CN103743998A - 基于互相关系数的配电网单相接地故障定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了配电网诊断技术领域中的一种基于互相关系数的配电网单相接地故障定位方法及系统。方法是在配电网上，每隔设定距离标定一个观测点；在每个观测点处的三相线路中分别接入两个数据采集节点和一个数据管理节点，且所有观测点处的数据管理节点接入同一相线路；采集观测点处各相电流，数据管理节点计算观测点处的零序电流；在零序电流超过设定阈值时，数据管理节点计算互相关系数并发送至监控中心站；监控中心站根据两个相邻观测点的数据管理节点发送的互相关系数，判断单相接地故障是否发生并确定单相接地故障点；系统包括数据采集节点、数据管理节和监控中心站。本发明能够快速准确地确定单相接地故障点位置，并能极大地节约系统成本。

Description

基于互相关系数的配电网单相接地故障定位方法及系统

技术领域

本发明属于配电网诊断技术领域，尤其涉及一种基于互相关系数的配电网单相接地故障定位方法及系统。

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，属于小电流接地系统，小电流接地系统的故障绝大多数是单相接地故障，而单相接地故障是最主要的故障类型。一旦发生单相接地故障，传统的人工巡线不仅费时费力，而且需要进行大量拉闸操作，对电网正常运行和安全生产带来很大不便。因此，当故障发生后，应当尽快地确定故障点的位置。定位越准确，故障排除越迅速，越有利于保证电网的安全可靠运行。

目前配电网单相接地故障定位方法主要有注入信号法、阻抗法和行波法。由于配电网发生单相接地故障时，故障信号微弱，难以识别，而且配电网线路分支多，结构复杂，一般多为树形拓扑结构，给故障定位带来了很大困难，定位准确率和定位精度不高。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于互相关系数的配电网单相接地故障定位方法及系统，用于解决现有的配电网单相接地故障定位准确率和精度不高的问题。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种基于互相关系数的配电网单相接地故障定位方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：在配电网上，每隔设定距离标定一个观测点；

步骤2：在每个观测点处，选择三相线路中的任意两相线路各接入一个数据采集节点，三相线路中的另一相线路接入数据管理节点；并且，同一配电网中所有观测点处的数据管理节点接入同一相线路；

步骤3：同一观测点处的两个数据采集节点和一个数据管理节点同步周期性地采集观测点处各相线路的相电流数据；

步骤4：同一观测点处的两个数据采集节点向该观测点处数据管理节点发送采集的相电流数据；

步骤5：数据管理节点根据观测点处各相线路的相电流数据，计算各个采集时刻观测点处的零序电流；

步骤6：数据管理节点判断所处观测点处的零序电流是否超过第一设定阈值，如果超过第一设定阈值，则执行步骤7；否则，返回步骤3；

步骤7：数据管理节点根据零序电流和同一时刻该数据管理节点采集的相电流计算该时刻的互相关系数；

步骤8：数据管理节点将互相关系数发送到监控中心站；

步骤9：监控中心站根据两个相邻观测点的数据管理节点发送的相同时刻的互相关系数，判断单相接地故障是否发生并确定单相接地故障点的位置。

所述步骤7具体包括如下子步骤：

子步骤101：根据公式

计算互相关系数；

其中，

为采集周期内数据管理节点在第i个采集时刻采集的相电流；

I_0,i为采集周期内无线数据管理节点计算的第i个采集时刻的零序电流；

N为采集周期内采集时刻的数量；

为采集周期内数据管理节点在各个采集时刻采集的相电流的均值，即

为采集周期内数据管理节点在各个采集时刻计算的零序电流的均值，即

${\mathrm{\μ}}_{I_0}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{0,i}}{N};$

子步骤102：如果互相关系数r=0，则执行子步骤103；如果互相关系数r≠0，则执行子步骤104；

子步骤103：将同一时刻数据管理节点采集的相电流加相位延时，返回子步骤101；

子步骤104：结束互相关系数计算过程。

所述步骤9具体为当两个相邻观测点的数据管理节点发送的相同时刻的互相关系数中，一个为正数，一个为负数，并且两个相邻观测点的数据管理节点发送的相同时刻的互相关系数之和的绝对值小于第二设定阈值时，则判定线路发生单相接地故障并且单相接地故障点位于两个相邻观测点之间。

一种基于互相关系数的配电网单相接地故障定位系统，其特征是所述系统包括数据采集节点、数据管理节点和监控中心站；

在配电线路每隔设定距离的观测点上，布置两个数据采集节点和一个数据管理节点，两个数据采集节点接入三相线路中的任意两相线路，数据管理节点接入三相线路中的另外一相线路；

