CN101261304A - 小电流接地系统配电线路单相接地故障自动定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种配电线路单相接地故障自动定位方法，包括：(1)通过在配电变电站配置包含接地故障监视、诊断信号注入、诊断信号检测和通信模块的选线主机，判断系统是否发生单相接地故障；在故障情况下自动地向系统注入诊断信号；检测到诊断信号最大的馈线为接地线路；选线结果通过通信网络发送给故障定位计算机。(2)通过在配电线路沿线配置信号探测器，探测在一次系统中是否有诊断信号，检测结果通过通信网络送给故障定位计算机。(3)通过在调度中心安装故障定位计算机，与辖区内各选线主机及馈线上的信号探测器进行通信，应用故障定位软件自动确定单相接地故障的区段。本发明具有自动化程度高、定位时间短、定位准确度高等优点。

Description

小电流接地系统配电线路单相接地故障自动定位方法

技术领域

本发明涉及一种配电线路接地故障检测方法，尤其是一种小电流接地系统配电线路单相接地故障自动定位方法。

背景技术

目前小电流接地系统单相接地故障的检测，主要包括接地故障选线和接地故障定位。近年来国内外对选线技术研究较多，已经发展出多种不同的选线原理，使得实际配电系统中选线装置的投入率和选线结果准确率都有了明显的提高，发挥了较好的作用。而在小电流接地系统单相接地故障的定位方面，国内外虽有一些研究，提出了一些理论方法，但真正投入实用的定位方法并不多。目前多数配电系统仍普遍使用人工巡线法，或利用配网自动化系统分区停电的方法进行单相接地故障定位，造成了故障持续时间的加长、人力物力的浪费以及非故障区段的无谓停电，加大了故障的损失，降低了供电的可靠性。

目前真正投入使用的单相接地故障定位方法只有S注入法。该方法利用电压互感器向故障系统注入检测信号电流，通过跟踪、监视注入信号的路径来实现故障选线和定位。S注入法具有较强的适应性，已在各种不同的配电系统中获得较为广泛的应用，取得了较好的应用效果。但是，S注入法需要运行人员手持定位探测器人工巡线定位，自动化程度低，定位时间长，可能在故障定位的过程中出现第二点故障，引起后果严重的短路故障，在恶劣天气条件下或者复杂线路环境中，人工寻线的方式无法及时应用于现场。

发明内容

本发明为克服上述现有技术的不足，提供一种在配电系统发生单相接地故障时，自动向故障系统注入故障诊断信号，通过在配电线路的不同地点对该诊断信号进行检测，并利用通信手段将各点的检测结果传送到故障定位计算机，由定位计算机根据配电线路的拓扑结构和不同地点诊断信号的检测结果，自动计算出单相接地故障区段，自动化程度高、定位时间短、定位准确度高的小电流接地系统配电线路单相接地故障自动定位方法。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：一种小电流接地系统配电线路单相接地故障的自动定位方法，包括以下步骤：

第一步：通过在配电变电站配置包括接地故障监视模块、诊断信号注入模块、诊断信号检测模块和通信模块的选线主机，接地故障监视模块检测变电站母线电压，根据母线电压的变化判断系统的单相接地故障状态；在判出单相接地后，诊断信号注入模块自动地向故障配电系统注入诊断信号，使其在信号注入点与接地故障点之间、经过故障馈线及故障分支形成回路；诊断信号检测模块检测各馈出线路中诊断信号电流的大小，将诊断信号电流最大的馈线确定为故障线路；通信模块将选线的结果发送给故障定位计算机；

第二步：通过在配电线路的分段开关、分支开关处配置诊断信号探测器，检测在其安装点处一次电路中流过的诊断信号电流，检测结果通过通信网络传送给故障定位计算机。

第三步：通过在电网调度中心或配电控制中心安装故障定位计算机，与辖区内各配电变电站的选线主机及各馈线上的信号探测器进行通信，并运行安装在其上的故障定位软件，自动实现故障定位；故障定位的结果，包括故障变电站、馈线、区段及分支，以明显的方式加以标注和显示，并可以根据需要发出声光报警。

