CN101839958B - 配电网单相接地故障带电定位装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种配电网单相接地故障的带电定位装置，该装置适用于3～60kV中性点非有效接地电网。所述定位装置由上位机和下位机两个部分组成，上位机装置安装于变电站内，用于测量和传输母线零序电压信号，由A/D、CPU、移动通信模块、GPS模块组成。下位机装置为手持设备在线路上移动检测，用于测量零序电流信号及完成定位计算，由相电流测量器和定位器组成。相电流测量器由电流变换器、A/D、蓝牙无线收发模块组成，用于测量三相电流信号；定位器由CPU、蓝牙无线收发模块、移动通信模块、GPS模块组成，用于合成零序电流信号、接收零序电压信号以及完成定位计算。本发明技术成熟、可靠性高。
Description
技术领域
本发明属于一种电力技术和设备，适用于3～60kV中性点非有效接地电网，能够在单相接地故障发生时，在带故障运行的情况下进行准确定位。
背景技术
我国3～60kV配电网广泛采用中性点非有效接地方式，又称为小电流接地系统，小电流接地系统的故障绝大多数是单相接地故障。发生单相接地故障时，接地电流很小，可以在故障情况下继续运行1～2个小时，但是必须尽快找到故障点，这就提出了带电故障定位问题。
配电网单相接地故障带电定位问题长期以来没有得到很好的解决，人工巡线不仅耗费了大量人力物力，而且延长了停电时间，影响供电安全。有文献提出从PT注入高频信号，沿线路检测该信号确定故障位置，但是由于线路分布电容对高频信号形成通路，因此在经电阻接地时定位不准确。申请号为2008102248858的发明专利公开了一种配电网单相接地故障定位方法，该定位方法原理为：首先在线路始端注入高压直流信号，沿线路检测直流信号确定故障区域；然后在线路始端注入高压交流信号，沿线路检测交流信号确定故障点位置。该方法在应用时需要将可以运行的线路停电，并采取措施将线路从电力系统中隔离，然后通过特制的信号源将信号注入到线路中后再进故障定位。该定位方法在线路停电后的故障定位精度高，但是，必须对线路采取停电措施才能应用，使得可以供电的线路必须停电，影响供电可靠性和用户的用电。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术上的不足，基于新的定位方法提供一种针对配电网单相接地故障的带电定位装置。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。
本发明的技术方案如下：
一种配电网单相接地故障带电定位装置，其特征为：该单相接地故障定位装置由上位机和下位机两个部分组成，所述上位机装置安装于变电站内，用于测量和传输母线零序电压信号；所述下位机装置为手持设备在线路上移动检测，用于测量零序电流信号及完成定位计算；所述上位机和下位机通过移动通信方式进行信息传递；
当中性点非有效接地电力系统发生单相接地时，在线路带单相接地故障运行的情况下进行故障定位，定位装置的上位机和下位机在异地分别对母线零序电压信号、线路零序电流信号两个相量进行同步测量，上位机通过移动通信方式将测量的母线零序电压信号传输到故障定位装置的下位机；所述下位机将接收到的零序电压信号和就地测量到的零序电流信号进行分析计算，根据零序分量有功功率的方向确定故障点位于检测点的上游或是下游，通过移动式检测最终确定故障点的位置。如果零序分量的有功功率值大于零，则判断故障点在检测点的上游，向上查寻；如果零序分量的有功功率值小于零，则判断故障点在检测点的下游，向下查寻。这样经过移动式检测，最终确定故障点位置。
本发明的故障定位装置通过以下方法实现故障定位：
所述的上位机装置安装于变电站内，变电站PT开口三角绕组的二次线路接入上位机中，输入有效值在0-100V范围内的零序电压模拟量。上位机的GPS模块在获得时标的同时发出秒脉冲信号，在每个整秒时刻触发A/D对零序电压进行采样，采用FFT算法对采样值进行计算，得到零序电压信号的幅值和相位，然后利用移动通信方式将零序电压信号的幅值和相位以及对应的时标信息发送至下位机。
