基于电压监测的配电线路故障识别装置的制作方法

一技术领域

本发明的技术属于电力系统中配电网络自动化领域，具体属于配电线路在线监测及对多种故障判断、识别并分类，以便及时处理故障，及时恢复电网安全供电。

二

背景技术：

我国电力系统迄今为止广泛采取基于线路电流监测的技术来进行配电线路故障监测，其中主要通过三相电流录波合成零序电流，再通过零序电流的多种表征来判断故障、分类故障、推测故障位置；这种技术应用的前提是要求线路正常工作时三相电流对称；这里实际问题就在于配电干线上三相线负荷电流不同、每相线中各段线的电流更是不同、每段线的三相电流在不同瞬时更难平衡，从而使得故障瞬时合成的零序电流是不符合实际的、或曰是不太能准确反映故障的，因为其中含有本来的电流不平衡因素，所以对故障的识别和定位准确性是有局限性的。

而电力系统不同等级的电压稳定都是有标准规范的，是有电压合格率考核的，是电力系统众多工作者积极维护的结果；所以对于线路上故障和外部扰动产生对电压的干扰是很敏感的、有利于区分和发现的，只要科学地对电压监测、智慧地对异常识别，就可以很好地判断故障、定位故障。

三

技术实现要素：

1基于电压监测的配电线路故障识别装置，其特征是：同时采集三相线路的电压，在线路一相或多相出现故障时，装置自动提取故障前后若干个周期的数据，按同步周期分析三相各自的电压状态，确定出三相电压状态的不同组合实际对应不同故障类型，使得本装置可同时识别配电线路不少于以下7种故障：单相接地、单相断线、两相短路、两相短路接地、三相短路、三相短路接地和瞬时干扰性故障。

2识别配电线路不同故障类型时特别确定数据的特点是：线上任一位置单相接地时--接地故障相电压降低接近于0，非接地两相电压升高接近常规的1.73倍；线上任一位置单相断线时--断点之后各点电压突变接近为0，断点往母线端电压不变，非断线相电压不变；线上任一位置二相短路时--短路线电压突变减半，非短路相电压不变；线上任一位置三相短路时--三相电压降低趋近为0；当配电线路故障识别装置监测分析出这些数据特点时即可反推识别出配电线路的故障类型。

3基于电压监测的一个特征是从配电变压器低压侧采集电压，使故障识别时要区别配电高压线故障和低压线故障，区别的方法有二个：一是该故障监测点对应接入配电高压线处，根据线上相邻监测点数据受故障影响程度来判别，数据基本不变时一般是低压线故障，而配电高压线上发生的故障必定影响全线多个监测点，这样邻近监测点之间需要建立一定的通信关系；二是分析该故障监测点从故障发生开始若干个周期电压数据的频谱，频率成分相对高时判定此次故障由低压侧线路引起，频率成分相对低时判定此次故障由高压侧引起。

4本装置在做故障识别时数据处理特征按“故障类别字符串”方法，可使系统面向三相线路大量采集和处理的数据，能识别快速、高效且规范化；该方法在故障数据处理时按数据特点填写字符串、通过识别字符串而确定出故障类型；这里规范化的字符串是：