所述的第一步中向系统注入的故障诊断信号，其频率f_zd不同于配电系统中任何一种固有信号的频率，即f_zd≠N·f_l(其中N为正整数，f_l为工频频率)，且满足P·f_l＝Q·f_zd＝f_s(其中f_s为选线主机1的诊断信号检测模块及诊断信号探测器2数据采集系统的采样频率，P、Q分别为每个工频信号周期和诊断信号周期内采样的点数，两者均为正偶数)。按照这一原则选择诊断信号的频率，一方面能够保证外加的诊断信号与故障系统固有的信号有着明显不同的特征，有利于消除故障系统中的固有信号对诊断信号的影响；另一方面可以保证诊断信号检测模块及诊断信号探测器的数据采集系统对每个工频周期和诊断信号周期的采样点数均为正偶数，利用简单的差分滤波公式y(k)＝x(k)-x(k-P)就能够全面滤除工频及各整数次谐波，进一步利用Q点的全波傅立叶算法就可以方便地计算出诊断信号电流的幅值。

所述的第一步中的选线主机通过零序电流互感器或三相电流互感器来检测变电站各馈出线中的诊断信号电流，即将各馈线零序电流互感器或三相电流互感器的输出接至选线主机，经过隔离变换、模拟预处理后送入其数据采集系统，以f_s的采样频率采样后，经差分滤波和傅氏算法，计算出各馈线出口处的诊断信号电流的幅值，按照幅值相对比较的方法，选择诊断信号电流幅值最大的线路为故障线路；在系统未装设零序电流互感器或三相电流互感器的情况下，可在各馈线出口安装与所述的第二步中一样的诊断信号探测器，利用诊断信号探测器来检测各馈出线中的诊断信号电流，并利用其串行通信接口将检测结果发送给选线主机，由选线主机按照幅值相对比较的方法，选择诊断信号电流幅值最大的线路为故障线路。

所述的第二步中诊断信号探测器包括通过信号线依次连接的诊断信号探测磁棒、诊断信号检测处理模块和通信模块，探测磁棒与诊断信号检测处理模块相配合检测出通过其安装点处一次电路中的诊断信号电流的大小；通信模块通过无线通信的方式或串行通信的方式把检测的结果传送给故障定位计算机。

所述的第三步中的故障定位软件中采用节点-支路关联矩阵自动故障定位算法，实现故障点所在区段的自动定位。

本发明基于外加诊断信号的检测、数据通信和定位计算机自动判断单相接地故障区段的方法，与现有同类技术相比具有如下优点：

1.基于检测外加诊断信号的方法进行单相接地故障定位，适用于各种结构的配电系统，不受中性点接地方式的影响，受接地电阻的影响较小；

2.单相接地故障选线、故障区段定位功能均自动完成，不仅极大的提高了单相接地故障定位的效率，还具有很高的定位准确度；

3.该系统具有较强的容错判断能力，在各种情况下均能够判断出故障所在区段，减少了对数据通信系统和诊断信号探测器的依赖。

附图说明

图1是小电流接地系统线路单相接地故障自动定位系统的构成；

图2是选线主机的结构示意图；

图3是诊断信号探测器结构示意图；

图4是带分支结构的配电系统结构示意图；

图5是配电线路的有向拓扑结构图；

其中：图1中，

表示手拉手开关

表示分段开关

表示诊断信号探测器

1.选线主机，2.诊断信号探测器，3.故障定位计算机。

图4中，S1～S7为分段或分支开关，用表示，D1～D7为诊断信号探测器，用

表示，L1～L7表示被探测器分割的线路区段。这里诊断信号探测器安装在分段开关处，二者是对应的。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

