CN102177440B - 根据远程保护原理的供电网络中的故障定位 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种根据远程保护原理定位电能供应导线部段(10)上的接地故障(17)的方法，其中，当在部段上出现接地故障(17)时，采集电流测量值、电压测量值及地电流测量值，并利用采集的测量值计算给出该部段(10)上接地故障的位置的故障位置值，其中，使用该部段的导线阻抗和沿该部段延伸的土地的地阻抗来形成该故障位置值，并动态地确定用于形成该故障位置值的地阻抗的值。为了实施该方法以能够对出现的接地故障(17)更准确地定位，为了动态确定地阻抗的值引入模型描述(28)，其考虑至少两个对于地阻抗的影响因数(24，25)并给出地阻抗的值在部段(10)的整个长度上的历程(28)。本发明还涉及一种用于采集和定位接地故障(17)的电远程保护设备(11)。

Description

根据远程保护原理的供电网络中的故障定位

技术领域

本发明涉及一种根据远程保护原理对供电导线的部段上的接地故障进行定位的方法，其中，当在部段上出现接地故障时，采集给出在该部段中流动的电流的电流测量值、给出施加在该部段上的电压的电压测量值以及给出沿该部段流动的地电流的地电流测量值，并利用所采集的测量值计算给出该部段上接地故障的位置的故障位置值，在此，使用该部段的导线阻抗和沿该部段延伸的土地的地阻抗形成该故障位置值，并且用于形成该故障位置值的地阻抗的值是动态确定的。

本发明还涉及一种用于采集和定位电能传输导线的部段上的接地故障的电远程保护设备，其具有测量值采集装置，用于采集给出在该部段中流动的电流的电流测量值、给出施加在该部段上的电压的电压测量值以及给出沿该部段流动的地电流的地电流测量值，以及控制装置，其利用所采集的测量值计算给出该部段上接地故障的位置的故障位置值，在此，使用该部段的导线阻抗和沿该部段延伸的土地的地阻抗形成该故障位置值。

背景技术

为了监测和保护供电网络通常使用所谓的电保护设备。电保护设备在供电网络的测量点上提取表征供电网络的运行状态的测量值。在此，例如是电流测量值和电压测量值。保护设备借助这些测量值并利用特殊的保护算法来判断由其监测的供电网络的部分是处于可靠的运行状态还是不可靠的运行状态。不可靠的运行状态例如出现在被监测的供电网络的部分中出现短路时。如果存在不可靠的运行状态，则保护设备通常自动地向配属于它的功率开关发出所谓的“跳闸(Trip)命令”，功率开关作为对该跳闸命令的响应而打开并由此使有故障的部段与供电网络的其它部分分离。

通常使用的电保护设备例如是所谓的远程保护设备。远程保护设备在电能供应导线的测量点上测量出现的电流和电压并从中计算出电能供应导线的阻抗值。利用计算出的阻抗值例如可以借助特定的触发特征曲线来检验在电能供应导线上是否出现了例如短路的故障。如果存在故障，则远程保护设备向配属于其的功率开关发出跳闸命令，功率开关据此将有故障的电能供应导线段与电能供应网络的其余部分分开。附加地，远程保护设备还给出在所监测的电能传输导线上出现故障的位置。远程保护设备通常用于监测电能供应导线，因为其具有高度的可选性并且能够自主地作出判断，而无需为此与其它保护设备通信。

短路例如可以出现在电能传输导线的两相或三相之间(即所谓的“导线-导线短路”)，或出现在各相与电接地之间(所谓的“导线-地短路”)。在电能传输导线的两相或三相之间的导线-导线短路的情况下，可以很容易地识别和定位短路，因为确定阻抗阈值所需的发生故障的导线的导线阻抗通常是已知的。

但较之导线-导线短路明显更经常出现的是导线-地短路，在此其主要是地线参与的单相短路。为了定位这样的导线-地短路需要了解沿所监测的能量传输导线段的地的地阻抗，因为其在由远程保护设备测得的导线-地回路的阻抗中占主要地位。

必须作为参数在电远程保护设备中设置的用于地阻抗的调节值通常作为远程保护设备的固定的调节值而预先给定。在此，该值可以由电能供应导线的参数(如电能供应导线的零序系统阻抗或顺相序系统阻抗)导出或者也可以显式地测量。

但地阻抗的值还可以动态确定。对此在本发明人较早的专利申请PCT/EP2007/006703中公开了，可以利用连接在远程保护设备上的传感器直接测量地阻抗所依赖的环境参数。由此可以提高故障定位的准确度。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于，给出一种以上所述类型的方法，能够更准确地定位出现的接地故障。本发明另一个要解决的技术问题在于，给出一种相应的远程保护设备。

