CN101846718B - 一种电力系统配电网单相接地故障定位系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力系统配电网单相接地故障定位系统及其方法。它包括脉冲信号发生器，脉冲信号发生器设置在变电站主变中性点与大地之间，在每条出线分叉支路初始端则设有电流传感器；在变电站还安装主站，电流传感器与主站通讯。该方法通过在变电站内相应位置安装基于晶闸管的短路电流发生器，通过控制晶闸管瞬时导通以产生短路电流注入故障线路，安装于每条出线分叉支路初始端的传感器针对该短路电流进行检测，检测到短路电流的各传感器通过通讯将自身状态信息告知位于变电站内的主机，主机根据计算出的故障阻抗并结合检测到短路电流的传感器位置进而判定单相接地故障所发生的位置。

Description

一种电力系统配电网单相接地故障定位系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统配电网单相接地故障定位系统及其方法。

背景技术

电力系统供电中断将导致生产停电，生活混乱，甚至危机人身安全，保证安全可靠性供电是电力系统运行的基本要求。随着经济的发展和人民生活水平的提高，用户对供电可靠性和安全性提出了更高的要求。随着电力市场的进一步开放，供电质量将受到更为严格的约束和监管，直接与电力部门的经济效益和运营资格挂钩。无论是电力用户还是供电公司，都有提高供电可靠性的自身需求。影响供电可靠性的主要因素是停电时间和停电次数，而电力系统供电中断大多由故障引起。据统计，电力用户遭受的停电事故95%以上是由配电网引起的（扣除发电不足因素），其中大部分是故障原因。因此，准确地测定配电网故障位置，对于及时隔离并修复故障，提高供电可靠性具有十分重要的意义。

根据测量时线路是否带电，国内配电网单相接地故障定位技术可分为在线和离线两种方式。当前离线定位法多用于电缆故障定位，而在线定位法多用于架空线路的故障定位。鉴于我国配电网广泛采用的中性点非有效接地运行方式，发生单相接地故障后允许系统故障状态下继续运行1～2个小时，使得在线定位法必然成为未来国内配网自动化的重要组成部分。

在具体实施方式上，国内配电网单相接地故障定位方法可分为利用多个线路终端（Feeder Terminal Unit，简称FTU）或故障指示器（Fault Passage Indicator，简称FPI）的故障区段定位法和直接利用线路出口处测量到的电气量信息计算故障距离的故障测距法。前者用于交通便利、自动化水平较高的城区配电网完成快速故障隔离；后者用于供电距离较长、不易巡检的乡镇配电网或铁路自闭/贯通系统完成故障点查找。

故障区段定位法

零序电流法利用线路零序电流的幅值及相位进行故障区间定位。对于谐振接地系统，由于消弧线圈的补偿作用，故障线路零序电流的变化特征不明显，幅值和相位判据失效。相应理论可见“伊贵业等，用在线监测器的配电网故障定位法.清华大学学报,2000，40（7）：35－38.”

针对零序电流法无法适用的谐振接地系统，出现了零序电流增量法。该方法对谐振系统故障后的稳态零序电流增量进行分解，根据分解后的电流增量的相位定位故障区段，配合FTU（Feeder Terminal Unit）进行定位。相应理论可见“王政等，配合FTU的小电流系统单相接地故障定位方法.电力自动化设备，2003，23（2）：21－26.”。

零序功率方向法是通过检测零序功率的有功分量或无功分量进行故障定位。对于中性点不接地系统，检测沿线无功功率的方向即可判断故障区段；对于谐振接地系统，利用零序有功分量判断故障区段。由于有功分量较小，不易检测，且受电流互感器不平衡电流的影响，可靠性低。相应理论可见“杨汉生等，基于零序功率的小电流选线方法.继电器，2002，30（11）：30－32.”。

相关法是一种通过判断相邻FTU检测到的暂态零模电流相关性确定故障区段的故障定位方法。该方法对所应用系统的通讯网络有一定要求，适用于馈线自动化系统或安装有具备通讯功能FPI（Fault Passage Indicator）的配电系统。相应理论可见“马士聪等，检测暂态零模电流相关性的小电流接地故障定位方法.电力系统自动化，2008，32（7）：48－52.”。

中电阻法是对稳态零序电流法的一种成功改进。由于谐振接地系统的稳态故障电流无法用于故障检测，需要在中性点投入中电阻产生足够大的零序电流，通过比较沿线FTU检测到的零序电流幅值判断故障区段。该方法需要改动变电所的中性点接地方式，造成其应用局限，同时方法中使用的中电阻设计困难，投入较大，带来了一定的成本问题。