1.外加诊断信号的注入

在监视范围内的每一个配电变电站中，均安装一个选线主机1，选线主机由接地故障监视、诊断信号注入、接地选线和通信等功能模块组成，如图2所示。其接地故障监视模块能够根据电网电压的变化，自动判断出系统的单相接地故障状态，并在判断出单相接地故障状态后，自动将诊断信号注入模块投入工作，向故障系统注入一个诊断信号电流，该诊断信号电流将会在信号注入点、接地馈线、接地分支、及接地故障点之间流通，不会流入到非接地馈线、接地馈线的非接地分支以及接地分支接地故障点后面的电路中。

考虑到相对于配电系统中的任何固有信号而言，注入诊断信号的幅度都很微弱，为使注入的诊断信号不至于因被系统固有信号所淹没而无法检测，应使注入信号与配电系统中的任何固有信号均有不同的特征。因为配电系统中固有信号主要为工频分量及各次谐波，所以只要注入信号与之不同，即注入信号的频率满足f_zd≠N·f_l(其中N为正整数，f_l为工频频率)，就能够设法消除其影响，准确地检测出注入信号。

在利用注入信号电流进行接地故障检测时，系统中的工频电流及各次谐波电流都是干扰信息，应该设法滤除。为了便于在选线主机1的诊断信号检测模块中及诊断信号探测器中应用数字的方法滤除工频及各次谐波电流，希望每个工频周期采样的点数为正偶数P，即f_s＝P·f_l，这样应用差分滤波公式y(k)＝x(k)-x(k-P)就能够全面滤除工频及各整数次谐波，并使注入的诊断信号得以保留甚至得到加强。同时为了便于对诊断信号的检测和计算，希望对每个诊断信号周期的采样点数也为正偶数Q，即f_s＝Q·f_zd，这样，对上述差分滤波后的数据进一步利用Q点的全波傅氏算法，就可以计算出诊断信号电流的幅值。所以工频频率、注入信号频率和检测系统采样频率之间应满足(f_s＝P·f_l＝Q·f_zd)∩(f_zd≠N·f_l)。例如，工频频率为f_l＝50Hz，若取采样频率f_s＝4000Hz、f_zd＝222.222Hz，则可以算出P＝80、Q＝18，利用差分滤波公式y(k)＝x(k)-x(k-80)可以滤除工频及2～40次的整数次谐波，利用18点的全波傅氏算法可以算出频率为f_zd＝222.222Hz的诊断信号电流的幅值。本发明所设计的样机中，就采用了这样的频率选择方式。

2.诊断信号电流的检测

如上所述，注入到故障系统中的诊断信号电流将会在信号注入点、接地馈线、接地分支、及接地故障点之间流通，不会流入到非接地馈线、接地馈线的非接地分支以及接地分支接地故障点后面的电路中，在变电站各馈线出口处检测该诊断信号电流，可以实现接地选线；在沿线安装的各诊断信号探测器处检测该诊断信号电流，可以确定故障点位于检测点的上游还是下游，可以用来实现故障定位功能。

(1)在变电站各馈出线均装设有零序电流互感器(或三相电流互感器)的情况下，选线主机1通过零序电流互感器(或三相电流互感器)检测各馈出线中的诊断信号电流。各馈线零序电流互感器(或三相电流互感器)的二次侧经过电缆接至选线主机，二次电流经过隔离变换、电压形成和模拟预处理后，变成适当幅度的电压信号并输入到数据采集系统，以f_s的采样频率对其进行采样，得到TA二次电流的采样值。该采样信号中既包含了工频基波及谐波零序电流，也包含了注入的诊断信号电流，经P点差分滤波后，工频基波及谐波电流被滤除，仅保留了诊断信号，对其再应用Q点的全波傅氏算法，就可以算出诊断信号电流的幅值，各回路的诊断信号电流均算出后，按照幅值相对比较的方法，选择诊断信号电流幅值最大的线路为故障线路。在系统未装设零序电流互感器(或三相电流互感器)的情况下，采用诊断信号探测器2来检测各馈出线中的诊断信号电流，即在变电站每条馈线的出口处均装设一个诊断信号探测器2，利用它来测量各馈线出口处的诊断信号电流，同样应用幅值相对比较的方法选择出接地线路。选线的结果一方面由变电站中的选线主机当地显示，同时还通过通信网络传送给安装在配电监控调度中心的故障定位计算机3。

