CN103376387A - 基于物联网技术的输电网故障检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于物联网技术的输电网故障检测系统及方法，利用三相零序电压和电流平衡测量法，实时在线监测高压输电线三相固定点的电压和电流的变化是否平衡，根据各种状况下电压和电流的变化特征，判断高压架空线路该点有无异常，本系统包括接地、断路和短路故障诊断，本发明可以提高故障监测水平，其中短路故障报警准确率可达98.5％以上，接地故障报警准确率可达97％以上；检测装置具有“自学习”功能，即不需要根据各条不同负荷的输电线设置多个阈值，减轻了检测装置投入使用前的工作量，提高了通用性；减少了停电范围又缩短了停电时间，大大提高了供电的可靠性。

Description

基于物联网技术的输电网故障检测系统及方法

技术领域

本发明属于电力系统应急通信、配网自动化、智能电网领域和通信技术领域，具体涉及一种基于物联网技术的输电网故障检测系统及方法。

背景技术

目前配电线短路故障信号采集的方式主要依靠出现短路故障时，输配电线路将出现过流现象，利用前置电流传感器获取信号，再进行一系列放大处理后输入主控单元，与预先设置好的阈值相比较从而判断是否出现故障。即当获取信号值大于设定阈值就认为发生了短路故障。然而由于架空输配电线路各处工作负荷不尽相同，所以从输配电线路上获取的电信号强弱亦不同，这就需要预先与电力部门配合，了解各条输电线路的负荷情况，从而设定不同的阈值以满足实际情况的需要；由于这种情况的存在就使得检测装置投入使用前的工作量大大提高，并且通用性比较差。鉴于目前市面上出现的故障检测装置所采用的故障检测手段有一定的局限性，本文提出一种基于电流突变量的短路故障检测电路，来实现故障的检测。

输电网故障诊断是进行事故处理的前提，当输电网发生故障时，会有大量的报警信息涌入控制中心。由于现有的故障指示器基本没有断路故障判定功能，考虑到断路对于线路的正常供电的影响，本系统加入断路故障检测功能。根据架空输电线出现断路故障后线路突然断电这一特征，本文设计一线路通断检测电路实时检测各条线路中电力系统的通断情况，从而判定是否出现断路故障，避免事故的发生。

现有的测量理论是检测单相电压或电流来判断是接地故障短路故障，这种方法的误差非常大，尤其是判断接地，准确率只有30%左右。

现有的方法只是采用简单的电子电路技术，没有数据传输和分析技术，在故障发生现场，当电流或电压发生故障时，磁场吸动指示机构，使故障指示器转动到红色位置，故障排除后，需将指示器复位到白色，需要人员在现场查寻。 

发明内容

本发明的目的是提供一种容易实施、快速定位的基于物联网技术的输电网故障诊断系统及诊断方法，实时在线监测三相电电压和电流的变化，判断高压线有无异常，此系统和方法可以提高故障监测水平。

为实现发明目的，本发明的技术解决方案为：利用三相零序电压和电流平衡测量法，实时在线监测高压输电线三相固定点的电压和电流的变化是否平衡，根据各种状况下电压和电流的变化特征，判断高压架空线路该点有无异常，本系统包括接地、断路和短路故障诊断，具体包括如下步骤：

（1）悬挂于高压三项输电线上的故障检测终端，对输电网运行状态及环境参数进行监测，获取实时数据；

（2）检测装置通过“自学习”功能，记录正常工作状态下的电信号，设置为自身判断阀值；

（3）实时采集每条线路的电信号与自身阈值相比较来判定线路是否异常，将故障信息通过近距离无线传输模块发给母机；

（4）母机接收子机的故障信号，判断故障类型； 

（5）将故障信息发送到控制中心或维护人员手机上。

为了实现上述方法，本发明的另一目的是提供一种基于物联网技术的输电网故障检测系统，该系统包括控制中心监控模块，故障检测终端。

控制中心监控模块包括上位机故障指示界面，用于指示故障的物理位置及故障类型。

故障检测终端包括两个子机、一个母机。子机包括微控制器模块、信号采集模块、故障检测模块、报警指示、电源模块、近距离无线传输模块。母机除包括子机的所有模块外，还包括GSM手机模块、3G模块和GPRS模块等远程无线传输模块。

