CN102221660B - 小电流接地故障在线定位装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小电流接地故障的在线定位方法以及基于该定位方法的定位装置，该方法适用于3～60kV中性点非有效接地电网，在线路带单相接地故障运行的情况下，从变电站PT注入130-230Hz(不包括工频50Hz的整数倍频率)的交流信号，在变电站内测量注入信号电压相量，在线路上测量注入信号的电流相量，根据注入信号电压和电流相量的相位关系确定故障点的区段位置。本发明的定位装置由上位机和下位机两个部分组成，上位机装置安装在变电站内，用于从变电站PT注入130-230Hz(不包括工频50Hz的整数倍频率)交流信号并测量母线注入信号的电压相量。下位机装置安装在线路上用于测量注入信号的电流相量，下位机将测量结果上传到上位机，最终由上位机进行相量分析以及完成定位计算。本发明技术成熟、可靠性高。
Description
技术领域
本发明属于电力接地故障检测技术领域，具体涉及一种小电流接地故障在线定位方法及定位装置，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。
小电流接地故障在线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。目前现场存在两种定位产品，第一种产品称为“S”注入法，原理是从PT注入高频信号，沿线路检测该信号进行定位，但是由于线路分布电容对高频信号形成通路，因此在正常线路和分支也能检测注入信号，导致定位不准确。另一种产品称为“故障指示器”，原理是测量线路故障电流进行定位，但是故障指示器测量的是相电流，由于单相接地电流远小于负荷电流，因此“故障指示器”无法准确提取故障信息，导致定位不准确。
申请人针对小电流接地故障定位问题进行了长期研究，已获得一项发明专利“配电网单相接地故障定位装置”(申请号：200810224885.8)，并正在申请一项发明专利“配电网单相接地故障带电定位装置”(申请号：201010158319.9)。前者采用离线定位方法，需要停电注入信号，不能满足现场带故障运行在线定位的要求。后者采用零序电压和零序电流相量比较进行在线定位，但是需要采集三相电流并合成零序电流，设备复杂成本较高，现场操作不方便。
综上所述现场迫切需要实用、准确的在线定位装置，提高配电网供电的可靠性和经济性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术上的不足，提出新的小电流接地故障在线定位方法，并基于该新的定位方法提供一种针对小电流接地故障的在线定位装置。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：
一种小电流接地故障在线定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)实时检测变电站电压互感器PT二次侧零序电压值；
(2)当被检测的二次侧零序电压值超过预设的启动值后，向故障相电压互感器PT相电压二次绕组注入除工频50Hz的整数倍频率以外的、130-230Hz范围内的交流信号；
(3)在所述电压互感器处测量所述注入交流信号的电压信号，同时在故障相线路一处或多处测量所述注入交流信号的电流信号；
(4)计算同一时刻测量的所述注入交流信号的电压信号和所测量的所述注入交流信号的电流信号的相位差，
如果相位差等于90度，则判断故障点在所述注入交流信号的电流信号测量点的上游；如果相位差小于90度，则判断故障点在所述注入交流信号的电流信号测量点的下游；
(5)通过在多处测量的所述注入交流信号的电流信号或多次在故障相线路不同位置测量的所述注入交流信号的电流信号，按照步骤(4)所述判断方法，确定故障点的区段位置。本发明同时公开了一种小电流接地故障在线定位装置，所述单相接地故障定位装置由上位机和下位机两个部分组成，其特征为：
所述的上位机安装于变电站内，用于从变电站电压互感器PT注入交流信号并测量母线注入信号的电压相量，所述上位机包括信号源、上位机A/D转换模块、上位机CPU、上位机移动通信模块、上位机GPS模块，所述变电站电压互感器PT相电压二次侧通过上位机A/D转换模块输入至上位机CPU，所述上位机CPU分别连接上位机移动通信模块、上位机GPS模块，所述上位机CPU还通过控制信号源，向故障相PT的相电压二次绕组注入一定频率的交流信号，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所述上位机A/D转换模块对注入信号的电压进行采样，上位机CPU采用FFT算法对采样值进行计算，得到注入信号电压信号的幅值和相位；
所述的下位机装置安装在线路上，用于测量注入信号的电流相量，所述下位机包括下位机A/D转换模块、下位机CPU、下位机移动通信模块、下位机GPS模块，通过电流互感器采集的注入信号的电流相量通过下位机A/D转换模块输入至下位机CPU，所述下位机CPU还分别与下位机移动通信模块和下位机GPS模块相连，下位机的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下位机A/D转换模块对注入信号的电流进行采样，得到注入信号电流信号的幅值和相位，然后利用下位机移动通信模块和上位机移动通信模块将所测量的注入信号的电流信号幅值和相位以及对应的时标信息发送至上位机；
