基于分布式相量测量的配网线路状态监测、故障预警和定位技术的故障定位装置及定位方法与流程

本发明涉及一种故障定位装置，属于一种电力技术和设备，尤其涉及一种基于分布式相量测量的配网线路状态监测、故障预警和定位技术的故障定位装置，适用于6.6～35kv以架空线为主的配电网，能够在发生短路、接地故障时，快速、精确定位。

背景技术：

我国6～35kv配电网广泛采用小电流接地方式，其主要故障包括短路故障和单相接地故障。因配网线路连接输电侧和用电侧，具有分布广、线路长、故障查找困难等特点。目前进行的配网自动化改造采用ftu、dtu与负荷开关等实现配网线路故障的快速隔离和自恢复供电，采用故障指示器实现故障的分段定位，方便故障的查找。但是配网自动化改造的成本较高，只能对重要线路和重要节点进行监控，故障指示器故障判断的准确率低，无法可靠地实现故障的精确定位。另外，配网线路整体的运行状态和运行参数不能由上述设备完整地上传到主站，运行维护人员无法根据线路的运行状态预判线路可能发生的故障，无法提前对线路故障隐患进行预警。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术上的不足，提供一种基于分布式相量测量的配网线路状态监测、故障预警和定位技术的故障定位装置。该定位装置能够快速、准确地确定故障点，并适用于金属性接地、经电弧接地、经过渡电阻接地等多种故障情况。定位装置能够实现“二遥”功能，具有成本低，性价比高，安装方便，免维护等特点。相对于配网自动化的改造降低了用户的投资，性价比较高。

本发明另一目的在于提供一种基于分布式相量测量的配网线路状态监测、故障预警和定位技术的故障定位方法。

本发明的技术方案如下：

基于分布式相量测量的配网线路状态监测、故障预警和定位技术的故障定位装置，包括电流监测单元、电压监测单元、汇集单元及主站；

所述电压型监测单元安装在变电站内，电压型监测单元采样线路电压，并将电压信号与电流信号同频同相的直接上传至主站；

所述电流监测单元安装在配网线路上，电流监测单元将监测的电流、电场强度、温度的参数传输至汇集单元；

所述汇集单元安装在架空线路杆塔上，汇集单元接收电流监测单元输送的电流、电场强度、温度参数同时实现将a、b、c三相电流合成零序电流，通过gprs方式远传至主站；

所述主站安装在变电站内或调度中心，接收各汇集单元和电压监测单元上传来的数据，采用图形，曲线、表格界面显示方式，直观地呈现出配网线路的状态。

所述的电压监测单元采用电子式电压互感器。

所述电流监测单元包括罗氏线圈、积分电路、a/d转换模块、mcu模块、gps模块及数据收发模块；所述的罗氏线圈、积分电路、a/d转换模块、mcu模块依次连接，gps模块及数据收发模块与mcu模块连接，gps模块及数据收发模块与罗氏线圈之间依次设有储能电容、监控电路和电解电容。

所述的积分电路为opa2379放大器和opa2349放大器。

所述的监控电路为ncp304lsq45t1g、irlml2502或irlml6402电压监控电路。

所述汇集单元包括数据收发模块（rf）、flash储存模块、微处理器模块（mcu）、全球定位系统模块（gps）、通信模块、实时时钟模块（rtc）、看门狗电路模块（wdt）、无线通信模块（gprs）；数据收发模块、flash储存模块、gps模块、通信模块分别与mcu模块连接；所述的mcu模块连接有rtc实时时钟模块和wdt看门狗电路；所述通信模块连接有无线通信模块（gprs）和测试端口。

所述汇集单元还包括太阳能电池，太阳能电池作为主、备电源为汇集单元供电。

本故障定位装置通过以下方法实现故障定位：

正常运行时电压、电流监测单元每隔15min将采集到的线路的负荷电压，电流等定点数据主动上送到汇集单元，汇集单元分析、处理后上传给主站，并在主站通过图形、曲线、表格等界面显示方式，直观的呈现配网线路的线路状态。

当线路发生短路故障后，由于短路故障电流大，电流监测单元利用突变的大电流，直接告警并将告警信息通过近距离射频通讯传输给汇集单元，汇集单元将告警信息通过gprs传输给主站，主站结合所有监测点上传的告警信息，如果母线到某个汇集单元之间的所有汇集单元都检测到突变大电流信息，而其它汇集单元检测不到这个突变电流信号，则可以判断这些汇集单元都位于故障路径上；最终确定故障点的位置，实现相间短路故障点区段定位功能。