微控制器模块由高性能增强型单片机作为控制核心，实时监测输电线三相固定点的电压和电流变化，根据各种状况下电压和电流的变化特征，分析得出线路运行情况，随时检测线路发生的瞬时性故障，保证了终端检测的可靠性。

信号采集模块包含传感器，第一跟随电路1、第二跟随电路2、电压比较模块。其中传感器由柱形空心绕线线圈绕制而成，通过该线圈感应架空线路一次侧的电流信号，作为传感器输入信号。第一跟随电路1接收传感器输入电流信号，并能迅速跟随输入信号的变化而变化。第二跟随电路2通过“自学习”功能检测到正常工作时电流信号，将此电流信号转换为电压信号，并记录此信号作为电压比较模块的参考值，当传感器输入信号变化时，此参考值在一定时间内保持上一时刻的电压值，不会发生突变。电压比较模块接收第一跟随电路1和第二跟随电路2两路信号，并且进行实时比较，当输入电压发生跳变的瞬间，电压比较模块上会产生电压差，输出具有一定延时的脉冲，将此脉冲作为微控制器模块的检测信号输出。

故障检测模块包含短路故障检测电路、接地检测电路、断路检测电路，根据采集到的信号判断是否有故障，发出故障信号。

近距离无线传输模块用于子机与母机之间的信息传输，远程无线传输模块用于母机与监控中心及维护人员手机之间的数据传输。

与现有技术相比，本发明的显著优点是：

(1)、本发明可以提高故障监测水平，其中短路故障报警准确率可达98.5％以上，接地故障报警准确率可达97％以上。

(2)、检测装置具有“自学习”功能，即不需要根据各条不同负荷的输电线设置多个阈值，减轻了检测装置投入使用前的工作量，提高了通用性。

(3)、本发明基于物联网、无线通讯、信息网络等技术，对线路采取实时监测，迅速指示电力线路故障，为巡线人员指明故障所在的出现、分支和区段，免除了检修人员盲目巡线，使得故障的排查变得方便高效，既减少了停电范围又缩短了停电时间，大大提高了供电的可靠性。

附图说明

图1 是本发明架空输电线监测系统结构图。

图2 是本发明故障检测终端结构框图。

图3 是本发明相间短路检测电路原理框图。

图4 是本发明断路检测电路原理图。

图5 是本发明系统故障处理流程图。

图6 是本发明实施例1检测系统相间短路故障示意图。

图7 是本发明实施例2检测系统单相接地故障示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：

本发明的系统结构如图1所示，系统包含多个故障检测终端和控制中心监控模块。

故障检测终端由母机和两个子机组成，母机和两个子机分别悬挂于高压三项输电线上。两个子机具有相同结构，如图2所示，包含信号采集模块，故障检测模块，微控制器模块，报警指示，电源模块，近距离无线传输模块，母机包含子机的所有结构，还包含远程无线传输模块。两个子机检测自身悬挂的输电线是否有故障，并将故障信息通过近距离无线传输模块传给母机。本系统近距离无线传输模块可选择无线射频模块或者无线ZIGBEE模块。母机检测自身悬挂的输电线故障信息，同时接收两个子机发来的故障信息，综合判断故障并区分故障类型，通过远程无线传输模块将故障信息发送到维护人员手机上和远程监控中心。本系统远程无线传输模块可选择GSM手机模块，GPRS和3G模块通过移动基站实现远距离信息传输。