“S注入法”是利用故障时暂时“闲置”的接地相电压互感器相系统注入一个特殊信号电流，通过对该信号进行寻迹来事先故障选线和定位。在实际工程应用中可以在线路节点和分支点安装信号探测器，通过检测信号的路径来定位故障区段，也可以通过手持探测器沿线巡检，信号消失的点即为故障点。该方法注入信号强度受PT容量闲置，对于高阻接地故障检测效果不好。相应理论可见“桑在中等，小电流接地系统单相接地故障选线测距和定位的新技术.电网技术，1997，21（10）：50－52.”。

故障测距法

“S注入法”除用于故障区段判断外，也可以用于故障测距。通过检测注入信号的电压电流，计算变电站至故障点的故障阻抗，以故障距离与故障阻抗成正比为判据计算故障点位置。该方法灵敏度受注入信号强度影响，至今还没有在现场投入使用。相关理论可见“王新超，桑在中.基于“S注入法”的一种故障定位新方法.继电器，2001，29（7）：9～11.”

微分方程法是通过列写线路的暂态微分方程，利用测量的暂态电压、电流信号求取测量端至故障点间线路电感实现故障测距，又称之为暂态阻抗法。该方法不受中性点运行方式影响，克服了稳态法中故障信号微弱难以用于定位的缺点，灵敏度大为提高。但由于所使用的模型没有考虑线路的分布电容，测距误差大，不能满足实用化需求。相关理论可见“LEHTONEN M, HAKOLAT. Neutral earthing and power system protection. Vaasa, Finland: ABB Transmit Oy Publication, 1996.”

根据行波理论，线路上的任何扰动，其电气量均以行波的形式向系统的其它部分传播，因此在理论上可以利用测量到的暂态行波信号实现各种类型的故障测距。相关理论可见“于盛楠，杨以涵，鲍海.基于C型行波法的配电网故障定位的实用研究.继电器，2007，35（10）：1～4.”

参数识别法是在系统结构已知的前提下，建立其等效数学模型，通过带入线路首端检测到的电气量信号求取模型内各元件参数，从而实现故障测距。相关理论可见“康小宁，索南加乐.基于参数识别的单端电气量频域法故障测距原理.中国电极工程学报，2005，25（2）：22～27.”

综上所述，现有的各种配电网故障区段定位技术仅能定位故障区段，除非使用手持式探测器进行沿线巡检，否则无法准确发现故障位置。这显然无法满足配电自动化对单相接地故障实现自动定位的要求。而故障测距技术虽然具有投资少的优点，但是对于配电网这种多支路线路，该方法不能确定哪条支路发生故障，从而无法做到准确的故障定位。因此至今为止，如何在多支路配电网中实现准确的故障定位一直是一个难以解决的问题。

发明内容

本发明针对配电网单相接地故障定位难的问题，提出了一种全新的电力系统配电网单相接地故障定位系统及其方法。该方法是在配电网发生单相接地故障时，将配电网的中性点非有效接地运行方式在很短的一个时间内临时改变成中性点有效接地运行方式，从而在改变中性点运行方式的这短暂时间内产生一个大的故障电流流入故障接地点。安装于配电网不同位置处的电流传感器能够感应到这种大的故障电流，并可将是否感应到该大故障电流的结果通过通讯告知主站。主站能够根据各电流传感器传送来的上述信息勾画出故障的位置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电力系统配电网单相接地故障定位系统，它包括脉冲信号发生器，脉冲信号发生器设置在变电站主变中性点与大地之间，在每条出线分叉支路初始端则设有电流传感器；在变电站还安装主站，电流传感器与主站通讯。

一种电力系统配电网单相接地故障定位系统，它包括脉冲信号发生器，脉冲信号发生器设置在母线上的Y₀/Δ型变压器的Δ绕组内，在每条出线分叉支路初始端则设有电流传感器；在变电站还安装主站，电流传感器与主站通讯。