在同一配电网中，所有观测点的数据管理节点接入同一相线路；

同一观测点上的两个数据采集节点分别与该观测点上的数据管理节点相连；

每个数据管理节点都与监控中心站相连；

数据采集节点用于采集所处线路的相电流并将采集的相电流发送至位于同一观测点的数据管理节点；

数据管理节点用于采集所处线路的相电流，并根据同一观测点的数据采集节点发送的相电流计算该观测点的零序电流；如果该观测点的零序电流超过第一设定阈值，则数据管理节点还用于根据零序电流和采集的所处线路的相电流计算该观测点的互相关系数，并将所述互相关系数发送至监控中心站；

所述监控中心站用于根据两个相邻观测点的数据管理节点发送的相同时刻的互相关系数，判断单相接地故障是否发生并确定单相接地故障点的位置。

所述数据采集节点包括电流互感器、信号调理单元、A/D采样模块、处理器、无线通信模块和能量供给模块；

所述电流互感器、信号调理单元、A/D采样模块、处理器和无线通信模块顺次相连；

所述能量供给模块分别与信号调理模块、A/D采样模块、处理器和无线通信模块相连；

所述电流互感器接入观测点的一相线路，用于采集该相线路上的瞬时电流数据；

所述信号调理单元用于对采集的瞬时电流数据进行信号调理；

所述A/D采样模块用于对调理后的电流数据进行A/D采样，得到数字电流；

所述处理器用于为数字电流标注时标；

所述无线通信模块用于将标注时标的数字电流发送至数据管理节点；

所述能量供给模块用于为信号调理模块、A/D采样模块、处理器和无线通信模块提供工作能量。

所述数据管理节点包括电流互感器、信号调理单元、A/D采样模块、处理器、无线通信模块、GPRS/GSM模块和能量供给模块；

所述电流互感器、信号调理单元、A/D采样模块、处理器和无线通信模块顺次相连；

所述处理器与GPRS/GSM模块相连；

所述能量供给模块分别与信号调理模块、A/D采样模块、处理器和无线通信模块相连；

所述电流互感器接入观测点的一相线路，用于采集该相线路上的瞬时电流数据；

所述信号调理单元用于对采集的瞬时电流数据进行信号调理；

所述A/D采样模块用于对调理后的电流数据进行A/D采样，得到数字电流；

所述处理器用于为数字电流标注时标，并根据观测点处的三相电流计算零序电流；当零序电流超过第一设定阈值时，所述处理器还用于根据零序电流和采集的该相线路电流计算互相关系数；

所述GPRS/GSM模块用于将互相关系数发送至监控中心站；

所述无线通信模块用于接收同一观测点处的数据采集模块发送的相电流并转发至处理器；

所述能量供给模块用于为信号调理模块、A/D采样模块、处理器和无线通信模块提供工作能量。

本发明能够快速准确地确定单相接地故障点位置，消除实际的故障暂态分量和稳态分量易负荷、变压器非理想特性的影响；并且，本方案不需要各个观测点严格的时间同步，因而不需要GPS模块，还能极大地节约系统成本。

附图说明

图1是基于互相关系数的配电网单相接地故障定位方法流程图；

图2是数据采集节点和数据管理节点在配电线路上的布置结构图；

图3是计算零序电流获取方法示意图；

图4是数据采集节点结构图；

图5是数据管理节点结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是基于互相关系数的配电网单相接地故障定位方法流程图。如图1所示，基于互相关系数的配电网单相接地故障定位方法包括：

步骤1：在配电网上，每隔设定距离标定一个观测点。本实施例中，在配电线路上，每隔500米标定一个观测点。

步骤2：在每个观测点处，选择三相线路中的任意两相线路各接入一个数据采集节点，三相线路中的另一相线路接入数据管理节点。并且，同一配电网中所有观测点处的数据管理节点接入同一相线路。

本实施例不妨设三相线路中A相线路和B相线路各接入一个数据采集节点，在C相线路中，接入一个数据管理节点。在同一配电网中，所有观测点处的数据管理节点都接入C相线路上。

