现；装置耗能低，可以实现自供电：装置自带太阳能电池板，配合微型储能装置，取电便捷，耗电低，可长时间工作于各种复杂恶劣环境中。

(5)基于双端故障测距原理，利用无接触式的分布式感应式电压行波采集装置采集行波信息，基于电磁感应原理进行强度检测，具有采样频率高、灵敏度高、测距精度高以及易安装等特点，可为电网巡检人员快速定位故障位置并进行故障抢修提供重要的参考。

附图说明

图1(a)为本发明的线路故障状态示意图；

图1(b)为本发明的线路非故障状态示意图；

图1(c)为本发明的线路故障附加状态示意图；

图2为本发明的行波信号采集装置示意图；

图3为本发明的行波故障测距系统示意图；

图4为本发明的行波故障测距系统的分布构成示意图；

图5为本发明110kV线路T接结构图；

图6为电网某条110kV线路结构图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

行波采集及测距原理

行波测距理论

当输电线路发生故障时，可以利用叠加原理将线路故障状态图1(a)所示，可等效分为非故障状态图1(b)所示和故障附加状态图1(c)所示。

图1(b)非故障状态指故障前的正常运行状态，等效电压源U_f数值为故障点无故障时的正常电压；故障附加状态是在故障后出现，且与非故障状态电压数值相等方向相反，其附加等效电压源为-U_f。故障附加状态独立于非故障状态，但受系统运行方式的影响。故障附加状态中等效电压源-U_f的存在，输电线路中将产生由故障点向线路两端传播的前进波，同时由于输电线路的分布参数特性，该前进波具有高频性质，并具有接近光速的传播速度，由此产生故障行波。

本发明采用双端行波测距原理，其核心原理是利用故障初始行波分别到达故障线路两端的T_M、T_N，实现故障点的测距。双端故障测距双端行波故障测距仅利用故障初始行波，不存在折反射波性质识别的问题，故障初始行波一般幅值较大，奇异性较强，较容易实现波头奇异点的检测，一般而言双端行波故障测距具有较高的准确性和可靠性。但双端行波故障测距方法需要在故障线路的两端均装设行波故障测距装置以及同步时钟装置。通过将双端测距原理应用至三端行波故障测距进行分析，可较准确的进行故障点的定位。

无接触式电压电流行波采集装置

由于城市110kV等级电网接线比较复杂，传统的信号采集装置如电压互感器(PT)、电流互感器(CT)等需要线路停电进行安装，给电网的正常运行带来了困难。本发明通过应用无接触式电压电流行波采集装置，其将以场检测原理为基础，由于行波发生时会使杆塔出的电磁场发生突变，通过无接触式行波采集装置可以采集行波的突变信号，并将其传送至远方行波测距分析装置。行波信号采集装置如图2所示。其采用太阳能电池板发电提供装置电源，剩余的电量存入电池。其通过装设于输电线路下方的杆塔处，可采集输电线路故障时的行波突变信号。

图2中行波采集装置带有无线通讯装置以及全球定位的同步时钟装置，整套装置由太阳能电池板以及附带的电池进行供电。具有简单、经济、抗干扰能力强等特点，能适应野外恶劣的作业环境。无线通讯设备将采集到的电压电流行波信号传送至主站的行波信号分析装置，综合研判故障发生的精确位置。该装置有如下特点：

1)安装、维护方便，通过场检测方式采集信号，无需接入电力系统一次侧，避免了传统PT、CT等设备安装对电网运行造成的影响，日常维护也非常方便；

2)具有极强的适应性，其适用于架空线路、地下电缆及架空线路与地下电缆混合等各种复杂的线路模式；

3)实现电流、电压行波信号的双采集，能够为故障测距提供最全面、准确、高精度的信号支持；

4)低功耗与灵活的供电方式，对于野外等偏远的环境，采用装置自带的太阳能板即可满足其日常运行的耗电需求，对于城市地下线路等处可就地取电，易于实现。

基于双端行波故障测距原理，利用无接触式的行波信号采集装置以及数据通信系统，构成了本发明基于广义量测的110kV城市电网故障测距系统。该测距系统将内置分布式的全球定位系统，使全系统故障数据的时标能够统一，进一步提高故障测距的精度与可靠性。系统组成情况如下图3所示。

