配电网络中故障定位和拓扑自动识别的方法与流程

本发明属于电力系统中配电自动化领域，特别涉及低压配电网不同位置上断路器的功能配置，以及发生故障时自动定位隔离、同时自动识别网络拓扑。

背景技术：

随着社会对供电质量的要求越来越高，配电系统也愈加完善。为了提高供电的可靠性，普遍通过配电终端之间相互通信实现故障快速定位、隔离以及非故障区自动恢复供电。

配电网中配电设备的变动会导致台区配电网络拓扑关系的改变，尤其是在低压配电网中，经常增加分支箱，造成低压配电网中拓扑不清，故障自动定位隔离困难。目前实现自动拓扑的方法很多，但投入成本、运维成本过高限制了技术的应用。

有效地故障定位和故障隔离依赖于已经知晓配电网络的拓扑结构，如何克服这种依赖关系，目前没有找到有效的方法。

技术实现要素：

为了在故障发生时，能够有效地故障定位、故障隔离，并根据故障信息生成发生故障的低压配电网的拓扑，提出了本发明。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：配电网络中故障定位的方法，所述配电网络中，断路器安装在靠近电源的第一级综合配电箱和配电网络上其它位置的电缆分支箱中。

在配电箱和分支箱中配置有通信控制终端，通信控制终端获取本配电箱或分支箱中断路器的状态，通信控制终端与上位机有通信连接，断路器的状态通过通信控制终端上传给上位机。

断路器投入的功能包括：

a-1、过流延时跳闸功能：检测到电流超过过流设定值后，延时t1之后跳闸。

b-1、过流失压跳闸功能：断路器在有压且合位状态下检测到线路过流故障，线路无流无压后，向本分支箱内的其他断路器发送闭锁跳闸信号，延时t4之后断路器跳闸。

b-2、电源侧有压延时合闸功能：断路器分位状态时，电源侧由无压变为有压，经短延时t5之后合闸；合闸后在t3时间内没有检测到过流故障，则闭锁合闸后加速功能。

b-3、合闸后加速功能：断路器分位且无流，断路器合闸之后t3之内检测到过流故障无延时跳闸。

b-4、电源侧失压跳闸功能：电源侧失压后，在t4时间内若未收到本分支箱内其它断路器发来的闭锁跳闸信号，则断路器跳闸；若在t4时间内收到本分支箱内其它断路器发来的闭锁跳闸信号，则断路器不动作。

b-5、残压感知功能：断路器分位时，电源侧出现大于残压定值的电压，且持续时间小于t5的残压信号，则发送残压感知信息。

优选地，配电箱中的断路器投入功能a-1，分支箱中的断路器投入功能b-1至b-5。

基于上述配置，通信控制终端将断路器的动作和检测到的故障信息传送给上位机，实现故障定位，所述故障定位方法包括以下步骤：

步骤1-1、配电网络上出现过流故障时，电源点到故障点之间有故障电流流经的断路器检测到过流故障。

步骤1-2、配电箱中检测到过流故障的断路器，按照a-1功能跳闸。

步骤1-3、分支箱中检测到过流故障的断路器，按照b-1功能跳闸。

步骤1-4、检测到电源侧失压的断路器，如果所在分支箱内不存在检测到过流故障的断路器，则按b-4功能跳闸；如果所在分支箱内存在检测到过流故障的断路器，由于步骤1-3收到闭锁跳闸信号，不动作。

步骤1-5、上位机控制配电箱中跳闸的断路器，在跳闸t2时间后合闸。

步骤1-6、合闸断路器的下一级分支箱中的各断路器电源侧有压，

分支箱内按功能b-1跳闸的断路器，按功能b-2合闸；

分支箱内按功能b-4跳闸的断路器，按功能b-2合闸；

重复步骤1-6，直至故障点上一级分支箱。

步骤1-7、故障点上一级分支箱中，按功能b-1跳闸的断路器，经步骤1-6合闸后，按功能b-3无延时跳闸。

步骤1-8、由于步骤1-7中的断路器合闸到故障，该断路器的下一级断路器，按功能b-5检测到线路残压。

基于上述过程，完成拓扑的自动识别，包括以下步骤。

步骤2-1、上位机存储电源及综合配电箱为初始拓扑图。

步骤2-2、收到步骤1-1发送的信息后，将分支箱中检测到过流故障的断路器添加到拓扑图中，所述断路器在拓扑图中没有连接关系。

步骤2-3、根据收到的步骤1-2至1-4发来的信息，在拓扑中添加跳闸动作的断路器。

步骤2-4、步骤1-5后，根据各检测到过流故障的断路器经步骤1-6的合闸时间次序，得出步骤2-3中检测到过流故障之后失压跳闸的各断路器连接关系，即故障点上游故障线路拓扑。