a相接地字符串ea----a0b3c3、b相接地字符串eb---b0a3c3、c相接地字符串ec----c0a3b3；

a相断线字符串fa----a0b1c1、b相断线字符串fb----b0a1c1、c相断线字符串fc-----c0a1b1；

ab相短路字符串gab----a2b2c1、bc短路字符串gbc----b2c2a1、ac短路字符串gac---a2c2b1；

ab相短地字符串hab----a0b0c1、bc短地字符串hbc----b0c0a1、ac短地字符串hac---a0c0b1；

abc三相短路故障字符串iabc----a4b4c4、三相短路接地故障字符串jabc0----a0b0c0。

本系统一反常规不采用基于电流监测的方法，独自采取基于电压监测技术来实现对配电线路不同类型故障的发现和识别。高压配电线路常见故障按故障来源可以划分到以下三个方面：

①10kv线路和相关设备受到实质性冲击或损坏后故障不可自动恢复、需要人工处理方面；

②受到雷击、瞬时接地等外力影响使电压瞬间升高或降低，之后可恢复到原电压状态方面；

③受到用户低压线路由触电、瞬间接地、碰线等影响瞬时电压降低，之后能恢复方面；

本系统针对第1类型，解决其故障不能恢复而进行监测并实现故障识别、分类、定位，着重解决相线接地、断线、二线短路、三线短路或综合发生等故障识别问题；针对第二类型的可恢复瞬时故障情况，通过故障后同线多监测点继续连续监测数据来分析区别；针对第三类型的低压线路瞬时故障引起的干扰情况，通过故障时同线多点监测的数据来分析区别；

基于电压监测录波的识别技术在配电线路上进行时，要解决配线外围受到与配线直接相连的两个方面的影响，具体的两个方面和针对性的解决办法是：

①变电站配电母线往往同时送出通往不同方向的多条配线，其中一条配线发生故障会通过母线影响到其他配线，这就影响到故障定位；这时注意无故障配线与有故障配线电压分布的不同特点，采取联合所有这些配线的监测点电压录波数据来识别故障并分析故障位置。

②在配电线路所驱动的低压供电线路上同样有可能发生接地、断线、短路等故障，使得直接影响所监测数据的代表意义，这时监测数据异常不见得说明所在变压器原边高压配线故障；故障低压线对应的高压连接点只一个，一般地低压线故障只使这个点电压受到扰动，该相高压线路上邻接监测点及更远的点应不受到太大的影响；这时通过比较同条配线多个监测点数据可以识别出本次故障是什么故障、是由哪里引起的故障。

四附图说明

图1----本发明装置的功能模块组成图，其中a、b、c连接工频市电的三相线路，在装置中经a/d采集数据，送到主处理器进行故障识别处理；gps时钟则提供对数据处理在全配电网络系统中同步，通信模块则使本装置对配电网络后台处理数据传送连接。

图2----示意配电线路不同故障类型时三相线路电压状态的不同变化不同组合；图中列出6种故障情况时的电压状态变化：单相接地故障、单相断线故障、两相短路故障、两相短路接地故障、三相短路故障、三相短路接地故障。

五具体实施方式

5.1预设赋值变量定义故障类别字符串

定义配网高压线电压监测周期有效值状态：以a相数值为例，b、c相例同。

a0----a相电压周期有效值＜u20％，a1----a相电压周期有效值为正常值u(1±5％)，a2----a相电压周期有效值为u(1/2±10％)，a3----a相电压周期有效值为u(1.73±10％)，a4----a相电压周期有效值＜u30％。基于这些定义，确定以下不同故障类型的字符串。