该电网故障测距系统由三层网络结构构成，分别由分布式采样终端、通讯网络以及综合分析研判中心构成，分布式采样终端通过采集故障行波信息通过通信网络层上传至服务器，综合分析中心通过将各采样终端上传的信息进行分析，实现复杂城市电网的T接线路的故障测距。其由三部分构成，通信前置机负责完成规约转换，通过系统与采集终端的数据接口，将数据发送至服务器。服务器负责处理和分析数据，其内置T接线路故障测距算法，提供数据通道，接口SCADA系统；工作站负责用户界面的图形处理与展示功能。各层系统在电网中的分布情况如图4所示。

各分布式采样终端主要布置在线路的首末端以及线路的T接点的杆塔以及杆塔与电缆连接处，负责线路故障发生时故障行波信号的采集。各采样终端采用GPS统一授时，保证了数据的高度可靠性。采用GPRS通讯网络，具有传输速率高(115kb/s)，支持IP协议，资源利用率高，成本低廉等特点。

110kV城市电网T接线路故障测距主要由故障支路判别以及故障位置计算两部分实现，如图5所示。故障支路的判别以所有上传带时标的数据的终端确定故障区域，按照时间排序检测各故障初始行波的监测点，结合故障区域的网络拓扑分析，即可判断故障所在的支路。故障位置计算以故障支路两端时标为基准，结合故障支路线路参数，利用双端行波故障测距理论，即可以计算故障点位置。

从图5知，若K₁和K₂两点处至线路C点处的电气距离相等，若K₁点处发生故障，运用传统的故障分析法进行线路故障测距是否位于K₁或K₂点处发生困难，这是由于K₁和K₂两点至线路始端的电气距离相等，故障分析法无法判断故障发生在何处支路，由此为运检人员及时发现故障并进行故障抢修带来了困难，行波测距法则完全不受电气支路分支的影响。若线路C、D之间K₁处发生单相接地故障，故障行波会以光速从K₁处传送至如图所示的M、N、C、D、A、B各端，通过判断行波的初始波头抵达的线路T接点以及首末端位置，可得知行波传送至C、D两端较其余端点处M、N、A、B处时间最短，故可以断定故障发生在C、D之间的支路；再在C、D两端运用行波双端故障测距理论即可以计算出K₁点处故障的实际位置。同理若在K₂处故障，行波传送至A、C两端较其余M、D、N、B端点处时间最短，故可判定故障发生在A、C处；再以此为基础运用双端故障测距即可判断故障的实际位置。

感应式电压行波采集终端是110kV T接线路故障测距系统的分布式采样终端的重要组成部分，主要负责110kV T接线故障测距行波信号的捕捉与采集。由于行波信号传输速度快，本发明采用2MHz的采样频率，可以灵敏地采集行波信号。各采集装置均配置GPS，可通过无线网络上传统一时标的故障监测数据，同时具有故障记录功能，能够自动记录冲击响应的信息。采集装置主要具有以下功能：

1)利用电磁感应原理，采用场检测的方式，对电网设备与线路采用无接触的方式，避免停电安装设备对用户造成影响。

2)只进行场强度检测，即只检测信号冲击及冲击强度，并不检测故障时具体的电压和电流数值，具有高度的可靠性与灵敏度。

3)进行电压行波检测，可解决传统电流行波检测所面临的T接点处无法识别行波方向的问题。

4)采用2MHz的高频采样频率，与传统的量测方式的几kHz的采样频率相比，无需额外安装行波量测装置，2MHz的采样频率可充分满足行波的需求。

5)采集装置投运采用三相不对称安装，由于正常运行时存在稳定的不对称分量，可由此判断进行线路投运。

感应式电压行波采集装置除具有以上功能特点外，还具有如下的应用特点：

1)易安装，且易推广：设备安装、维护不影响线路带电运行(传统的终端互感器由于需要一次侧串联或并联在终端电路中，安装、维护需要断电操作)；在已有的FTU、DTU等终端设备的节点处，可改造利用现有的监测终端的执行机构，只需更新其控制器，容易推广。