本发明的方法的技术问题通过一种这类方法来实现，其中，为了动态确定地阻抗的值引入模型描述，该模型描述考虑至少两个对于地阻抗的影响因数并给出地阻抗的值在部段的整个长度上的历程。

本发明方法的主要优点在于，为了确定地阻抗，不仅仅使用影响因数的大多在远程保护设备附近采集的单独的点状的测量值，而是替代地引入这些影响因数沿供能导线的部段的全部历程。影响因数的值以及由此相应的地阻抗的值实际上通常沿部段波动。此外，通过考虑至少两个影响因数可以比仅考虑一个影响因数更准确地确定地阻抗。

具体地，按照本发明方法的一种优选实施方式，将以下列出的至少两个参数用作影响因数：空气湿度、空气温度、空气的电离程度、所涉及的土地的湿度、所涉及的土地的温度、所涉及的土地的土质、部段与土地的距离。这些参数实际上表示了引起沿供能导线的部段的土地的地阻抗变化的主要影响因数。

此外，根据本发明方法的另一优选实施方式，测量和/或计算至少两个使用的影响因数。测量可以通过分布设置的传感器进行。在各传感器之间例如可以通过内插来计算各影响因数的值。此外，还可以从其它参数导出所寻找的影响因数的值，例如在确定土地的湿度时使用以往的降雨量。

根据本发明方法的另一优选实施方式，从至少一个数据库中提取至少两个使用的影响因数，其中，该至少一个数据库包含地理位置值与相应影响因数的值的对应关系。这样的数据库常常用于不同的应用，不必专门为确定地阻抗而产生。

与此相关地，优选地将该至少一个数据库所包含影响因数的值实时地与实际条件相匹配。

为了尽可能简单地选择所需的影响因数的值，还可以通过选择影响因数的对应于部段沿其延伸的地理位置值的值来形成模型描述。在此，仅须借助描述供能导线部段的延伸的位置值从数据库中读取影响因数的合适的值。

具体地，该至少一个数据库例如可以是地理信息系统和/或天气数据库。

此外，按照本发明方法的另一优选实施方式，由远程数据处理装置来形成模型描述，并由该远程数据处理装置提供给远程保护设备的、计算故障位置值的控制装置。由此，可以由远程数据处理装置来计算模型描述，远程数据处理装置例如可以是电网控制中心的功能相对强大的PC。然后，可以由远程保护设备的控制装置来借助所计算出的对于地阻抗的模型描述进行故障定位。这样的控制装置通常不具有电网控制中心的PC所具有的高计算能力。

为了不在远程数据处理装置和控制装置之间传输不必要大的数据量并由此使它们之间的通信连接上的通信负荷上升，按照与此相关的另一优选实施方式，只有当控制装置请求模型描述时，远程数据处理装置才将模型描述传送给控制装置。

与此相关地，控制装置例如可以在部段上出现接地故障后请求模型描述，因为只有在此之后才能进行有意义的故障定位。

代替借助第一数据处理装置来计算模型描述，还可以借助设置在部段上的远程保护设备从至少一个数据库接收至少两个使用的影响因数，该远程保护设备的控制装置借助该接收的影响因数来形成模型描述。这点尤其是在具有高计算能力的远程保护设备中允许，通过通信连接(例如具有互联网连接的通信连接)与一个或多个相应的数据库直接连接。

本发明的上述类型的电远程保护设备的技术问题通过一种本文开始所述类型的远程保护设备来解决，其中，设有用于实施本发明方法的上述实施方式的控制装置。

附图说明

以下借助实施方式详细描述本发明。为此：

图1示意性示出了三相能量传输导线上的远程保护设备，

图2示意性示出了说明确定给出地阻抗的模型描述的流程图，

图3示意性示出了远程保护设备，其与远程数据处理装置通信连接，以及

图4示意性示出了直接与两个数据库通信连接的远程保护设备。

具体实施方式

图1示出了未详细图示的接地三相电能传输导线的部段10。该部段10在其的一侧由远程保护设备11的测量点A界定。部段10在其另一侧由虚线B界定，其例如是图1中未示出的另一远程保护设备的测量点。电远程保护设备11监测由测量点A和虚线B界定的三相电能传输导线的部段10的不允许的运行状态，如短路。为此，在部段10的各相10a、10b、10c上借助仅示意性示出的电流转换器12a、12b、12c和电压转换器13a、13b、13c来记录电能传输导线的电流测量值和电压测量值，并输入到远程保护设备11的测量值采集装置14。此外，还向测量值采集装置14输入利用另一(同样设置在测量点A上的)电流转换器16采集的地电流测量值。