信号采集模块如图3所示，包含传感器输入模块，第一跟随电路1，第二跟随电路2，电压比较模块。其中传感器信号输出两路，一路接第一跟随电路1，一路接第二跟随电路2，第一跟随电路1和第二跟随电路2连接到电压比较模块，电压比较模块输出接MCU检测端口。传感器由柱形空心绕线线圈绕制而成，通过该线圈感应架空线路一次侧的电流信号，作为传感器输入信号。第一跟随电路1接收传感器输入电流信号，并能迅速跟随输入信号的变化而变化。第二跟随电路2通过“自学习”功能检测到正常工作时电流信号，将此电流信号转换为电压信号，并记录此信号作为电压比较模块的参考值，当传感器输入信号变化时，此参考值在一定时间内保持上一时刻的电压值，不会发生突变。电压比较模块接收第一跟随电路1和第二跟随电路2两路信号，并且进行实时比较，当输入电压发生跳变的瞬间，电压比较模块上会产生电压差，输出具有一定延时的脉冲，将此脉冲作为微控制器模块的检测信号输出。

故障检测模块包含相间短路检测电路、单相接地故障检测电路、断路故障检测电路。其中断路故障检测电路如图4所示，传感器输入信号通过二极管D1整流、限流电阻R1、滤波电容C1、稳压二极管D2 稳压后进入LM334恒流源，设置反馈电阻R2使其输出电流为后级光电耦合器6N139提供输入，光电耦合器6N139输出端通过上拉电阻R3接到电源，同时接MCU检测端口。

本发明电源模块用于给本系统供电,可采用太阳能供电方式或锂电池供电方式。

本系统判断故障的具体工作方法如图5所示， 

相间短路故障的判断方法：短路故障产生后会使线路中突然出现过流并且持续时间不超过4秒，故障后继电保护装置启动，开关跳闸使线路处于停电状态。根据故障机理，本发明设计的故障检测流程如下：故障检测模块接收到信号采集模块的信号开始进入判断流程，判断电流是否有突变，如果没有突变，线路正常，如果有突变，延时4秒后判断线路电流电压是否为0，如果不为0，线路正常，电流突变是由干扰等引起，如果线路电流电压为0，判断为相间短路故障。

单相接地故障的判断方法：根据单相接地故障的故障机理，接地相线电压突然大幅下降，非故障相线电压增大，并产生谐波；接地相线电流发生突变并产生谐波，而非故障相线电流不会出现突变，并且线路中仍然处于供电状态。本发明采用如下的判断接地故障流程：故障检测模块接收到信号采集模块的信号开始进入判断流程，判断电压是否有突变，如果没有突变，线路正常，如果有突变，判断电压是升高还是降低，如果电压升高，延时4秒判断电压是否依然升高，如果没有升高，结束判断，如果电压升高，判断电压5次谐波分量是否变大，如果没有变大，结束判断，如果5次谐波分量变大判断线路是否处于供电状态，不在供电状态，结束判断，如果电路依然供电，判断为发生单相接地故障的非故障相，判断结束。如果电压降低，延时4秒判断电压是否依然降低，如果没有将低，结束判断，如果依然降低，判断电流5次谐波分量是否变大，如果没有变大，结束判断，如果5次谐波分量变大判断线路是否处于供电状态，不在供电状态，结束判断，如果电路依然供电，判断为发生单相接地故障的故障相，判断结束。

断路故障的判断方法：故障检测模块接收到信号采集模块的信号开始进入判断流程，判断电压是否有突变，如果没有突变，线路正常，如果有突变，判断电流是否有突变，如果没有突变，继续判断电压是否突变，如果电流有突变，延时4秒判断电路电压电流是否为0，如果不为0，线路正常，结束判断，如果电压电流为0，判断故障类型为断路故障，判断结束。