当系统发生单相接地故障时，电压监测单元采集母线零序电压信号，及各条出线零序电流信号，利用基于多种选线方法融合的综合选线技术选出故障线路同时录取母线零序电压波形，并将故障信息及电压波形传输给主站；以此同时，安装在线路上的电流监测单元录取各个监测点的a、b、c三相电流波形，通过近距离射频通讯将波形传输给同杆位的汇集单元，汇集单元将波形通过gprs传输给主站，主站利用各个监测点的a、b、c三相电流波形合成零序电流波形，并与母线零序电压波形进线比较；

1)当某个监测点检测到零序电流滞后零序电压90°，则说明该监测点位于故障路径上；

2)当某个监测点检测到零序电流超前零序电压90°，则说明该监测点不在故障路径上；

3)当母线到某个监测点之间的所有监测点零序电流相位相同，且与其他监测点零序电流相反，则说明这些监测点都位于故障路径上。

主站综合利用上述关系，结合所有监测点零序电流与零序电压、零序电流与零序电流比较结果，最终确定故障点的位置，实现单相接地故障点区段定位功能。

本故障定位装置的优点如下：

1、成本低，性价比高，可带电安装方便，免维护。

2、能够录取各个监测点的电流、电压波形。

3、汇集单元录波能够同步三相电压、电流时标误差小于100us，能够合成零序电流波形。

4、能够精确定位发生单相接地故障、短路故障所在区段。

5、适用于6～35kv中性点非有效接地、有效接地的配网系统，能够判别金属性接地、弧光接地、经小电阻、高阻接地等多种故障接地类型。

6、主站能够对监测单元瞬时性接地故障数据统计、利用将线路扰动录波数据与数据库中接地故障典型数据的吻合度、匹配度对比分析、以及模糊度判断等技术，对配电网线路接地故障预警和线路健康状态的评价。

附图说明

图1是本故障定位装置的系统总框图；

图2是电流监测单元系统总框图；

图3是汇集单元系统总框图；

图4是短路故障时短路电流的电路图；

图5是单相接地故障时零序电流的电路图；

图6是电流型监测单元基于罗氏线圈对大电流的积分电路图；

图7是电流型监测单元基于罗氏线圈对小电流的积分电路图；

图8电流型监测单元对两路信号的合成处理电路图；

图9是电流型监测对大、小电流信号通断控制电路图。

图1中，1、汇集单元，2、变电站，3、监测正常电流的电流监测单元，4、监测故障电流的电流监测单元，5、故障点，6、变电站母线，7、无线通讯，8、架空线路。

具体实施方式

如下图所示，通过具体实施例对本故障定位装置作进一步详细说明。

实施例

一种分布式相量测量的配网线路状态监测、故障预警和定位技术的故障定位装置，包括电流监测单元、电压监测单元、汇集单元及主站；

所述电压型监测单元安装在变电站内，电压型监测单元采样线路电压，并将电压信号与电流信号同频同相的直接上传至主站；所述的电压监测单元采用电子式电压互感器。

所述电流监测单元安装在配网线路上，电流监测单元将监测的电流、电场强度、温度的参数传输至汇集单元；所述电流型监测单元包括罗氏线圈、积分电路、a/d转换模块、mcu模块、gps模块及数据收发模块；所述的罗氏线圈、积分电路、a/d转换模块、mcu模块依次连接，gps模块及数据收发模块与mcu模块连接；gps模块及数据收发模块与罗氏线圈之间依次设有储能电容、监控电路和电解电容；所述的积分电路为opa2379放大器和opa2349放大器；所述的监控电路为ncp304lsq45t1g、irlml2502或irlml6402电压监控电路。

所述汇集单元包括数据收发模块（rf）、flash储存模块、微处理器模块（mcu）、全球定位系统模块（gps）、通信模块、实时时钟模块（rtc）、看门狗电路模块（wdt）、无线通信模块（gprs）；数据收发模块、flash储存模块、gps模块、通信模块分别与mcu模块连接；所述的mcu模块连接有rtc实时时钟模块和wdt看门狗电路；所述通信模块连接有无线通信模块（gprs）和测试端口。所述汇集单元还包括太阳能电池，太阳能电池作为主、备电源为汇集单元供电。

所述主站安装在变电站内或调度中心，接收各汇集单元和电压监测单元上传来的数据，采用图形，曲线、表格界面显示方式，直观地呈现出配网线路的状态。

本故障定位装置通过以下方法实现故障定位：

正常运行时电压、电流监测单元每隔15min(时间可设)将采集到的线路的负荷电压，电流等定点数据主动上送到汇集单元，汇集单元分析、处理后上传给主站，并在主站通过图形、曲线、表格等界面显示方式，直观的呈现配网线路的线路状态。