在测量值采集装置14中通常将电流转换器12a、12b、12c以及16和电压转换器13a、13b、13c输出侧给出的电流和电压的仍然相对较高的电流水平和电压水平变换到由远程保护设备11处理的电流水平和电压水平。此外，在测量值采集装置中通常还进行模拟-数字转换以及必要时其它预处理步骤，如对接收的测量值进行滤波。如果要对电流矢量和电压矢量形式的测量值进行进一步处理，则在测量值采集装置中通常还形成电流矢量和电压矢量，从而使所形成的电流矢量和电压矢量能够提供关于电能传输导线的部段10的各相10a、10b、10c的电流和电压以及地电流的振幅和相位的信息。

然后，利用测量值采集装置14采集并在必要时进行预处理的电流和电压的测量值被输入远程保护设备11的控制装置15。控制装置15借助本领域技术人员公知的算法来判断在电能传输导线的部段10上是否出现故障，并且还对包含故障的回路(如在相10a和10b之间的导线-导线回路或相10c与地之间的导线-地回路)进行识别。如果控制装置15识别出这样的故障，则其向配属于各相10a、10b、10c的功率开关18a、18b、18c发送TRIP(跳闸)信号，以将涉及故障的一相或多相与其余的供能导线分开。

接着控制装置15借助所测量的电流测量值、地电流测量值和电压测量值计算给出部段10上的故障位置(大多相对于部段10的导线长度)的故障位置值。为此，需要相应相的导线阻抗以及在接地故障的情况下沿该部段10延伸的土地的地阻抗。以下将详细描述对接地故障的定位。

根据图1，假设在相10c和地之间出现短路17。由此在相10c(导线)和地之间产生所谓的导线-地回路，其从测量点A经过相10c直至短路17的位置并从那里又返回通过地到达测量点A或电流转换器16的安装位置。

对于进一步的描述首先要借助图1引入通过远程保护设备11的控制装置15对故障位置值m的计算。该故障位置值m给出(相对于被监测的部段10的整个长度)在相10c和地之间出现短路17的位置。该位置是对供能导线上可能的损坏进行修复和消除故障原因所需的。

为了计算故障位置值m，对图1的由测量点A之间的短路17产生的导线-地回路采用公知的根据基尔霍夫第二定律(Kirchhoffsches Gesetz)的网孔定则(Maschenregel)。由此给出以下的电路方程(Maschengleichung)：

-U _A+I _L·m·Z _L+U _F+I _E·m·Z _E，ges＝O    (1)

在此公式中的符号表示(也参见图1)：

U _A：远程保护设备11测量的、给出相10c和地之间的电压的电压矢量；

I _L：由远程保护设备11测量的、给出在相10c流动的电流的电流矢量；

m：测量点A与短路17的故障位置的、相对于部段10的整个长度的距离(故障位置值)；

Z _L：相10c的顺相序系统阻抗；

U _F：故障位置的电压降；

I _E：由远程保护设备11测量的、给出在地中流动的电流的电流矢量；以及

Z _E，ges：沿供能导线的部段10的整体地阻抗。

在使用该公式(1)的情况下，远程保护设备11的控制装置15可以在了解导线阻抗和地阻抗的值的情况下确定故障位置值m，因为相应的电流测量值、地电流测量值和电压测量值通过在短路时刻的测量已知。在故障位置的电压降U _F通常在单侧故障定位中无法确定。但其可以忽略而对最终结果没有很大影响。

尽管在公式(1)中电流、地电流和电压的测量值被示为矢量(Zeiger)并因此包含关于振幅和相位的信息，但所述方法还可以用标量(振幅、rms值、有效值(Effektivwert))来实施。

相10c的导线阻抗Z _L在很大程度上是常数并与外部影响无关，而地阻抗Z _E，ges的值则根据影响因数(如温度和湿度)而变化。例如饱含潮气的土地要比干燥的土地具有更小的阻抗。此外，地阻抗还可能与空气湿度、空气温度、空气电离度、所涉及的土地的温度、所涉及的土地的土质、供电导线的部段10与土地的距离有关。

现在，在考虑至少两个影响沿供电导线的部段10的地阻抗的值的影响因数的情况下，可以产生给出沿供电导线的部段10的每个位置上的地阻抗的值的模型描述。然后，在远程保护设备11中最终根据公式2由部分地阻抗Z1至Zn综合成要考虑的地阻抗的值Z _E，ges：