所述的下位机装置为手持设备在线路上移动检测。下位机装置包括相电流检测器和定位器，所述相电流检测器通过钳形表头套接在线路上，测量相电流数值。定位器的GPS模块在获得时标的同时发出秒脉冲信号，触发蓝牙无线收发模块向相电流测量器发出信令。相电流测量器的蓝牙无线收发模块接收到信令后触发A/D对相电流模拟量进行采样，得到相电流的瞬时值，进一步将该瞬时值回传至定位器。定位器将三相电流瞬时值进行合成，得到零序电流信号，采用FFT算法对合成的零序电流值进行计算，得到零序电流信号的幅值和相位。
所述定位器接收到上位机发送的零序电压幅值、相位后，通过时标对比，找到同一个时刻测量的零序电流信号的幅值和相位，计算出零序分量的有功功率值。从零序回路的等值模型来看，零序电流的有功分量方向是从故障点流向母线及线路的末端，因此如果接地点在检测点的上游，则检测到的零序有功功率大于零；反之如果接地点在检测点的下游，则检测到的零序电流有功功率小于零。这样定位器根据零序分量的有功功率值的正负就能够判断接地点在检测点的上游或下游，如果零序分量的有功功率值大于零，则判断故障点在检测点的上游，向上查寻；如果零序分量的有功功率值小于零，则判断故障点在检测点的下游，向下查寻。这样经过移动式检测，就可以不断缩小故障区域，最终确定故障点位置。
本发明的优点如下：
1、既能够确定故障点所在区域，也可以确定故障点的准确位置。
2、同步测量零序电压相量和零序电流相量，不受线路分布电容的影响，能够有效解决高阻接地情况下的定位问题。
3、不用在每条线路上安装装置，利用一套装置可以进行多条线路的定位，极大的节约成本。
4、下位机采用手持结构、利用电池供电，便于野外操作，灵活性高。
5、可以在带故障运行情况下定位，提高系统运行的可靠性。
6、技术成熟、可靠性高，适用于3～60kV中性点不接地或中性点经消弧线圈接地
的配电网，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。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是单相接地故障时零序回路的等值电路图；
图3是上位机的原理图；
图4是下位机相电流检测器的原理图；
图5是下位机定位器的原理图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
本发明提出的一种基于新的定位方法的配电网单相接地故障带电定位装置，其原理是在线路带单相接地故障运行的情况下，定位装置在异地对零序电压和零序电流两个相量进行同步测量，并将零序电压信号和零序电流信号进行集中分析计算，根据零序分量的有功功率方向确定故障点位于检测点的上游或是下游，通过移动式检测最终确定故障点的位置。
基于本发明研制的定位装置由上位机和下位机两个部分组成。所述的上位机装置安装于变电站内，变电站PT开口三角绕组的二次线路接入上位机中，输入有效值在0-100V范围内的零序电压模拟量。上位机的GPS模块在获得时标的同时发出秒脉冲信号，在每个整秒时刻触发A/D对零序电压进行采样，采用FFT算法对采样值进行计算，得到零序电压信号的幅值和相位，然后利用移动通信方式将零序电压信号的幅值和相位以及对应的时标信息发送至下位机。
所述的下位机装置为手持设备在线路上移动检测。相电流检测器通过钳形表头套接在线路上，测量相电流数值。定位器的GPS模块在获得时标的同时发出秒脉冲信号，触发蓝牙无线收发模块向相电流测量器发出信令。相电流测量器的蓝牙无线收发模块接收到信令后触发A/D对相电流模拟量进行采样，得到相电流的瞬时值，进一步将该瞬时值回传至定位器。定位器将三相电流瞬时值进行合成，得到零序电流信号，采用FFT算法对合成的零序电流值进行计算，得到零序电流信号的幅值和相位。
定位器接收到上位机发送的零序电压幅值、相位后，通过时标对比，找到同一个时刻测量的零序电流信号的幅值和相位，计算出零序分量的有功功率值。从零序回路的等值模型来看，零序电流的有功分量方向是从故障点流向母线及线路的末端，因此如果接地点在检测点的上游，则检测到的零序有功功率大于零；反之如果接地点在检测点的下游，则检测到的零序电流有功功率小于零。这样定位器根据零序分量的有功功率值的正负就能够判断接地点在检测点的上游或下游，如果零序分量的有功功率值大于零，则判断故障点在检测点的上游，向上查寻；如果零序分量的有功功率值小于零，则判断故障点在检测点的下游，向下查寻。这样经过移动式检测，就可以不断缩小故障区域，最终确定故障点位置。