实施例1、相间短路故障处理

    故障检测系统挂于架空输电线运行，如图6所示，第一子机1、第二子机3、第一母机2组成第一检测终端1，第三子机4、第四子机6、第二母机5组成第二检测终端2，第五子机7、第六子机9、第三母机8组成第三检测终端3，第一子机1、第一母机2、第二子机3分别检测2号线A、B、C三相输电线，第三子机4、第五子机7检测a支路A相线，第二母机5、第三母机8检测a支路B相线，第四子机6、第六子机9检测a支路C相线。当2号线支路a第二检测终端2与第三检测终端3之间B、C两相发生相间短路故障，故障点前的第一检测终端1、第二检测终端2均检测出短路故障，即第一母机2、第二母机5、第一子机3、第二子机6检测到故障信号，并通过LED灯指示故障信息，例如：线路有故障，LED灯显示为红色，线路正常，LED灯显示为绿色。本实施例第一母机2、第二母机5、第一子机3、第二子机6的LED故障指示灯显示为红色,并由第一母机2、第二母机5发出报警信息。

实施例2、单相接地故障处理

故障监测系统挂于架空输电线运行，当出现单相接地故障时，如图7所示，第一子机1、第二子机3、第一母机2组成第一检测终端1，第三子机4、第四子机6、第二母机5组成第二检测终端2，第五子机7、第六子机9、第三母机8组成第三检测终端3，第一子机1、第一母机2、第二子机3分别检测2号线A、B、C三相输电线，第三子机4、第五子机7检测a支路A相线，第二母机5、第三母机8检测a支路B相线，第四子机6、第六子机9检测a支路C相线。当2号线a支路第二检测终端2和第三检测终端3之间C相发生单相接地故障，对于故障线路故障点前的第二子机3、第四子机6检测到故障，并将检测到的故障信息传给第一母机2、第二母机5，由第一母机2、第二母机5发送故障信息到故障监控中心和维护人员手机上。第二子机3、第四子机6故障信号LED灯显示为红色。

实施例3、断路故障处理

根据架空输电线出现断路故障后线路突然断电这一特征，本发明设计一线路通断检测电路实时检测各条线路中电力系统的通断情况，判定是否出现断路故障。断路故障判断电路如图4所示：传感器输入信号通过二极管D1整流、限流电阻R1、滤波电容C1、稳压二极管D2 稳压后进入LM334恒流源，设置反馈电阻R2使其输出电流为后级光电耦合器6N139提供输入，光电耦合器6N139输出端通过上拉电阻R3接到电源，同时接MCU检测端口。在线路正常运行的情况下，恒流源始终有输入信号，能正常驱动光电耦合器6N139，使光电耦合器6N139的输出端始终为低电平；当线路发生断路故障时，传感器没有输出信号，无法为恒流源LM334提供输入信号，光电耦合器6N13输出端变为高电平，MCU检测端口检测到光耦6N139输出为高电平即可判定架空线路出现了断路故障，将故障信息通过无线通讯模块发送至母机，母机通过远程无线传输模块将故障信息发送到远程监控中心和维护人员手机，从而避免事故的进一步扩大造成更严重的灾害。

实施例4、控制中心监控模块显示故障信息

    控制中心监控模块接收到故障信息，在监控界面显示相应的故障信息，监控界面根据电力系统配网中心做出的配网图标示，对各个检测终端做出唯一的编号，与电力布线的物理位置相对应，线路发生故障，上位机界面在相应的位置显示故障信息，例如：红色为短路故障， 蓝色为断路故障，黄色为接地故障，绿色为正常状态。

Claims (10)

1.一种基于物联网技术的输电网故障检测方法，其特征是所述检测方法利用三相零序电压和电流平衡测量法，实时在线监测高压输电线三相固定点的电压和电流的变化是否平衡，根据各种状况下电压和电流的变化特征，判断高压架空线路该点有无异常，具体方法包括如下步骤：