${\underset{\‾}{Z}}_E=\underset{n=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\underset{\‾}{Z}}_n---\left(2\right)$

其中，

Z _n：部分地阻抗；

n：顺序变量；

L：部段10整个长度上的顺序变量，

以及其中，每个部分地阻抗Z _n由模型描述给出。模型描述本身借助至少两个使用的影响因数在供电导线的部段10的各个选择得任意小的延伸段n至L上来确定。

远程保护设备11的控制装置15可以使用通过模型描述给出的地阻抗Z _E通过简单地使用公式(1)以更高的准确性来确定故障位置值m。

远程保护设备11具有通信装置19，以便为远程保护设备11的控制装置15提供模型描述。为此的细节将结合图3和图4来描述。

借助图2举例描述用于沿供电导线的部段的地阻抗的模型描述28的形成。为了形成模型描述28采用至少两个以上所述的沿部段的影响因数的值。这样的值通常预先存储在一个或多个数据库中，在这些数据库中位置准确地给出各影响因数的值，即每个影响因数的值对应于一个地理位置值(例如通过地理长度和宽度的信息)。这样的数据库例如是给出拓扑结构、土质以及存在的森林、水流、种植等的地理信息系统，或者是包含关于降雨量、温度、空气湿度、日照等信息的天气数据库。如果不能直接由所提供的数据库中读取特定的影响因数的值(例如土地湿度)，则可以借助现有的数据库信息计算出或估计出该值。例如，可以从土质和以往的降雨量来确定土地湿度。

通常，相应的数据库不是由供电网络的运营商本身拥有，而是可以与第三方提供商(如天气信息系统或地理信息系统的提供商)相关。但供电网络的运营商最多是从这些可供使用的数据库中产生模型描述。也可以考虑由第三方来产生模型描述然后提供给供电网络的运营商。

图2举例示出了使用通常的数据库中的可用信息来形成用于沿供电导线的被观察的部段的地阻抗的模型描述28。为此，首先需要供电导线的部段的高度轮廓，以便在三个空间坐标中确定供电导线的部段的确切历程。这样的高度轮廓在图2中仅示例性地以附图标记21示出。在高度轮廓21中根据部段的长度填入部段在参考高度(通常为海平面)之上的高度。这样的高度轮廓例如可以通过使用供电导线的部段所经过的相应区域的电子地图22来获得，其中，在该电子地图22中给出所涉及区域的高度信息。由此在电子地图22中仅示例性地示出在电子地图22中给出不同高度段的等高线22a、22b、22c。

此外，为了均衡该具有高度信息的电子地图22和能量传输线路的部段的历程必须引入地理地图23，在该地理地图23中突出了电能供应导线的部段的历程23a。通过将地理地图23中的关于部段的地理历程的信息与电子地图22中的高度信息相叠加可以导出高度轮廓21。

作为用于地阻抗的影响因数应考虑土质。为此，首先从地理信息系统的数据库中读取给出土质的电子地图24。这样的电子地图24给出对于该地图的不同区域的土质。例如，在区域24a中以沙地为主，在区域24b中有河流，在区域24c中主要为粘土，而在区域24d中则有花岗岩。

为了得出土地湿度的结果，对相应的区域引入给出相关区域的以往降雨量的气象图25。例如，区域25a为高降雨量区，如在前四周中为每平方米25升；而区域25b则只有很小的降雨量。

通过将电子地图24的土地湿度与气象图25的降雨量相组合产生另一电子地图26，其给出对于所观察区域的每个位置的土地湿度。在此，土地湿度最大的例如是其中有水流的区域26a，以及区域26b，在其中有高降雨量降落到粘土土地上。

同样，通过将给出关于相关区域的地理概貌的地图23与供电导线的部段的确切历程相叠加可以确定出在供电导线的部段的整个长度上的土地湿度曲线27。

最后，由高度轮廓21和土地湿度曲线27的历程的组合可以得出在供电导线的部段的长度上的地阻抗历程28，并由此产生模型描述。由该模型描述例如可以对部段的位于L _i的一个点确定所属的地阻抗的值Z _Ei。通过累加所有由模型描述28得出的部分地阻抗可以最后得出在供电导线的部段的整个长度上的地阻抗Z _E，ges。

图2仅示意性地举例示出对相关影响因数(高度轮廓、土地湿度、土质)的选择。但当然还可以考虑任意其它影响地阻抗的值的影响因数。例如，可以借助空气温度、日照、植被、阴影以及土质来确定土地的温度变化。