所述脉冲信号发生器为一对反并联的晶闸管。

所述电流传感器包括

集成电流传感器，感应线路流过的电流；

电源单元，它通过集成电流传感器取能，并给处理单元和通讯单元供电；

传感器模数转换单元，用于将模拟电流转化为数字量，然后供给处理单元分析电流波形；

处理单元，能对检测到的电流波形进行分析，如果依据预定的算法，检测到短路电流，则输出1；如果没有检测到短路电流，则输出0；

通讯单元，通讯单元能够将检测结果“1”或“0”，以及各电流传感器的ID号传送到主站；通讯方式为无线方式或电力载波通讯。

所述主站采集流入各馈线的短路电流，变电站母线电压和各传感器传送来的各自ID号和状态信息；利用短路电压和电流计算出阻抗，公式如下：

                        Z=V(w)/I(w)                               （1）

其中V和I分别是变电站内测量得到的，并经过相邻整周波相减后的短路电流的电压电流;w=2πf, f是频率；线路的电抗 X是线路长度L和每公里单位长度的线路电抗X₀的乘积，线路电抗 X转化成距离的函数如下：

X=X_o*L                                 （2）

从而得到

 L=X/X_o                                 （3）

于是，线路的长度L通过上式确定了，通过传感器ID号和状态信息确定哪条分支将被用来做距离检测，结合Z值和各传感器的状态信息，故障位置就能够被确定。

一种电力系统配电网单相接地故障定位系统的定位方法，它的步骤为：

1）检测接地故障的发生，通过检测变电站的母线电压确定系统是否发生单相接地故障；

2）脉冲信号发生器开始工作，通过控制晶闸管的触发角以产生具有设定周期的短路电流流入系统；

3）持续工作的电流传感器对短路电流信号进行检测，有短路电流时输出“1”，否则输出“0”；如果某个电流传感器检测到短路电流信号，那么它就将其状态值“1”以及自身的ID号传送给主站；只有状态值为“1”的传感器才往主站发送信息；

4）主站根据在变电站内采集到的电压电流值计算故障阻抗和故障距离，并根据各传感器发送来的状态信息，结合网络拓扑信息，最终确定接地故障距最下游状态为“1”的传感器的距离。  

所述步骤3）中，短路电流的检测方法为：取两个周期的电流波形,用后一个周期的波形减去前一个周期的波形.由于在两个周期中,有且只有一个周期有短路电流(晶闸管每两个周期导通一次),所以波形相减后,得到的就是短路电流。

所述步骤4）中，主站首先利用短路电压和电流计算出阻抗，公式如下：

                        Z=V(w)/I(w)                               （1）

其中V和I分别是变电站内测量得到的，并经过相邻整周波相减后的短路电流的电压电流；w=2πf, f是频率；线路的电抗 X是线路长度L和每公里单位长度的线路电抗X₀的乘积，所以线路电抗 X转化成距离的函数如下：

X=X_o*L                                 （2）

从而得到

 L=X/X_o                                 （3）

线路的长度L通过上式确定了；通过传感器ID号和状态信息，主站确定哪条分支将被用来做距离检测，通过结合Z值和各传感器的状态信息，故障位置被确定。

本发明的有益效果是：基于阻抗法计算故障距离，并结合电流传感器实现故障线路的选择，从而快速可靠地解决了多支路配电系统中故障定位的问题。该电流传感器只需测量是否有短路电流通过，功能简单，成本低廉，可以大规模的安装在配电系统中。因此，基于阻抗法并结合传感器选择故障线路的定位方法具有极大的实用性。

附图说明

图1为本发明实施例1的基于晶闸管的短路电流发生安装位置方案；

图2为本发明实施例2的基于晶闸管的短路电流发生安装位置方案；

图3为电流传感器的安装位置图

图4电流传感器的结构图；

图5为相邻整周波相减的短路电流提取方法图；

图6为确定故障位置视图。

其中，1.脉冲信号发生器，2. 变电站主变，3. Y₀/Δ型变压器，4.电流传感器，5.集成电流传感器，6.电源单元，7. 传感器模数转换单元，8. 处理单元，9. 通讯单元，10.主站。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对比发明做进一步说明。

实施例1：

该套系统由如下三部分组成：

1）基于晶闸管的脉冲信号发生器1。基于晶闸管的脉冲信号发生器1主要由一对反并联的晶闸管构成。该部分置于变电站主变2中性点与大地之间，如图1所示。当电力系统配电网发生单相接地故障时，安装于图中两位置处的晶闸管控制系统中性点与大地之间瞬时导通，以产生一较大的短路电流注入电力系统。

2)      电流传感器4。电流传感器4安装于每条出线分叉支路初始端，如图3所示。 该电流传感器4集成在每相导线上，自身供电，如图4所示。它由如下几部分构成：

(a)集成电流传感器5。此类似于普通电流传感器，感应线路流过的电流。

(b)通过集成电流传感器5取能的电源单元6。此模块给处理单元8和通讯单元9供电。

(c)将模拟电流转化为数字量的传感器模数转换单元7。此模块用于转换采集的模拟信号变成数字信号，然后供给处理单元8分析电流波形。

(d)能对检测到的电流波形进行分析的处理单元8。此模块分析波形，如果依据预定的算法，检测到短路电流，则输出1；如果没有检测到短路电流，则输出0.