单相接地故障接地点以后的监测点三相状态变量e：a0、b0、c0(或者a相或者b相或者c相接地)；

a相接地(a0及b＝u(1.73±10％)、c＝u(1.73±10％)，定义字符串ea----a0b3c3；

b相接地(b0及a＝u(1.73±10％)、c＝u(1.73±10％)，定义字符串eb----b0a3c3；

c相接地(c0及b＝u(1.73±10％)、a＝u(1.73±10％)，定义字符串ec----c0a3b3；

单相接地故障接地点往首端监测情况：故障相电压趋地(＜u20％)、非故障相电压趋u(1.73±10％)。

单相断线故障断点向后的相别状态变量f：a0、b0、c0；

a相断线(a0——b＝u(1±5％)、c＝u(1±5％)正常),定义字符串fa----a0b1c1；

b相断线(b0——a＝u(1±5％)、c＝u(1±5％)正常)，定义字符串fb----b0a1c1；

c相断线(c0——b＝u(1±5％)、a＝u(1±5％)正常)，定义字符串fc----c0a1b1；

单相断线故障断点向首端多点监测情况：故障相电压正常u(1±5％)(a1b1c1)、非故障相电压也正常u(1±5％)(a1b1c1)。

双相短路故障短路点向后的相别状态变量g：ab、ac、bc；

ab短路(ab＝u(1/2±10％)——c＝u(1±5％)正常)，定义字符串gab----a2b2c1；

bc短路(bc＝u(1/2±10％)——a＝u(1±5％)正常)，定义字符串gbc----b2c2a1；

ac短路(ac＝u(1/2±10％)——b＝u(1±5％)正常)，定义字符串gac----a2c2b1；

双相短路故障短路点向首端多点监测情况：故障二相电压降低u(1/2±10％)、非故障相电压正常不变u(1±5％)。

双相短路接地故障短路接地点向后的相别状态变量h：ab0、ac0、bc0；

ab短地(ab＝0——c＝u(1±5％)正常)，定义字符串hab----a0b0c1；

bc短地(bc＝0——a＝u(1±5％)正常)，定义字符串hbc----b0c0a1；

ac短地(ac＝0——b＝u(1±5％)正常)，定义字符串hac----a0c0b1；

双相短路接地故障短路接地点向首端多点监测情况：故障二相电压降低趋0(＜u20％)、非故障相电压为正常u。

三相短路故障的相别状态变量i：abc；定义字符串iabc----a4b4c4；

三相短路接地故障的相别变量j：abc0；定义字符串jabc0----a0b0c0；

设周期t正常的电压有效值为u(1±5％)。

5.2根据监测点故障周期(第3～8t)数据认证故障时三相电压状态

依据数据监测点给出的该点所在线路、支线、杆塔编号及监测点编号，记下本次故障所在线路；

基于故障录波曲线数据特点分析故障监测数据可确定如下：

对于单相接地故障，故障相第3t有效值比2t有效值降低、4t有效值比3t更降低，直至7t、8t时趋于0；且第一非故障相3t有效值比2t升高、直至8t有效值不低于7t，趋于1.73倍；并且第二非故障相3t有效值比2t升高、直至8t有效值不低于7t，趋于1.73倍；判定该线路发生单相接地故障。

对于单相断线故障，故障相断点之后电压3t有效值比2t有效值降低、7t8t有效值更降低，且第一非故障相3t有效值比2t相等、直至8t有效值也等于7t有效值；并且第二非故障相3t有效值等于2t、直至8t有效值也等于该7t有效值；判定该线路发生单相断相故障。

对于二相短路故障，第一故障相3t有效值比2t有效值降低、直至8t有效值不大于7t，且第二故障相3t有效值比2t降低、直至8t有效值也不大于7t，数值趋于原值的一半；并且非故障相3t有效值等于2t、直至8t有效值还等于该7t，等于原值的一半；判定该线路发生二相短路故障。

对于二相短路接地故障，第一故障相3t有效值比2t值降低、直至8t有效值不大于7t；且第二故障相3t有效值比2t降低、直至8t有效值也不大于7t，趋于0(＜u20％)；并且非故障相3t有效值等于2t、直至8t有效值也等于该7t，等于原值；判定该线路发生二相短路接地故障。

对于三相短路故障，第一故障相3t有效值比2t有效值降低、直至8t有效值不大于7t，且第二故障相3t有效值比2t降低、直至8t有效值也不大于7t，趋于0(＜u20％)；并且第三故障相3t有效值也低于2t、直至8t有效值还不大于该7t，趋于0(＜u20％)；判定该线路发生三相短路故障。

对于三相短路接地故障，第一故障相3t有效值比2t有效值降低、直至8t有效值不大于7t，且第二故障相3t有效值比2t降低、8t有效值也不大于7t，趋于0(＜u20％)；并且第三故障相3t有效值也低于2t、8t有效值也不大于该7t，趋于0(＜u20％)；判定该线路发生三相短路接地故障。

5.3用单监测点故障前后多周期有效值识别故障---填写故障字符串

识别时每次按顺序abc相提取ti单周期有效值数据，对此t数据进行判断；

三相每1遍判断出周期有效值即填入“三相周期状态向量字符串t1(aibici)”中，判断过程如下：

(1)取a相有效值，后t值比前t值，发现数据基本不变，在±8％范围都属于正常；在字符串t1(aibici)中填t1(a1)，程序跳转到——②；如果数据急剧减小接近于0(＜1kv)，判为a相接地故障，填t1(a0)；程序跳转到②；如果发现数据接近于5kv±5％,判为a相参与的二线短路故障，填t1(a2)，程序转到②；如果数据急剧升高接近于17.3kv±5％，判为b或c接地，填t1(a3)；程序跳转到②。