当线路发生短路故障后，由于短路故障电流大，电流监测单元利用突变的大电流，直接告警并将告警信息通过近距离射频通讯传输给汇集单元，汇集单元将告警信息通过gprs传输给主站，主站结合所有监测点上传的告警信息，如果母线到某个汇集单元之间的所有汇集单元都检测到突变大电流信息，而其它汇集单元检测不到这个突变电流信号，则可以判断这些汇集单元都位于故障路径上。最终确定故障点的位置，实现相间短路故障点区段定位功能。

当系统发生单相接地故障时，电压监测单元采集母线零序电压信号，及各条出线零序电流信号，利用基于多种选线方法融合的综合选线技术选出故障线路同时录取母线零序电压波形，并将故障信息及电压波形传输给主站；以此同时，安装在线路上的电流监测单元录取各个监测点的a、b、c三相电流波形（为了保证电流相位的可比性，监测点电流检测装置利用gps进行同步对时），通过近距离射频通讯将波形传输给同杆位的汇集单元，汇集单元将波形通过gprs传输给主站，主站利用各个监测点的a、b、c三相电流波形合成零序电流波形，并与母线零序电压波形进线比较。

4)当某个监测点检测到零序电流滞后零序电压90°，则说明该监测点位于故障路径上；

5)当某个监测点检测到零序电流超前零序电压90°，则说明该监测点不在故障路径上。

6)当母线到某个监测点之间的所有监测点零序电流相位相同，且与其他监测点零序电流相反，则说明这些监测点都位于故障路径上。

主站综合利用上述关系，结合所有监测点零序电流与零序电压、零序电流与零序电流比较结果，最终确定故障点的位置，实现单相接地故障点区段定位功能。

如图1所示，电流监测单元安装在架空线路上，主要安装在变电站出口、分支线路，可根据线路的重要性多个位置进行安装，汇集单元安装在与电流监测单元附近的户外架空线杆塔上，用于接收、转发电流监测单元上送的负荷数据、波形文件。电流监测单元用字母“b”表示，每组电流监测单元为3只，安装在线路的a、b、c三相线路上，多个电流监测单元分别用b1，b2……bn表示，汇集单元用“c”表示，多个汇集单元分别用c1，c2……cn表示；“d”表示为电压监测单元，采集母线零序电压、零序电流、波形文件并将采集数据信息及波形文件直接上传至主站。“a”表示为主站，主站系统为工业控制计算机，主站接收站内电压监测单元和电流监测单元上传来的数据及波形，采用图形，曲线、表格等界面显示方式，直观地呈现出线路的状态。主站可根据全网同步数据，应用多种故障诊断判据，精确的计算出故障所在的区段。

对于相间短路定位策略：如图4所示，假定在f点发生b、c两相接地故障，由于短路电流非常大，这样在f点的上游02路径上的所有终端都能检测到这个短路电流信号，而在f点的下游23路径上的所有终端都检测不到这个短路电流信号。由此可以得出相间短路故障定位的方法：若母线到某个终端之间的所有终端都检测到突变大电流信息，而其他终端检测不到这个突变电流信号，则可以判断这些终端都位于故障路径上。

对于单相接地的定位策略：如图5所示，假定在线路1和2之间发生单相接地故障，统一设定母线指向线路的方向为电流的参考方向，我们会发现0到1之间、1到故障点之间的零序电流滞后零序电压90°(即零序电流与零序电压为非关联参考方向)，其他支路零序电流仍是超前零序电压90°(即零序电流与零序电压为关联参考方向)；而且0到1之间、1到故障点之间的零序电流与其他支路的零序电流相位相反。由此我们就得出单相接地故障定位的两个方法：①如果能够在变电站测量零序电压，则全网各支路的终端设备都按照正常情况下的电流参考方向进行零序电流检测，同时和电网零序电压进行相位对比，若某个终端检测到零序电流滞后零序电压90°，则说明该终端位于故障路径上，否则若某个终端零序电流超前零序电压90°，则说明该终端不在故障路径上。②如果不能够在变电站测量零序电压，则分析各个终端检测到的零序电流相位关系，若母线到某个终端之间的所有终端零序电流相位相同，且与其他终端零序电流相反，则可以判断这些终端都位于故障路径上。

上述定位方法适用于中性点不接地系统，但是由于暂态电流信号不受消弧线圈补偿的影响，因此对于消弧线圈接地系统，采用暂态信号也适用于故障定位。本故障定位装置将算法进行扩展，从各个汇集单元中的暂态电流中提取有用的特征分量，对故障特征进行融合。对比所有汇集单元的故障特征信息，具有相同故障特征信息的汇集单元一定位于故障路径上，从而实现准确的故障定位。