(e)能将处理结果发送到主站10的通讯单元9。通讯单元9能够将检测结果“1”或“0”，以及各电流传感器4的ID号传送到主站10。通讯方式可以采用无线方式，也可以采用电力载波通讯。

处理单元8采用相邻整周波相减的方法将短路电流从背景负荷电流里检测出来，如图5所示。其具体的方法是取两个周期的电流波形,用后一个周期的波形减去前一个周期的波形.由于在两个周期中,有且只有一个周期有短路电流(晶闸管每两个周期导通一次),所以波形相减后,得到的就是短路电流。该方法在提取短路电流的同时，还排除了周期性干扰对短路电流的影响。因此，本发明的方法可用在电力系统还在运行的状况下，即在不停电的情况下工作。如果一个短路电流被检测到，处理单元就输出“1”，否则输出“0”。

3)      主站10。主站10是安装在变电站的一套设备，用来采集如下信息：(a)流入各馈线的短路电流，(b)变电站母线电压，(c)各电流传感器4传送来的各自ID号和状态信息。主站10首先利用短路电压和电流计算出阻抗，公式如下：

                       Z=V(w)/I(w)                               （1）

其中V和I分别是变电站内测量得到的，并经过相邻整周波相减后的短路电流的电压电流。w=2πf, f是频率。故障阻抗一般呈阻性，其大小不会影响电抗. 由于线路的电抗 X是线路长度L和每公里单位长度的线路电抗X₀的乘积，所以线路电抗 X可以转化成距离的函数如下：

X=X_o*L                                 （2）

从而得到

 L=X/X_o                                 （3）

于是，线路的长度L就可以通过上式确定了。该结果可以从电的角度告诉我们故障点距离变电站的距离是多远。但是，由于配电线路有很多分支，只有长度L值不足以找到故障点。必须通过传感器ID号和状态信息可以帮助主站确定哪条分支将被用来做距离检测。如图6所示。通过结合Z(距离)值和各传感器的状态信息，故障位置就能够被确定。

实施例2：

在本实施例中，脉冲信号发生器1安装在接在母线上的Y₀/Δ型变压器3的Δ绕组内，其余结构与实施例1相同，不再赘述。

本发明的运行程序如下：

1）      检测接地故障的发生。通过检测变电站的母线电压可以发现系统是否发生的单相接地故障。

2）      信号发生器开始工作。通过控制晶闸管的触发角以产生具有特定周期，比如说每周期15秒，且强度足够大的短路电流流入系统。

3）      持续工作的传感器对短路电流信号进行检测。如果某个电流传感器检测到短路电流信号，那么它就将其状态值“1”以及自身的ID号传送给主站。只有状态值为“1”的传感器才往主站发送信息。

4）      主站根据在变电站内采集到的电压电流值计算故障阻抗和故障距离，并根据各传感器发送来的状态信息，结合网络拓扑信息，最终确定接地故障距最下游状态为“1”的传感器的距离。  

步骤4）中，主站首先利用短路电压和电流计算出阻抗，公式如下：

                       Z=V(w)/I(w)                               （1）

其中V和I分别是变电站内测量得到的，并经过相邻整周波相减后的短路电流的电压电流；w=2πf, f是频率；线路的电抗 X是线路长度L和每公里单位长度的线路电抗X₀的乘积，所以线路电抗 X转化成距离的函数如下：

X=X_o*L                                 （2）

从而得到

 L=X/X_o                                 （3）

线路的长度L通过上式确定了；通过传感器ID号和状态信息，主站确定哪条分支将被用来做距离检测，通过结合Z值和各传感器的状态信息，故障位置被确定。

Claims (7)

1.一种电力系统配电网单相接地故障定位系统，其特征是，它包括脉冲信号发生器，脉冲信号发生器设置在变电站主变中性点与大地之间，在每条出线分叉支路初始端则设有电流传感器；在变电站还安装主站，电流传感器与主站通讯；所述电流传感器包括