（1）悬挂于高压三项输电线上的故障检测终端，对输电网运行状态及环境参数进行监测，获取实时数据；

（2）检测装置通过“自学习”功能，记录正常工作状态下的电信号，设置为自身判断阀值；

（3）实时采集每条线路的电信号与自身阈值相比较来判定线路是否异常，将故障信息通过近距离无线传输模块发给母机；

（4）母机接收子机的故障信号，判断故障类型； 

（5）将故障信息发送到控制中心或维护人员手机上。

2.根据权利要求1所述的基于物联网技术的输电网故障检测方法，其特征是步骤1中所述的故障检测终端包括两个子机、一个母机，所述的子机包括微控制器模块、信号采集模块、故障检测模块、报警指示、电源模块和近距离无线传输模块，所述的母机除包括子机的所有模块外，还包括远程无线传输模块。

3.根据权利要求2所述的基于物联网技术的输电网故障检测方法，其特征是所述的故障检测模块包含短路故障检测电路、接地检测电路和断路检测电路。

4.根据权利要求2所述的基于物联网技术的输电网故障检测方法，其特征是所述的信号采集模块包含传感器，第一跟随电路(1)、第二跟随电路(2)、电压比较模块，其中所述传感器由柱形空心绕线线圈绕制而成，通过该线圈感应架空线路一次侧的电流信号，作为传感器输入信号；第一跟随电路(1)接收传感器输入电流信号，并跟随输入信号的变化而变化；第二跟随电路(2)通过“自学习”功能检测到正常工作时电流信号，将此电流信号转换为电压信号，并记录此信号作为电压比较模块的参考值；电压比较模块接收第一跟随电路(1)和第二跟随电路(2)两路信号，并且进行实时比较，当输入电压发生跳变的瞬间，电压比较模块上产生电压差，输出具有延时的脉冲，将此脉冲作为微控制器模块的检测信号输出。

5.根据权利要求2所述的基于物联网技术的输电网故障检测方法，其特征是所述的近距离无线传输模块用于子机与母机之间的信息传输，远程无线传输模块用于母机与监控中心及维护人员手机之间的数据传输；所述的微控制器模块由高性能增强型单片机作为控制核心。

6.一种基于物联网技术的输电网故障检测系统，其特征是所述系统包括控制中心监控模块和故障检测终端，所述故障检测终端包括两个子机、一个母机，所述的子机包括微控制器模块、信号采集模块、故障检测模块、报警指示、电源模块和近距离无线传输模块，所述的母机除包括子机的所有模块外，还包括远程无线传输模块。

7.根据权利要求6所述的基于物联网技术的输电网故障检测系统，其特征是所述的故障检测模块包含短路故障检测电路、接地检测电路和断路检测电路。

8.根据权利要求6所述的基于物联网技术的输电网故障检测系统，其特征是所述的信号采集模块包含传感器，第一跟随电路(1)、第二跟随电路(2)、电压比较模块，其中所述传感器由柱形空心绕线线圈绕制而成，通过该线圈感应架空线路一次侧的电流信号，作为传感器输入信号；第一跟随电路(1)接收传感器输入电流信号，并跟随输入信号的变化而变化；第二跟随电路(2)通过“自学习”功能检测到正常工作时电流信号，将此电流信号转换为电压信号，并记录此信号作为电压比较模块的参考值；电压比较模块接收第一跟随电路(1)和第二跟随电路(2)两路信号，并且进行实时比较，当输入电压发生跳变的瞬间，电压比较模块上产生电压差，输出具有延时的脉冲，将此脉冲作为微控制器模块的检测信号输出。

9.根据权利要求6所述的基于物联网技术的输电网故障检测系统，其特征是所述的近距离无线传输模块用于子机与母机之间的信息传输，远程无线传输模块用于母机与监控中心及维护人员手机之间的数据传输；所述的微控制器模块由高性能增强型单片机作为控制核心。

10.根据权利要求6所述的基于物联网技术的输电网故障检测系统，其特征是所述的控制中心监控模块包括上位机故障指示界面，用于指示故障的物理位置及故障类型。

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