步骤2-5、根据收到的步骤1-8发来的残压感知信息，确定检测到残压的断路器即为故障点下级断路器。

本发明，不同位置的断路器投入不同的功能，在发生过流故障时，断路器根据投入功能不同分别有不同的动作，并且将断路器状态和动作上传。断路器根据自身的逻辑判断故障点，隔离故障区域，通过故障信息以及合闸后断路器的动作，得出故障线路的拓扑结构。

有益效果：采用本发明，故障点的判断和隔离不依赖已知的配电网络拓扑，在网络拓扑经常变化的情况下尤其适用。在判断故障点的同时，可以得出与故障路径相关的网络拓扑结构，为故障维修、故障分析提供条件。

附图说明

图1、图2为低压配电网络的拓扑图，

图3为过流故障点示意图，

图4-图10为自动生成拓扑的过程示意图。

其中，1：通信控制终端，1-0至7-0：进线开关，1-1至1-4、2-1至2-4、3-1至3-4、4-1至4-4、5-1至5-4、6-1至6-4、7-1至7-4：断路器。

具体实施方式

下面的实施例，在低压配电网络中实现。

时间设置：上述t1-t5，根据具体要求进行设置，各时间的设置范围（单位为s，秒）：

t1=0.1-0.4s，t2=10-20s，t3=3-6s，t4=2-4s，t5=5-10s。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参看图1、图2，与电源侧最近连接的是一个低压综合配电箱，其它是电缆分支箱，本实施例中，各电缆分支箱内，进线端有1个进线开关，出线端有4个断路器。

本申请中，配电箱专指靠近电源侧的第一级低压综合配电箱，分支箱指其它位置上的电缆分支箱。

配置说明：1-1到1-4为置于综合配电箱内部的断路器，2-1到2-4、3-1到3-4、4-1到4-4、5-1到5-4、6-1到6-4、7-1到7-4为置于电缆分支箱内部的断路器，断路器可以切断故障电流。

每个综合配电箱和电缆分支箱都配置通信控制终端1。

断路器配置智能终端，终端采集流经断路器的三相电流以及电源侧三相电压，检测断路器状态，控制断路器的动作，完成断路器的控制逻辑。

本发明中，智能终端采用两种配置方式实现：

1、断路器控制终端（图中未标出）采集流经断路器的三相电流以及电源侧三相电压，检测线路状态，控制断路器的动作，完成断路器的控制逻辑；断路器控制终端通过某种方式通讯，如总线、以太网等，把采集或产生的信号传给通信控制终端。这种方式，控制和通信通过两个功能模块完成。

2、通信控制终端采集流经断路器的三相电流以及电源侧三相电压，检测线路状态，控制断路器的动作，并完成本配电箱或分支箱中断路器的控制逻辑。这种方式，通信控制终端控制本配电箱或分支箱中所有的断路器，控制和通信均由通信控制终端完成。

通信控制终端1通过lora、光缆、电力线载波等方式，把采集或产生的信号传给上位机。

断路器控制终端（图中未标出）或通信控制终端1与断路器一起，组成智能断路器。

智能断路器采集流经断路器的三相电流以及电源侧的三相电压，具有检测故障、分合闸状态、线路有压、线路失压、合闸后加速、电源侧有压延时合闸功能、残压感知功能等信号，经通信控制终端1通过载波、lora、无线公网、光纤等方式传给上位机。