上位机接收到下位机发送的注入信号电流信号幅值、相位后，通过时标对比，找到同一个时刻测量的电压信号的幅值和相位，计算同一时刻测量的所述注入交流信号的电压信号和所测量的所述注入交流信号的电流信号的相位差。
本发明的优点如下：
1、从变电站PT注入130-230Hz(不包括工频50Hz的整数倍频率)信号，不受50Hz工频负荷电流的影响。
2、能够确定故障点所在区域，下位机间距越小，定位越准确。
3、同步测量注入信号电压相量和电流相量，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。
4、下位机安装在线路上，无需人工沿线路巡视。
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是单相接地故障时注入信号回路的等值电路图；
图3是信号源的原理图；
图4是上位机的原理图；
图5是下位机的原理图。
具体实施方式
下面结合说明书如图，通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。本发明提出的一种新的定位方法，其原理是在线路带单相接地故障运行的情况下，通过分析注入信号的电压相量和电流相量的相位关系进行故障定位。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，上位机装置安装在变电站内，用于从变电站PT注入130-230Hz(不包括工频50Hz的整数倍频率)交流信号并测量母线注入信号的电压相量。下位机装置安装在线路上，可以是一个或多个，用于测量注入信号的电流相量。上位机和下位机通过移动通信方式进行信息传递，下位机将测量结果上传到上位机，最终由上位机进行相量分析以及完成定位计算。
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，用于从变电站PT注入130-230Hz(不包括工频50Hz的整数倍频率)交流信号并测量母线注入信号的电压相量，由信号源、A/D、CPU、移动通信模块、GPS模块组成。变电站PT相电压二次绕组及零序电压二次绕组接入上位机中，一旦上位机检测到零序电压超过启动值，立即触发信号源向故障相PT注入130-230Hz(不包括工频50Hz的整数倍频率)的交流信号。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对注入信号的电压进行采样，CPU采用FFT算法对采样值进行计算，得到注入信号电压信号的幅值和相位。
所述的下位机装置安装在线路上，可以是一个或多个，用于测量注入信号的电流相量，由A/D、CPU、移动通信模块、GPS模块组成。下位机的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对注入信号的电流进行采样，CPU采用FFT算法对采样值进行计算，得到注入信号电流信号的幅值和相位，然后利用移动通信方式将注入信号电流的幅值和相位以及对应的时标信息发送至上位机。
上位机接收到下位机发送的注入信号电流幅值、相位后，通过时标对比，找到同一个时刻测量的电流的幅值和相位，从而计算出注入信号电压和电流的相位差。如果相位差等于90度，则判断故障点在该下位机的上游；如果相位差小于90度，则判断故障点在该下位机的下游。这样根据多个下位机的安装位置，就能够确定故障点的区段位置。
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，上位机装置安装在变电站内，用于从变电站PT注入130-230Hz(不包括工频50Hz的整数倍频率)交流信号并测量母线注入信号的电压相量。下位机装置安装在线路上，可以是一个或多个，用于测量注入信号的电流相量。上位机和下位机通过移动通信方式进行信息传递，下位机将测量结果上传到上位机，最终由上位机进行相量分析以及完成定位计算。
单相接地故障时注入信号回路的等值电路如图2所示。其中U为注入信号电压，I为注入信号电流，在f点发生接地故障，R为接地电阻。由于线路上存在分布电容，所以故障点前后及非故障分支都能检测到注入信号电流，但是由于故障点后和非故障分支注入信号电流特征是电容电流，因此电压和电流相量的相位差为90度。而在故障点前的故障路径上，由于电路中存在接地电阻，因此电压和电流相量的相位差小于90度。在①②③④四个点安装下位机检测注入信号电流，必然检测出电流和
与电压之间的相位角小于90度，而电流
和
与电压
之间的相位角等于90度，这样就可以准确判断出故障点位于下位机③和④之间的区段。