(2)接地线路选出后，故障定位计算机3将向故障线路上的所有诊断信号探测器2发出查询命令，查询其检测的结果。诊断信号探测器2的原理框图如图3所示，它由探测磁棒、诊断信号处理模块和通信模块等组成，应用电磁感应的基本原理来探测其安装处一次系统中是否存在诊断信号。磁棒用来感应一次系统中电流所产生的磁场，形成与一次电流成比例的电压信号。信号处理模块对磁棒感应到的信号电压进行滤波、放大、采集及运算(采集、运算的方法与选线主机1中诊断信号检测模块相同)，计算出相应诊断信号电流的大小。计算的结果交由通信模块经过无线通信(SMS短消息或GPRS)的方式或串行通信(RS232或RS485)的方式传送给故障定位计算机。

3.数据通信

故障定位计算机3安装在配电监控调度中心，而故障选线主机1安装在配电变电站，信号探测器2安装在配电线路的分支点或分段开关处，需要利用数据通信系统将选线结果及探测器检测的结果传送给定位计算机3。此外，定位计算机3也通过通信系统对选线主机1和各探测器2进行管理。由于小电流接地系统单相接地故障选线和定位对通信的实时性、快速性要求不高，且需要交换的信息量也很小，所以可以使用GSM短信息、GPRS等简单、低成本的通信手段。当然，在变电站及各探测器处已经设有光纤且有闲置接口的情况下，也可以利用光纤通信网络传送上述信息。

3.故障区段的自动判断

故障区段的自动判断由故障定位计算机3通过运行安装在其上的故障定位软件实现。该软件根据配电线路的拓扑结构和由通信系统传来的各探测器的检测结果，通过计算自动地判断出故障点所在的区段，并以声音、图表等方式输出计算结果。

为了完成故障区段的自动计算和判断，并以直观、明显的方式显示，故障定位软件需要具备以下功能：

(1)以馈线中探测器安装位置作为网络的节点，以探测器之间的配电线路区段作为支路，建立探测器与配电线路区段之间的关联矩阵。通过对探测器和配电线路区段分别编号，并利用对话框分别输入相关信息，由软件自动形成关联矩阵。电网结构及探测器安装位置确定后，关联矩阵就是一个常数矩阵，而当因配电重构等原因导致馈线结构发生变化时，关联矩阵也应随之变化，在定位计算机能够自动与配电自动化系统的监控主机交换信息的情况下，关联矩阵的修正可以自动完成，在无法交互信息的情况下，需要人工维护完成。

(2)探测器检测结果以行向量的形式描述，探测到诊断信号的节点对应的元素取1，没有探测到诊断信号的节点对应的元素取0，通过对检测结果行向量与关联矩阵做矩阵相乘运算，就可以算出对应故障区段的编号，从而可以在相应的图形界面上以明显的方式加以显示。

(3)容错判断能力。对于架空配电线路，探测器一般在户外安装，有可能出现受到外界干扰而导致检测结果不正确的情况。此外，通信系统故障也可能导致探测结果无法正常传送，使定位计算机无法获得相关信息。故障定位计算软件具有一定的容错判断能力，当获得的信息不正确时，能够根据相邻探测器的结果识别错误信息并予以纠正，当获得的信息不完备或无法对错误的信息进行纠正时，可以自动降低故障定位区段精度。