本文以下，“断路器”指“智能断路器”。

为了节省成本，1-0、2-0、3-0、4-0、5-0、6-0、7-0不使用断路器，可以是没有电动操作机构，只具备手动合分闸功能的开关。

上位机为云主站，如图1所示，或者是具有边缘计算能力的雾终端，如图2所示。

图2中，具有边缘计算能力的雾终端设置在低压综合配电箱中。

具有边缘计算能力的雾终端为本地智能设备，处理本变压器下的数据，完成故障定位、故障隔离、自动拓扑识别。

每个通信控制终端的对时模块以及上位机对时系统保证整个系统时间的一致性。

综合配电箱和电缆分支箱内有后备电源，保证故障停电后短时间内可以把故障信息、状态变位上传，以及停电后可以断开断路器。

断路器投入的功能。

根据所处位置不同，断路器投入的功能也不同。本发明中，位于综合配电箱和电缆分支箱内的断路器投入不同的功能。

综合配电箱内断路器投入的功能包括：

a-1、过流延时跳闸功能：检测到电流超过过流设定值后，延时t1之后跳闸。

过流设定值根据现场负荷确定。如现场负荷最大为10a，则过流设定值可以设为12a。

分支箱内断路器投入的功能包括：

b-1、过流失压跳闸功能：断路器在有压且合位状态下检测到线路过流故障，线路无流无压后，向本分支箱内的其他断路器发送闭锁跳闸信号,延时t4之后断路器跳闸。

b-2、电源侧有压延时合闸功能：断路器分位状态时，电源侧由无压变为有压，经短延时t5之后合闸；合闸后在t3时间内没有检测到过流故障，则闭锁合闸后加速功能。

b-3、合闸后加速功能：断路器分位且无流，断路器合闸之后t3之内检测到过流故障无延时跳闸。

b-4、电源侧失压跳闸功能：电源侧失压后，在t4时间内若未收到本分支箱内其它断路器发来的闭锁跳闸信号，则断路器跳闸；若在t4时间内收到本分支箱内其它断路器发来的闭锁跳闸信号，则断路器不动作。

b-5、残压感知功能：断路器分位时，电源侧出现大于残压定值的电压，且持续时间小于t5的残压信号，则发送残压感知信息。

功能b-5中，残压定值为额定相电压的30%。如低压配电网络的额定相电压为220v，残压定值为66v。

本实施例中，投入功能的时间分别如下：

t1=0.2s，t2=15s，t3=5s，t4=3s，t5=7s。

上述断路器投入的功能，可以直接由上位机根据收到的信息，控制断路器来实现，这需要可靠的通信来保障；也可以在本地，通过断路器控制终端或通信控制终端实现。

故障隔离。

根据以上功能投入，在低压配电线路上检测到过流故障时，通过各断路器之间的动作协调，完成故障点定位及隔离。

实施例参看图3，故障点在断路器4-3后端k点。

步骤1-1、如图3所示，在图示k点发生短路故障时，电源点到故障点之间的断路器1-1、2-3、4-3会检测到过流故障，并记忆故障信息。

步骤1-2、配电箱中的断路器1-1由于过流延时跳闸，过流故障后经过t1后跳闸。

步骤1-3、分支箱中的断路器2-3、4-3，按照功能b-1跳闸。

步骤1-4、由于断路器1-1跳闸，导致电缆分支箱1、3、4、5、6中的断路器电源侧失压。

分支箱4、5、6中，由于没有断路器检测到过流故障，按照功能b-4，断路器5-1到5-4跳闸、断路器6-1到6-4跳闸、断路器7-1到7-4跳闸。

分支箱1中，由于断路器2-3按照功能b-1，向断路器2-1、2-2、2-4发送闭锁跳闸信号，断路器2-1、2-2、2-4按照功能b-4没有动作。

同样，分支箱3中，断路器4-1、4-2、4-4没有动作。

上述步骤完成了故障后的跳闸动作。

下面步骤完成故障点的定位与隔离。

步骤1-5、上位机获知配电箱中的断路器1-1由于过流故障跳闸，在其跳闸t2时间后，控制断路器1-1合闸。

分支箱1中：步骤1-6、断路器1-1合闸，分支箱1中的断路器电源侧有压。断路器2-3在步骤1-3中跳闸，所以按功能b-2合闸，其他断路器，2-1、2-2、2-4，由于已经闭锁分闸，无动作，恢复供电。

分支箱5中：步骤1-6、断路器电源侧有压，断路器6-1至6-4合闸，恢复供电。

分支箱3中：步骤1-6、断路器2-3合闸后，分支箱3中的断路器电源侧有压。断路器4-3在步骤1-3中跳闸，按功能b-2合闸，其他断路器，4-1、4-2、4-4，由于已经闭锁分闸，无动作，恢复供电。

分支箱6中：步骤1-6、断路器电源侧有压，断路器7-1至7-4合闸，恢复供电。

步骤1-7、断路器4-3合闸后，由于靠近故障点，断路器4-3合闸到故障，断路器4-3无延时跳闸。

步骤1-8、分支箱4中的断路器5-1、5-2、5-3、5-4在步骤1-4中跳闸，处于分位状态；由于断路器4-3合闸后在t3时间内检测到故障，按照功能b-3加速跳闸，断路器5-1、5-2、5-3、5-4按功能b-5可以检测到残压信息，发送残压感知信息。