以下借助图3和图4描述如何将影响因数的值或模型描述输入远程保护设备11(参见图1)。

图3示出电远程保护设备30的第一实施例，其具有测量值采集装置31和控制装置32。控制装置32与通信装置33连接。通信装置33通过通信连接与远程数据处理装置34连接，远程数据处理装置34例如可以是电网控制中心的PC。

远程数据处理装置34可以访问给出用于确定模型描述的影响因数的值的数据库35和36。例如，数据库35可以是天气数据库，而数据库36则可以是地理信息系统的一部分。当然还可以有其它具有关于其它影响因数的信息的数据库。

远程数据处理装置34由数据库35和36得到影响因数的与依赖于位置的值，即分别对应于一个地理位置值的值。

相应于对图2的描述，远程数据处理装置34从中产生模型描述并将其传送给远程保护设备30。为了避免通信连接上不必要的数据流动，这样的模型描述传输可以在当控制装置32请求模型描述时才进行。优选地，控制装置32在部段10上出现接地故障后才请求模型描述。

最后，图4示出电远程保护设备40的第二实施例，其具有测量值采集装置41和数据处理装置42。该图4中的实施例与图3所示实施例的不同之处在于，在此对模型描述的计算不是由远程数据处理装置来进行。更确切地说，控制装置42可以通过通信装置43和仅示意性示出的通讯网络44直接访问数据库45和46并从中得到影响因数的值。因此，在该实施例中控制装置42自己计算模型描述。但这仅能在具有计算能力较强的控制装置的远程保护设备的情况下实现。

尽管在至此的描述中一直显式地描述了远程保护设备，但在本发明的范围内还可以设置实现所描述的方法的、在相应的设备硬件(例如相应配备的PC)上运行的软件。

Claims (12)

1.一种根据远程保护原理对电能供应导线的部段（10）上的接地故障进行定位的方法，其中，当在部段上出现接地故障时，

-采集给出在该部段（10）中流动的电流的电流测量值；

-采集给出施加在该部段（10）上的电压的电压测量值；

-采集给出沿该部段（10）流动的地电流的地电流测量值；以及

-利用所采集的测量值计算给出该部段（10）上的接地故障的位置的故障位置值，其中，使用该部段（10）的导线阻抗和沿该部段（10）延伸的土地的地阻抗形成该故障位置值，并且其中，动态地确定用于形成该故障位置值的地阻抗的值，

其特征在于，

-为了动态确定所述地阻抗的值引入模型描述，该模型描述考虑至少两个对于地阻抗的影响因数并给出地阻抗的值在该部段（10）的整个长度上的历程。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

-将以下列出的至少两个参数用作所述影响因数：空气湿度、空气温度、空气的电离程度、所涉及的土地的湿度、所涉及的土地的温度、所涉及的土地的土质、该部段（10）与土地的距离。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

-测量和/或计算至少两个使用的影响因数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

-从至少一个数据库中提取所述至少两个使用的影响因数，其中，所述至少一个数据库包含地理位置值与相应影响因数的值的对应关系。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

-将在所述至少一个数据库所包含所述影响因数的值实时地与实际条件相匹配。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，

-所述模型描述通过选择所述影响因数的对应于该部段（10）沿其延伸的地理位置值的值而形成。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

-所述至少一个数据库是地理信息系统和/或天气数据库。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

-所述模型描述由远程数据处理装置（34）形成，并由该远程数据处理装置（34）提供给远程保护设备（30）的、计算故障位置值的控制装置（32）。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

-当所述控制装置（32）请求所述模型描述时，所述远程数据处理装置（34）才将所述模型描述传送给该控制装置（32）。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

-所述控制装置（32）在所述部段（10）上出现接地故障后请求所述模型描述。

11.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，

-被设置在所述部段（10）上的远程保护设备（40）从至少一个数据库接收所述至少两个使用的影响因数，以及

-该远程保护设备（40）的控制装置（42）借助该接收的影响因数形成所述模型描述。

12.一种电远程保护设备（11），用于采集和定位电能供应导线的部段（10）上的接地故障，具有

-测量值采集装置（14），用于采集给出在该部段（10）中流动的电流的电流测量值、给出施加在该部段（10）上的电压的电压测量值、以及给出沿该部段流动的地电流的地电流测量值；以及

-控制装置（15），其利用所采集的测量值计算给出该部段上的接地故障的位置的故障位置值，其中，使用该部段（10）的导线阻抗和沿该部段（10）延伸的土地的地阻抗形成该故障位置值；

其特征在于，

-所述控制装置（15）被设置用于实施根据权利要求1至8之一所述的方法。

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