上位机的原理如图3所示，由小电压互感器、上位机A/D转换模块、上位机CPU、上位机移动通信模块、上位机GPS模块、信号源组成。小电压互感器连接变电站电压互感器的二次侧开口三角绕组，将变电站电压互感器PT输出的交流0到100V的电压变换为交流0到5V信号，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输出接到作为上位机CPU的8051F120的P1.0管脚上，8051F120内部含有作为上位机A/D转换模块的ADC转换器和附加基准电压源。8051F120通过P4和P5这两个I/O口中的P4.0-P4.7和P5.0-P5.6接点分别与作为上位机移动通信模块的移动通信模块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，接收下位机的注入信号电流幅值相位数据。8051F120通过P6.1、P6.2、P6.3、P6.4与作为上位机GPS模块的GPS模块M-87的端口TXA、RXA、RXB、1PPS对应相连，用于接收秒脉冲和标准时钟数据；信号源与上位机CPU相连，接收上位机CPU指令，发出注入信号。
上位机信号源的原理如图4所示，由上位机CPU、信号发生器、运算放大器、功率放大器和隔离变压器组成，上位机信号源与上位机其他功能共用一个CPU即8051F120芯片。8051F120的管脚P0.1、P0.2、P0.3分别与信号发生器AD9833的管脚P6、P7、P8相连，MCLK的输出管脚OUT与AD9833的管脚P5相连，AD9833的信号输出管脚P10输出到电阻R2；电阻R1、R2、Rf与运算放大器OPA组成放大电路；放大器输出连接到两个串联的二极管连接点处；电阻R11、R12、R13、R14、二极管1N4001、电容C1、功率放大器NPN-D1、PNP-D2、稳压管PD1共同组成功率放大器；功率放大器的输出端接到隔离变压器的一次侧，二次侧输出信号到电力线路高压PT的二次侧，用于向故障相PT注入130-230Hz(不包括工频50Hz的整数倍频率)的交流信号；功率放大器的输出端还与8051F120芯片的管脚P1.1相连，用于测量信号源的输出电压。
下位机的原理如图5所示，由小电流互感器、下位机A/D模块、下位机CPU、下位机移动通信模块、下位机GPS模块组成。小电流互感器与二次侧并联的电阻Rz共同组成了电流/电压转换器，用于测量线路上的电流。线路侧的高压电流互感器的二次侧输出电流接到小电流互感器的一次侧，电流/电压转换器输出交流0到5V信号。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输出接到作为下位机CPU的8051F120的P1.0管脚上，8051F120内部含有作为下位机A/D模块的ADC和附加基准电压源。8051F120通过P4和P5这两个I/O口中的P4.0-P4.7和P5.0-P5.6接点分别与作为下位机移动通信模块的移动通信模块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，将采集的电流信号幅值相位数据通过移动通信模块M1206传输到上位机中。8051F120通过P6.1、P6.2、P6.3、P6.4与作为下位机GPS模块的GPS模块M-87的端口TXA、RXA、RXB、1PPS对应相连，用于接收秒脉冲和标准时钟数据。
Claims (7)
1.一种小电流接地故障在线定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）实时检测变电站电压互感器PT二次侧零序电压值；
（2）当被检测的二次侧零序电压值超过预设的启动值后，向故障相电压互感器PT相电压二次绕组注入除工频50Hz的整数倍频率以外的、130-230Hz范围内的交流信号；
（3）在所述电压互感器处测量所述注入交流信号的电压信号，同时在故障相线路一处或多处测量所述注入交流信号的电流信号；
（4）计算同一时刻测量的所述注入交流信号的电压信号和所测量的所述注入交流信号的电流信号的相位差，
如果相位差等于90度，则判断故障点在所述注入交流信号的电流信号测量点的上游；如果相位差小于90度，则判断故障点在所述注入交流信号的电流信号测量点的下游；
（5）通过在多处测量的所述注入交流信号的电流信号或多次在故障相线路不同位置测量的所述注入交流信号的电流信号，按照步骤（4）所述判断方法，确定故障点的区段位置。
2.根据权利要求1所述的在线定位方法，其特征在于：在测量所述注入交流信号的电压信号，和所述注入交流信号的电流信号时，通过GPS进行对时，以获得同一时刻的测量值。
3.根据权利要求1或2所述的在线定位方法，其特征在于：所述注入除工频50Hz的整数倍频率以外的、130-230Hz范围内的交流信号，其最大电压为20V，最大电流为2A。
4.一种基于权利要求1-3任一权利要求所述小电流接地故障在线定位方法的小电流接地故障在线定位装置，所述小电流接地故障在线定位装置由上位机和下位机两个部分组成，其特征为：
所述的上位机安装于变电站内，用于从变电站电压互感器PT相电压二次侧注入交流信号并测量母线注入信号的电压相量，所述上位机包括信号源、上位机A/D转换模块、上位机CPU、上位机移动通信模块、上位机GPS模块，所述变电站电压互感器PT相电压二次侧通过上位机A/D转换模块输入至上位机CPU，所述上位机CPU分别连接上位机移动通信模块、上位机GPS模块，所述上位机CPU还通过控制信号源，向故障相PT的相电压二次绕组注入一定频率的交流信号，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所述上位机A/D转换模块对注入信号的电压进行采样，上位机CPU采用FFT算法对采样值进行计算，得到注入信号电压信号的幅值和相位；