如图1所示，定位装置由上位机和下位机两个部分组成，定位装置的上位机和下位机在异地对两个相量进行同步测量，上位机装置安装于变电站内，用于测量母线的零序电压信号，并通过移动通信方式将测量结果传输到线路上的故障定位下位机；下位机装置为手持设备在线路上移动检测，下位机将接收到的零序电压信号和就地测量到的零序电流信号进行分析计算，根据零序分量的有功功率方向确定故障点位于检测点的上游或是下游，通过移动式检测最终确定故障点的位置。
单相接地故障时零序回路的等值电路如图2所示。其中U为零序电压，I为零序电流的有功分量。由于线路上存在电阻，因此无论中性点不接地或者中性点经消弧线圈方式，零序电流的有功分量方向都是从故障点流向母线及线路的末端。这个特征不受接地电阻的影响。电网正常运行情况下，按惯例都假定母线指向线路的方向为电流的参考方向。故障定位寻检时，我们并不知道何处为故障点，只好按正常情况下的电流参考方向进行寻检。这样对比图2会发现支路01、1f检测到的零序有功功率大于零，其他支路检测到的零序电流有功功率小于零。由此我们就得出定位策略：如果零序分量的有功功率值大于零，则判断故障点在检测点的上游，向上查寻；如果零序分量的有功功率值小于零，则判断故障点在检测点的下游，向下查寻。这样经过移动式检测，就可以不断缩小故障区域，最终确定故障点位置。
上位机的原理如图3所示，由电压变换器、A/D转换模块、CPU、移动通信模块、GPS模块组成。电压变换器包括变比为100∶5或者57.7∶5的小电压互感器，用于现场运行的高压电压互感器输出的交流0到100V或0到57.7V电压变换为幅值为5V的交流电压信号。A/D转换模块包括输入运算放大器OP07、基准电压源AD584和8051F120中的ADC，该模块将电压变换器输出的交流5V信号转换为数字信号。CPU包括型号为8051F120的CPU，用于驱动A/D转换模块、移动通信模块和GPS模块。移动通信模块包括M1206，移动通信模块M1206用于将电压信号所转换成的数字信号通过移动通信网络传输到下位机定位器中。GPS模块包括M-87，用于接收秒脉冲和标准时钟数据。电压变换器输出的交流0到5V信号输入到输入运算放大器OP07中，OP07、基准电压源AD584以及电阻R1、R2、Rf构成比例加法器。输入运算放大器OP07输出接到型号为8051F120的CPU的P1.0管脚上，型号为8051F120的CPU内部含有ADC和附加基准电压源。型号为8051F120的CPU通过P4和P5这两个I/O口中的P4.0-P4.7和P5.0-P5.6接点分别与移动通信模块M1206的Sub HD Pin15端口的15个接点一一对应相连，用于驱动移动通信模块M1206。型号为8051F120的CPU通过P6.1、P6.2、P6.3、P6.4与GPS模块M-87的端口TXA、RXA、RXB、1PPS对应相连，用于驱动GPS模块。
下位机相电流检测器的原理如图4所示，由电流变换器、A/D、蓝牙无线收发模块组成。电流变换器包括小电流互感器、输入运算放大器OP07和基准电压源AD584，该电流变换器是将输电线路所传输的电流变换为A/D所能够接收的交流0到5V信号。A/D包括型号为8051F120的CPU以及其中的ADC和基准电压源；AD将所接收到的0-5V的交流电压信号转换为相应的数字信号。蓝牙无线收发模块包括nRF2401，该模块用于接收定位器采集命令和向定位器发送所转换的数字信号。电流变换器中的小电流互感器将输电线路所传输的电流变换为幅值为5V的交流信号，交流5V信号输入到输入运算放大器OP07中，OP07、基准电压源AD584以及电阻R1、R2、Rf构成比例加法器，最后输出为0-5V的交流电压信号。输入运算放大器OP07输出接到8051F120的P1.0管脚上，ADC和基准电压源集成于8051F120中。8051F120通过P3.1、P3.2、P3.3、P3.4、P3.5、P3.6与蓝牙无线收发模块nRF2401的端口CS、PWR-UP、CS、CLK1、DR1、DATA对应相连，用于驱动蓝牙无线收发模块nRF2401。