(4)对选线主机1、诊断信号探测器2进行管理和参数配置。能够根据当前网络拓扑结构，定义选线主机1、诊断信号探测器2、配电线路及其分支之间的对应关系，并对各种门槛值、通信参数进行远程设置。当增加或减少诊断信号探测器2、改变现有诊断信号探测器2的位置时，能够从软件上进行节点的增加、删除、变更等操作，使之与现场运行情况相适应。此外，可以对每个诊断信号探测器2的工作状态进行远程监视，并具有远程复位和维护功能。

(5)数据存储和事件记录功能。详细记录每次单相接地故障发生的时刻、故障相别、判断结果，记录每个信号探测器的检测结果，以表格的形式存储并提供查询、数据导出、打印等功能。

图1中，在监控范围内的每一个配电变电站中均安装一个选线主机1，图1示出了监控范围内仅有两个变电站的情况，多个变电站的情况完全类似。选线主机1通过二次电缆与电压互感器TV及零序电流互感器TA(或三相电流互感器)连接，在未装零序电流互感器(或三相电流互感器)的情况下，在每条馈出线的出口处安装一个诊断信号探测器2(图中未示出)，并通过RS232/485接口与选线主机1连接。选线主机1的构成如图2所示，主要由接地故障监视、诊断信号注入、诊断信号检测和通信四个部分组成。接地故障监视部分通过对TV二次侧三相电压和零序电压的采集计算，判断是否发生了单相接地故障，在出现单相按地的情况下，自动地起动诊断信号注入部分向故障系统注入诊断电流信号。选线部分通过检测、计算各馈线出口处的诊断信号电流，实现接地选线功能，选线结果一方面当地显示，另一方面通过通信网络发送给定位计算机。

在馈电线路的每一个分段点处、分支点处均装设一个诊断信号探测器2，用来探测其安装点处一次电路中流过的诊断信号电流，在接收到定位计算机的查询信号后，通过GSM短信息或GPRS数据传输的方式将探测的结果传送给定位计算机3。鉴于馈线分段、分支处一般不装设零序电流互感器或三相电流互感器，诊断信号探测器2采用无线的方式检测安装点处电路中的信号电流，如图3所示。

故障定位计算机3安装在配电调度中心或其他便于管理、维护的地方，每一个供电公司只需要配置一台。它是一台普通的商用计算机或工控计算机，其上安装有专用的故障选线和定位软件。正常运行的主界面为所监视系统的一次主接线图。当接地故障发生后，可通过声音、图像、数据表格等方式为运行和检修人员提供相应信息。

选线主机1和诊断信号探测器2与故障定位计算机3进行信息交互需要借助数据通信系统。本发明采用GSM短信息和GPRS两种方式完成通信功能，每个诊断信号探测器2、选线主机1以及故障定位计算机3都要配备GSM无线通信模块，完成信息交互功能。

在监视范围内的任一变电站发生单相接地故障时，该变电站母线电压发生变化，安装于该站的选线主机1开始工作，首先向系统注入诊断电流信号，然后通过采集计算各馈线出口处检测到的诊断信号电流实现接地选线，找出接地的馈线，并通过通信网络报告定位计算机3。定位计算机3接到该选线主机的信息后，向故障馈线上的诊断信号探测器2发出查询信号，并等待它们的回复。故障馈线上的诊断信号探测器2在收到定位计算机3的查询信号后，迅速将其检测的结果传送给定位计算机3。定位计算机3在收到故障馈线上所有探测器的回复后，运行安装在其上的故障定位软件，就可以计算出接地故障所在的区段。

以图4所示的馈电线路为例，介绍定位算法的原理。以探测器安装点为节点，以配电线路为支路，以从变电站至馈线末端的方向为正方向，可以画出图4的有向拓扑结构图，如图5所示。根据图论的知识，可以用节点——支路关联矩阵描述诊断探测器与线路区段之间的关联关系，对关联矩阵L中的元素l_ij定义如下：