2)冲击强度检测：只检测信号冲击强度，低成本设备就可以实现高质量的监测，容易实现。

3)装置耗能低，可以实现自供电：装置自带太阳能电池板，配合微型储能装置，取电便捷，耗电低，可长时间工作于各种复杂恶劣环境中。

4)装置成本低：无需额外增配行波的量测设备，且可以利用已有的采集终端的节点直接改造就可以实现高质量检测。

本发明以某电网为例，对所提研究方法进行应用与验证分析。某电网位于山东电网的东北部，通过5条500kV线路与省网相联，网内现有110kV及以上变电站165座，110kV级以上输电线路288条，承担着某14个县市区的供电任务。

具体选取某电网110kV实际线路结构中的两个T接线路点，如图6所示的T₁和T₂点。图中，甲站为220kV变电站，乙站、丙站和丁站均为110kV变电站，丙站距T₁点10.6km，图中的线路、变压器阻抗数值均为标幺值。

220kV甲站通过110kV出线与110kV乙站相连，共有两个线路T接点，于T₁点处通过线路4接至丙站，于T₂点处通过线路5接至丁站，线路结构与参数如图6所示。

当在线路4处距离丙站0.7km处发生A相接地短路故障时，以电压行波为例进行说明，各分布式电压行波采集装置采集的初始故障行波上传时标分别为：甲站10.083ms、T₁点处10.015ms、T₂点处10.021ms、乙站10.104ms、丙站10.017ms和丁站10.046ms。通过采用前面所述的故障支路判别法，很明显可以判定故障发生在T₁点与丙站之间。结合故障支路参数，故障测距系统可计算出故障距离丙站为0.697km，与实际的故障发生地点非常接近，精度可以达到99％以上。

表1为距离丙站0.7km处发生不同故障类型时的测距结果。其中，相对测距误差的计算式为

表1表明，本发明算法适用于单回线不同故障类型，且精度较高。

表1输电线路不同故障类型的的测距结果

基于广义量测的T接线路故障测距系统通过分布式采样终端采集的行波信息，应用双端行波故障测距原理可以较好的实现含有T接支路复杂故障测距，且能适应现场恶劣的复杂环境，测距精度较高，比传统的故障分析法易受过渡电阻的影响较大等具有更广的适应性，通过在某电网的投入试验可以有效进行复杂线路结构的故障测距，成本低且易安装和推广应用。

本发明针对110kV地区电网中的T接线路故障测距问题，采用基于广义量测的故障测距系统进行测距方法研究。该方法基于双端故障测距原理，利用无接触式的分布式感应式电压行波采集装置采集行波信息，基于电磁感应原理进行强度检测，具有采样频率高、灵敏度高、测距精度高以及易安装等特点，可为电网巡检人员快速定位故障位置并进行故障抢修提供重要的参考。该系统成本低，无需额外增配行波量测装置，且可以利用已有的采集终端的节点如FTU、DTU等终端设备直接改造即可以实现，避免了过渡电阻的影响，具有更好的测距精度，对于提高区地电网的供电可靠性具有重要的作用。通过对电网实际T接线路进行分析，验证了本发明所提方面的正确性与有效性。

此外，本发明所提测距系统与方法虽然是针对于110kV电网的T接线路进行故障测距，但其亦可适用于10kV等其他等级的城市配电网的故障测距问题。由此，本发明系统方法对于提高配网运检人员迅速进行故障定位和抢修，及时恢复用户供电提供了有效的途径，具有良好的工程意义。

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。