下位机定位器的原理如图5所示，由蓝牙无线收发模块、定位CPU、移动通信模块、GPS模块组成。蓝牙无线收发模块包括nRF2401，用于向下位机相电流检测器发送采集命令和接收下位机相电流检测器所转换的数字信号。定位CPU为8051F120，用于驱动蓝牙无线收发模块、移动通信模块和GPS模块。移动通信模块包括M1206，移动通信模块接收上位机通过移动通信网络传输来的所转换成的数字信号。GPS模块包括M-87，用于接收秒脉冲和标准时钟数据。8051F120通过P4和P5这两个I/O口中的P4.0-P4.7和P5.0-P5.6接点分别与移动通信模块M1206的Sub HD Pin15端口的15个接点一一对应相连，用于驱动移动通信模块M1206。8051F120通过P6.1、P6.2、P6.3、P6.4与GPS模块M-87的端口TXA、RXA、RXB、1PPS对应相连，用于驱动GPS模块M-87。8051F120通过P3.1、P3.2、P3.3、P3.4、P3.5、P3.6与蓝牙无线收发模块nRF2401的端口CS、PWR-UP、CS、CLK1、DR1、DATA对应相连，用于驱动蓝牙无线收发模块nRF2401。
Claims (6)
1.一种配电网单相接地故障带电定位装置，其特征为：该单相接地故障定位装置由上位机和下位机两个部分组成，所述上位机安装于变电站内，用于测量和传输母线零序电压信号；所述下位机为手持设备在线路上移动检测，用于测量零序电流信号及完成定位计算；所述上位机和下位机通过移动通信方式进行信息传递；
当中性点非有效接地电力系统发生单相接地时，在线路带单相接地故障运行的情况下进行故障定位，定位装置的上位机和下位机在异地分别对母线零序电压信号、线路零序电流信号两个相量进行同步测量，上位机通过移动通信方式将测量的母线零序电压信号传输到故障定位装置的下位机；所述下位机将接收到的零序电压信号和就地测量到的零序电流信号进行分析计算，根据零序分量有功功率的方向确定故障点位于检测点的上游或是下游，通过移动式检测最终确定故障点的位置。
2.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障带电定位装置，其特征为：如果零序分量的有功功率值大于零，则判断故障点在检测点的上游，向上查寻；如果零序分量的有功功率值小于零，则判断故障点在检测点的下游，向下查寻，这样经过移动式检测，最终确定故障点位置。
3.根据权利要求1或2所述的配电网单相接地故障带电定位装置，其特征为：
所述的上位机包括电压变换器、A/D转换模块、CPU、移动通信模块、GPS模块；变电站PT开口三角绕组的二次线路接入上位机中，输入有效值在0-100V范围内的零序电压模拟量，电压变换器将该电压变为有效值在0-3.5V范围内的低电压模拟量；上位机的GPS模块在获得时标的同时发出秒脉冲信号，在每个整秒时刻触发A/D转换模块对该低电压模拟量进行采样，CPU采用FFT算法对采样值进行计算，得到零序电压信号的幅值和相位，然后通过移动通信模块将零序电压信号的幅值和相位以及对应的时标信息发送至下位机。
4.根据权利要求1或2所述的配电网单相接地故障带电定位装置，其特征为：
所述的下位机为用于在线路上移动检测的手持设备，包括相电流测量器和定位器，测量零序电流信号并完成定位计算；所述相电流测量器由电流变换器、A/D转换模块、蓝牙无线收发模块组成，所述定位器由定位器CPU、蓝牙无线收发模块、移动通信模块、GPS模块组成；
定位器的GPS模块在获得时标的同时发出秒脉冲信号，触发所述定位器的蓝牙无线收发模块向相电流测量器发出信令，相电流测量器通过钳形表头套接在线路上，电流变换器将相电流变为有效值在0-3.5V范围内的低电压模拟量，所述相电流测量器的蓝牙无线收发模块接收到信令后触发所述相电流测量器的A/D转换模块对该低电压模拟量进行采样，得到相电流的瞬时值，进一步将该瞬时值回传至所述定位器；
所述定位器将三相电流瞬时值进行合成，得到零序电流信号，所述定位器的CPU采用FFT算法对合成的零序电流值进行计算，得到零序电流信号的幅值和相位，定位器接收到上位机发送的零序电压幅值、相位后，通过时标对比，找到同一个时刻测量的零序电流信号的幅值和相位，计算出零序分量的有功功率值，定位器根据零序分量的有功功率值的正负判断接地点在检测点的上游或下游并给予显示。
5.根据权利要求4所述的配电网单相接地故障带电定位装置，其特征为：
所述下位机的相电流测量器和定位器均依靠9V电池供电。
6.根据权利要求4所述的配电网单相接地故障带电定位装置，其特征为：
所述相电流测量器和定位器在10m范围内进行可靠的无线连接；所述相电流测量器采用钳形表头，在线路的任意点套接线路测量相电流。
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