按此定义，图5所示配电线路的探测器-线路区段之间的关联矩阵L为：

$L=\left[\begin{array}{ccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ -1& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& -1& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& -1& 1& 0& 0& 0\\ 0& -1& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& -1& 1& 0\\ 0& 0& -1& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

接地故障发生后，安装在故障线路上的探测器会有不同的输出：母线与故障点之间的诊断探测器都会检测到诊断电流信号，给出“1”态输出；而故障点下游的探测器检测不到诊断电流信号，给出“0”态输出。由此可以形成探测器信息向量。例如在图4中的L5区段上发生接地故障时，对应的探测器信息向量G为：

G＝[1 1 0 0 1 0 0]

探测器信息向量G与关联矩阵L进行乘运算，就可以得到线路故障区段信息向量P。

线路故障区段信息向量P为：

P＝G·L＝[0 0 0 0 1 0 0]

由此可以看出，区段L5对应的值为“1”，其余区段对应的值为“0”，由此可以判断出L5为接地故障发生的区段。

Claims (5)

1.一种小电流接地系统配电线路单相接地故障的自动定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：通过在配电变电站配置包括接地故障监视模块、诊断信号注入模块、诊断信号检测模块和通信模块的选线主机，接地故障监视模块检测变电站母线电压，根据母线电压的变化判断系统的单相接地故障状态；在判出单相接地后，诊断信号注入模块自动地向故障配电系统注入故障诊断信号，使其在信号注入点与接地故障点之间、经过故障馈线及故障分支形成回路；诊断信号检测模块检测各馈出线路中诊断信号电流的大小，将诊断信号电流最大的馈线确定为故障线路；通信模块将选线的结果发送给故障定位计算机；

第二步：通过在配电线路的分段开关、分支开关处配置诊断信号探测器，检测在其安装点处一次电路中流过的诊断信号电流，检测结果通过通信网络传送给故障定位计算机；

第三步：通过在电网调度中心或配电控制中心安装故障定位计算机，与辖区内各配电变电站的选线主机及各馈线上的信号探测器进行通信，并运行安装在其上的故障定位软件，自动实现故障定位；故障定位的结果，包括故障变电站、馈线、区段及分支，以明显的方式加以标注和显示，并可以根据需要发出声光报警。

2.根据权利要求1所述的小电流接地系统配电线路单相接地故障的自动定位方法，其特征在于：所述的第一步中向系统注入的故障诊断信号，其频率f_zd不同于配电系统中任何一种固有信号的频率，即f_zd≠N·f_l，其中N为正整数，f_l为工频频率，且满足P·f_l＝Q·f_zd＝f_s，其中f_s为选线主机的诊断信号检测模块及诊断信号探测器数据采集系统的采样频率，P、Q分别为每个工频信号周期和诊断信号周期内采样的点数，两者均为正偶数。

3.根据权利要求1所述的小电流接地系统配电线路单相接地故障的自动定位方法，其特征在于：所述的第一步中的选线主机通过零序电流互感器或三相电流互感器来检测变电站各馈出线中的诊断信号电流，按照幅值相对比较的方法，选择诊断信号电流幅值最大的线路为故障线路；在系统未装设零序电流互感器或三相电流互感器的情况下，采用与所述的第二步中一样的诊断信号探测器来检测各馈出线中的诊断信号电流。

4.根据权利要求1所述的小电流接地系统配电线路单相接地故障的自动定位方法，其特征在于：所述的第二步中诊断信号探测器包括通过信号线依次连接的诊断信号探测磁棒、诊断信号检测处理模块和通信模块，探测磁棒与诊断信号检测处理模块相配合检测出通过其安装点处一次回路中诊断信号电流的大小；通信模块通过无线通信的方式或串行通信方式把检测的结果传送给故障定位计算机。

5.根据权利要求1所述的小电流接地系统配电线路单相接地故障的自动定位方法，其特征在于：所述的第三步中的故障定位软件中采用节点一支路关联矩阵自动故障定位算法，实现故障点所在区段的自动定位。

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