下面分析中性点经消弧线圈接地系统中线路上各区段零序电流的特征。分析零序网络如图所示，由于消弧线圈的补偿，故障路径上的零序电流相位将超前零序电压90°，而故障点后以及非故障分支的零序电流相位也超前零序电压90°。很显然，母线上的正常线路上主干线及分支的零序电流相位超前零序电压90°，故障路径上的零序电流与正常支路的零序电流同相。

暂态零序电流的特征是：在暂态过程的开始一段时间(通常是1个周期)，消弧线圈电感电流幅值较小，因此与中性点不接地系统类似，沿故障路径越靠近故障点的暂态零序电流幅值越大，故障路径的暂态零序电流与非故障线路、非故障支路以及故障点之后的线路的暂态零序电流方向相反。

图6、7、8、9是电流型监测单元基于罗氏线圈对电流信号的积分电路处理。

罗氏线圈是一种空心环形的线圈，又叫作电流测量线圈或微分电流传感器，因其独有的特性而广泛应用在各领域进行测量。罗氏线圈的特性包括：不含铁磁性材料，无磁滞效应，无磁饱和现象，几乎为零的相位误差。由于无磁饱和现象，罗氏线圈的电流测量范围可从数安培到数千安培。

虽然罗氏线圈是一种相当理想的电流测量的线圈，但因输出电压与输入电流信号微分成正比，驱动能力低，二次侧的输出电压需要经过积分和放大之后才能还原一次侧电流信号的波形特征。基于此原因，积分放大电路就成为罗氏线圈输出信号处理的关键。电流型监测单元采用的罗氏线圈一次侧输入电流要能覆盖低至3a到高达600a的范围。进行积分放大处理时，幅值的误差要控制在1%以内，相位偏差控制在1.8°以内。

图6是大电流信号的快速采集电路采用先积分后放大的顺序对输入信号进行处理,可以提高捕捉信号变化的能力，提高信号采集速度，对暂态突变更快反应。为使积分放大后信号的相位尽量与一次侧输入电流的相位达到一致,积分电路须慎选r-c参数,将相位偏差控制在1.8°以内。大电流信号通常为合闸涌流、人工投切、暂态故障等情况引起，其特征为变化斜率大，信号频率高。因此，在大电流信号的采集电路中使用高通滤波，对小于300hz的信号进行衰减。积分电路中放大倍数的选择根据是测量幅度范围（600a左右）的1.2倍幅度对应ad口满量程电平。

图7是小电流信号的精确测量电路采用先放大后积分的顺序可提高小电流信号放大的ac特性，达到精确采集目的，对稳态测量的误差更小。正极放大电路有很高的输入阻抗、更高的增益，更好的噪声特性抗干扰。由于罗氏线圈在输出端不具备足够大的驱动能力，采用高输入阻抗的正极放大电路连接在罗氏线圈输出端之后就大大降低了因增益错误造成信号波形畸变的偏差。小电流信号为稳定工作状态下的线路负载电流信号，其特征为变化斜率小，频率为50hz及其5次内谐波。电路滤波处理中采用低通滤波电路，对大于300hz的信号进行衰减。

图8是两路信号的合成处理。将同一个输入信号通过快速采集电路和精确测量电路后所得到的波形进行叠加。两个测量电路中的积分选择一致的r-c参数比值，以保持大信号和小信号放大电路的相位一致，不影响合成信号的准确性。

图9是小电流信号的分合控制。在大电流和小电流信号合成电路的前端需要对小电流信号进行通断的开关控制。小电流信号在经过放大后再经运放隔离和二极管,连接电容器后产生一个较稳定的直流电平。将此电平和参考电压用比较器对比,该直流电平高于阈值参考电压则比较器输出控制关闭mos管,使小电流信号断开到合成电路的连接；该直流电平低于阈值参考电压则比较器输出控制导通mos管,使得小电流信号连接到叠加合成电路。

电流监测单元采集信号经过积分电路处理后通过a／d转换模块采样，输入到mcu模块分析处理。与此同时gps模块启动三相时钟同步，保证三相电流、电场同时触发录波；录波数据通过数据收发模块请求发送至汇集单元；汇集单元接收到电流监测单元的数据请求，按照约定的协议接收电流监测单元发送的数据，存储到flash存储模块中，与mcu模块数据交互，处理后在汇集单元同步合成三相电压、电流，且三相合成时标误差小于100us，以标准101协议上传到主站。