集成电流传感器，感应线路流过的电流；

电源单元，它通过集成电流传感器取能，并给处理单元和通讯单元供电；

传感器模数转换单元，用于将模拟电流转化为数字量，然后供给处理单元分析电流波形；

处理单元，能对检测到的电流波形进行分析，如果依据预定的算法，检测到短路电流，则输出1；如果没有检测到短路电流，则输出0；

通讯单元，通讯单元将检测的结果“1”或“0”以及各电流传感器的ID号传送到主站；通讯方式为无线方式或电力载波通讯。

2.一种电力系统配电网单相接地故障定位系统，其特征是，它包括脉冲信号发生器，脉冲信号发生器设置在母线上的Y₀/Δ型变压器的Δ绕组内，在每条出线分叉支路初始端则设有电流传感器；在变电站还安装主站，电流传感器与主站通讯；所述电流传感器包括

集成电流传感器，感应线路流过的电流；

电源单元，它通过集成电流传感器取能，并给处理单元和通讯单元供电；

传感器模数转换单元，用于将模拟电流转化为数字量，然后供给处理单元分析电流波形；

处理单元，能对检测到的电流波形进行分析，如果依据预定的算法，检测到短路电流，则输出1；如果没有检测到短路电流，则输出0；

通讯单元，通讯单元将检测的结果“1”或“0”以及各电流传感器的ID号传送到主站；通讯方式为无线方式或电力载波通讯。

3.如权利要求1或2所述的电力系统配电网单相接地故障定位系统，其特征是，所述脉冲信号发生器为一对反并联的晶闸管。

4.如权利要求1或2所述的电力系统配电网单相接地故障定位系统，其特征是，所述主站采集流入各馈线的短路电流、变电站母线电压和各传感器传送来的各自ID号和状态信息；利用短路电压和电流计算出阻抗，公式如下：

Z＝V(w)/I(w)                                                           (1)

其中V和I分别是变电站内测量得到的，并经过相邻整周波相减后的短路电流的电压和电流；w＝2πf，f是频率；线路的电抗X是线路长度L和每公里单位长度的线路电抗X₀的乘积，线路电抗X转化成距离的函数如下：

X＝X_o*L                                                                (2)

从而得到

L＝X/X_o                                                                (3)

于是，线路的长度L通过上式确定了，通过传感器ID号和状态信息确定哪条分支将被用来做距离检测，结合Z值和各传感器的状态信息，故障位置就能够被确定。

5.一种采用权利要求1或2所述的电力系统配电网单相接地故障定位系统的定位方法，其特征是，它的步骤为：

1)检测接地故障的发生，通过检测变电站的母线电压确定系统是否发生单相接地故障；

2)脉冲信号发生器开始工作，通过控制晶闸管的触发角以产生具有设定周期的短路电流流入系统；

3)持续工作的电流传感器对短路电流信号进行检测，有短路电流时输出“1”，否则输出“0”；如果某个电流传感器检测到短路电流信号，那么它就将其状态值“1”以及自身的ID号传送给主站；只有状态值为“1”的传感器才往主站发送信息；

4)主站根据在变电站内采集到的电压电流值计算故障阻抗和故障距离，并根据各传感器发送来的状态信息，结合网络拓扑信息，最终确定接地故障距最下游状态为“1”的传感器的距离。

6.如权利要求5所述的电力系统配电网单相接地故障定位系统的定位方法，其特征是，所述步骤3)中，短路电流的检测方法为：取两个周期的电流波形，用后一个周期的波形减去前一个周期的波形；由于在两个周期中，有且只有一个周期有短路电流，即晶闸管每两个周期导通一次，所以波形相减后，得到的就是短路电流。

7.如权利要求5所述的电力系统配电网单相接地故障定位系统的定位方法，其特征是，所述步骤4)中，主站首先利用短路电压和电流计算出阻抗，公式如下：

Z＝V(w)/I(w)                                                               (1)

其中V和I分别是变电站内测量得到的，并经过相邻整周波相减后的短路电流的电压电流；w＝2πf，f是频率；线路的电抗X是线路长度L和每公里单位长度的线路电抗X₀的乘积，所以线路电抗X转化成距离的函数如下：

X＝X_o*L                                                                    (2)

从而得到

L＝X/X_o                                                                    (3)

线路的长度L通过上式确定了；通过传感器ID号和状态信息，主站确定哪条分支将被用来做距离检测，通过结合Z值和各传感器的状态信息，故障位置被确定。

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