(2)取b相有效值，后t值比前t值，发现数据基本不变，在±5％范围；在上述t1(ai)中加填b1，成为t1(aib1)，程序跳转到③；如果数据急剧减小接近于0(＜1kv)，判为ab相短路接地故障，在上述t1(ai)中加填b0，成为t1(aib0)，程序跳转到③；如果发现数据减小接近于5kv±5％,判为ab或bc相短路故障；在上述t1(ai)中加填b2，成为t1(aib2)，程序跳转到③；如果发现数据急剧升高接近于17.3kv±5％，判为a或c接地；在上述t1(ai)中加填b3，成为t1(aib3)，程序跳转到③。

(3)取c相有效值，后t值比前t值，发现数据基本不变，属于正常；在上述t1(aibi)中加填c1，成为t1(aibic1)，程序跳转到①；如果发现数据急剧减小接近于0(＜1kv)，判为c相接地故障；在上述t1(aibi)中加填c0，成为t1(aibic0)，程序跳转到①；如果发现数据减小到接近于5kv±5％上下,判为二相短路故障；在上述t1(aibi)中加填c2，成为t1(aibic2)，程序跳转到①；如果发现数据急剧升高接近于17.3kv±5％，判为a相或b相接地；在上述t1(aibi)中加填c3，成为t1(aibic3)，程序跳转到①。

5.4基于所填字符串识别故障类型

(1)检查前2个周期t1----t2字符串的正确性

t1----t2字符串的内容都应是(a1b1c1)，如有个别不符，作出记录向用户通报；

(2)从后向前按t20----t9顺序识别字符串判断故障

逐个比对t20----t9的字符串都相同吗？有不同则计下t的序号和个数n；

个数n＜4吗？小于则记录3个t号，进入异常识别处理；正常即往下：

取占多数相同数据周期t中1个典型字符串进行故障识别处理：

t()＝ea(a0b3c3)，属a相接地故障；不是则往下；

t()＝eb(b0a3c3)，属b相接地故障；不是则往下；

t()＝ec(c0a3b3)，属c相接地故障；不是则往下；

t()＝fa(a0b1c1)，属a相断路故障；不是则往下；

t()＝fb(b0a1c1)，属b相断路故障；不是则往下；

t()＝fc(c0a1b1)，属c相断路故障；不是则往下；

t()＝gab(a2b2c1)，属ab二相短路故障；不是则往下；

t()＝gbc(b2c2a1)，属bc二相短路故障；不是则往下；

t()＝gac(a2c2b1)，属ac二相短路故障；不是则往下；

t()＝hab(a0b0c1)，属ab二相短路接地故障；不是则往下；

t()＝hbc(b0c0a1)，属bc二相短路接地故障；不是则往下；

t()＝hac(a0c0b1)，属ac二相短路接地故障；不是则往下；

t()＝iabc(a4b4c4)，属abc三相短路故障；不是则往下；

t()＝jabc(a0b0c0)，属abc三相短路接地故障；不是则进入异常识别处理。

5.5异常情况识别处理

本装置每次按顺序abc相采集1t数据，当即对此点数据进行判断；提取的时间顺序是：该点报警三相数据分别第3t、4t∽8t(共6t)有效值；

①如果三相都是电压升高趋势，则判别主要是雷击影响；

接着比较第9t、10t、……20t数据，如果升高几个周期后接着降低到正常，则给出瞬间雷击报警；

②如果单相电压升高趋势、其他相正常，也给出该相瞬间雷击干扰报警；

③如果发现单监测点单相或2相、3相电压稍有降低，第9t、10t后恢复正常，判该点对应低压线路故障影响；增加对故障瞬间多t数据进行64次谐波分析(采样速率6400hz)，测得谐波次级高时说明故障来自低压侧，谐波次级低时指出故障源于高压侧。

报警故障位置就是该监测点所在地。