所述的下位机装置安装在线路上，用于测量注入交流信号的电流相量，所述下位机包括下位机A/D转换模块、下位机CPU、下位机移动通信模块、下位机GPS模块，通过小电流互感器采集的注入交流信号的电流相量通过下位机A/D转换模块输入至下位机CPU，所述下位机CPU还分别与下位机移动通信模块和下位机GPS模块相连，下位机的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下位机A/D转换模块对注入信号的电流进行采样，得到注入信号电流信号的幅值和相位，然后利用下位机移动通信模块和上位机移动通信模块将所测量的注入交流信号的电流信号幅值和相位以及对应的时标信息发送至上位机；
上位机接收到下位机发送的注入交流信号电流信号幅值、相位后，通过时标对比，找到同一个时刻测量的电压信号的幅值和相位，计算同一时刻测量的所述注入交流信号的电压信号和所测量的所述注入交流信号的电流信号的相位差。
5.根据权利要求4所述的小电流接地故障在线定位装置，其特征为：
所述上位机能够从变电站电压互感器PT相电压二次绕组注入130-230Hz，但不包括工频50Hz的整数倍频率的交流信号，最大电压20V，最大电流2A。
6.根据权利要求4所述的小电流接地故障在线定位装置，其特征为：
所述下位机小电流互感器采用钳形表头，能够安装在线路的任意点套接线路测量相电流。
7.根据权利要求4所述的小电流接地故障在线定位装置，其特征为：
上位机对注入交流信号电压相量和电流相量进行分析计算，得到电压和电流的相位差，如果相位差等于90度，则判断故障点在该下位机的上游；如果相位差小于90度，则判断故障点在该下位机的下游。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: BEIJING DANHUA HAOBO ELECTRICITY TECHNOLOGY CO., L Free format text: FORMER OWNER: BEIJING DANHUA HAOBO ELECTRICITY TECHNOLOGY CO., LTD. Effective date: 20131205 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Qi Zheng Inventor after: Li Yansong Inventor after: Li Yan Inventor after: Xu Chunxin Inventor before: Qi Zheng Inventor before: Li Yansong Inventor before: Li Yan |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: QI ZHENG LI YANSONG LI YAN TO: QI ZHENG LI YANSONG LI YAN XU CHUNXIN |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20131205 Address after: 102206 School of electrical and electronic engineering, North China Electric Power University, 2 North Farm Road, Beijing, Changping District Patentee after: North China Electric Power University Patentee after: Beijing Danhua Haobo Electricity Technology Co., Ltd. Patentee after: State Grid Corporation of China Patentee after: Shenyang Power Supply Company of State Grid Liaoning Electric Power Co., Ltd. Address before: 102206 School of electrical and electronic engineering, North China Electric Power University, 2 North Farm Road, Beijing, Changping District Patentee before: North China Electric Power University Patentee before: Beijing Danhua Haobo Electricity Technology Co., Ltd. |