由于断路器4-3合闸后在t3时间内检测到故障无延时跳开，在断路器1-1延时t1结束之前，故障电流已经返回，断路器1-1按照功能a-1，不会跳闸。

由于断路器4-3合于故障，断路器2-3虽然检测到了过流信息，由于没有失压所以不会跳闸，经短延时之后，过流记忆复归。

断路器4-3跳开，断路器5-1到5-4在步骤1-4失压跳闸，隔离了故障区域。

经上述步骤，将故障点从低压配电网络中隔离出去，同时对非故障区域恢复了供电。

拓扑自动识别。

上位机根据在故障隔离过程中收到的信息，自动完成拓扑识别。

实施例参看图3，故障点在断路器4-3后端k点。

步骤2-1、由于网架的多变性，配电网的复杂性，上位机（云主站或雾终端）中不能获得全网拓扑。本发明中，上位机不存储网架全部拓扑结构。低压综合配电箱距电源最近，基本不会发生连接变化，因此，上位机中只存储电源之后的低压综合配电箱，如图4。

步骤2-2、步骤1-1，所有检测到过流故障的断路器，即断路器1-1、2-3、4-3将信息上传；上位机收到步骤1-1发送的信息后，将分支箱中检测到过流故障的断路器，断路器2-3、4-3添加到拓扑图中，由于故障基本同时发生，此时得不到断路器的上下级关系，所述断路器在拓扑图中没有连接关系，如图5所示。

步骤2-3、步骤1-2至1-4中，断路器5-1到5-4跳闸，断路器6-1到6-4跳闸、断路器7-1到7-4跳闸，在拓扑中添加跳闸动作的断路器。同样，此时不能确定断路器的上下级关系，如图6所示。

图中，并未标出断路器6-1到6-4、断路器7-1到7-4，原因在本文下面解释。

步骤2-4、步骤1-5后，断路器1-1合闸，步骤1-6中，断路器2-3电源侧有压短延时后合闸，可以分辨断路器2-3在断路器1-1的下级；断路器6-1至6-4合闸，但判断不出断路器6-1至6-4是位于分支箱1中哪一个断路器的下级，上位机识别不出网络拓扑，因此，拓扑图中不增加断路器6-1至6-4，更新拓扑如图7。

断路器2-3合闸后，下一时间，步骤1-6中，断路器4-3电源侧有压短延时后合闸，上位机可以分辨断路器4-3在断路器2-3的下级；断路器7-1至7-4合闸，但判断不出断路器7-1至7-4是位于分支箱3中哪一个断路器的下级，上位机识别不出网络拓扑，因此，拓扑图中不增加断路器7-1至7-4，更新拓扑如图8。

步骤2-5、由于断路器4-3合闸后在t3时间内检测到故障，步骤1-8中，断路器5-1到5-4会检测到残压，根据残压感知信息，更新拓扑如图9。

上位机根据过流故障信息、故障导致跳闸动作以及定位故障过程中的合闸信息，故障相关的断路器拓扑关系经不断更新，最终自动生成了故障相关所有断路器拓扑关系。

分支箱中断路器的拓扑关系是确定的，如分支箱1中，断路器2-1至2-4的拓扑关系与分支箱1绑定，相关信息可以从资产编码信息得到，得到其中一个断路器的信息，就得到可整个分支箱的信息。

步骤2-6、分支箱中的通信控制终端存储各分支箱的拓扑关系，通过通讯上传给上位机，上位机根据配置信息，完善故障线路网络拓扑。

最终，更新拓扑如图10。

依据此拓扑关系可以定位故障点，本实施例中，在分支箱3与分支箱4中间部分k点。

根据识别完成的拓扑结构，实现故障分析定位，定位故障点，依据gps位置信息发送故障点的具体位置到抢修人员，实现快速抢修恢复供电。

故障处理完成后，云主站自动生成故障总结报告，包含故障线路拓扑、故障分析、故障处理、故障总结、故障预防等消息。

进线开关1-0、2-0、3-0、4-0、5-0、6-0、7-0不参与逻辑控制动作，为了保持完整，拓扑图中保留上述图示。

通过一个故障点的隔离，可以得到故障分支线路的拓扑。随着时间的推进，低压配电网络中故障点不断增多，上位机保存的拓扑通过不断迭代，可以完善全局拓扑，最终得到整个低压配电网络的全局拓扑。

图3中，如果在断路器4-2后面发生故障，可以得到分支箱3、分支箱6的拓扑。

如果在断路器2-1后面发生故障，可以得到断路器1-1、分支箱1、分支箱5的拓扑。

如果在断路器3-4后面发生故障，可以得到断路器1-4、分支箱2及下一级的拓扑。

不断重复迭代上述过程，就可以得到图1或图2的整个低压配电网络的拓扑图。

虽然上述实施例中的应用对象为低压配电网络，但本发明提出的方法也适用于中、高压配电网络。