步骤3：同一观测点处的两个数据采集节点和一个数据管理节点同步周期性地采集观测点处各相线路的相电流数据。

数据采集节点和数据管理节点分别周期性地同步地采集所处观测点处接入的线路的相电流。

步骤4：同一观测点处的两个数据采集节点向该观测点处数据管理节点发送采集的相电流数据。

数据采集节点将采集的相电流发送至同一观测点处的数据管理节点，数据管理节点接收同一观测点处的数据采集节点发送的相电流。

步骤5：数据管理节点根据观测点处各相线路的相电流数据，计算各个采集时刻观测点处的零序电流。

如果数据采集节点采集的A相电流为

数据采集节点采集的B相电流为

数据管理节点采集的C相电流为则观测点处的零序电流为

步骤6：数据管理节点判断所处观测点处的零序电流是否超过第一设定阈值，如果超过第一设定阈值，则执行步骤7；否则，返回步骤3。

步骤7：数据管理节点根据零序电流和同一时刻该数据管理节点采集的相电流计算该时刻的互相关系数。该过程包括如下子步骤：

子步骤101：计算互相关系数。

由于本实施例中，数据管理节点采集的相电流是C相电流，因此计算互相关系数采用如下公式：

$r=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(I_{C,i}-{\mathrm{\μ}}_{I_C})(I_{0,i}-{\mathrm{\μ}}_{I_0})}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(I_{C,i}-{\mathrm{\μ}}_{I_C})}^2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(I_{0,i}-{\mathrm{\μ}}_{I_0})}^2}}---\left(1\right)$

公式（1）中，I_C,i为采集周期内数据管理节点在第i个采集时刻采集的C相电流，I_0,i为采集周期内无线数据管理节点计算的第i个采集时刻的零序电流，N为采集周期内采集时刻的数量。为采集周期内数据管理节点在各个采集时刻采集的C相电流的均值，即

为采集周期内数据管理节点在各个采集时刻计算的零序电流的均值，即

子步骤102：如果互相关系数r=0，则执行子步骤103；如果互相关系数r≠0，则执行子步骤104。

子步骤103：将同一时刻数据管理节点采集的C相电流加

相位延时，返回子步骤101。

子步骤104：结束互相关系数计算过程。

步骤8：数据管理节点将互相关系数发送到监控中心站。

步骤9：监控中心站根据两个相邻观测点的数据管理节点发送的相同时刻的互相关系数，判断单相接地故障是否发生并确定单相接地故障点的位置。

如果两个相邻观测点的数据管理节点发送的相同时刻的互相关系数中，一个为正数，一个为负数，并且两个相邻观测点的数据管理节点发送的相同时刻的互相关系数之和的绝对值小于第二设定阈值（本实施例设定为0.1）时，则判定线路发生单相接地故障并且单相接地故障点位于两个相邻观测点之间。

本发明还提供了一种基于互相关系数的配电网单相接地故障定位系统，该系统包括数据采集节点、数据管理节点和监控中心站。

在配电线路每隔设定距离的观测点上，布置两个数据采集节点和一个数据管理节点，两个数据采集节点接入三相线路中的任意两相线路，数据管理节点接入三相线路中的另外一相线路，在同一配电网中所有观测点的数据管理节点接入同一相线路。同一观测点上的两个数据采集节点分别与该观测点上的数据管理节点相连，每个数据管理节点都与监控中心站相连。数据采集节点用于采集所处线路的相电流并将采集的相电流发送至位于同一观测点的数据管理节点。数据管理节点用于采集所处线路的相电流，并根据同一观测点的数据采集节点发送的相电流计算该观测点的零序电流；如果该观测点的零序电流超过第一设定阈值，则数据管理节点还用于根据零序电流和采集的所处线路的相电流计算该观测点的互相关系数，并将所述互相关系数发送至监控中心站。监控中心站用于根据两个相邻观测点的数据管理节点发送的相同时刻的互相关系数，判断单相接地故障是否发生并确定单相接地故障点的位置。

图2是数据采集节点和数据管理节点在配电线路上的布置结构图。如图2所示的三相辐射状配电网中，每隔设定的距离（通常在500m）标定观测点。在每个观测点，A、B相线路上分别接入数据采集节点和C相线路上接入数据管理节点，图2中的空心小圆圈表示安装在电力线路上的数据采集节点，实心小圆圈表示安装在电力线路上的数据管理节点。在每个观测点处，A、B、C三相线路必须同时采集各相电流数据，且接入A、B两相上的数据采集节点必须与C相接入的数据管理节点同时采集瞬时电流数据，A、B线路上的无线数据采集节点将采集的电流数据发送到C相上的数据管理节点，如图3所示。

数据采集节点负责采集每相的电流数据，并发往该观测点处的数据管理节点。数据管理节点的任务不仅采集本相电流数据，而且接收来自其他两相的电流数据，并对其进行汇总处理。在每个观测点，对三相电流值相加可得零序电流值，并计算其互相关值。如果互相关值为零，那么对C相采集的电流加

相位延时，再计算其互相关值。最后，将该互相关值发送给故障监控中心站。数据管理节点计算出所处的观测点的零序电流后，判断所处的观测点的零序电流是否超过第一设定阈值，如果超过第一设定阈值，则数据管理节点将所处的观测点的零序电流发送给故障监控中心站。

数据管理节点通过GPRS/GSM的方式与故障监控中心站相连，监控中心站收集各个观测点的数据管理节点发送来的相电流与零序电流的互相关系数。在中性点非有效接地配电网中，当监控中心站接收的两个相邻观测点的零序电流与相电流的相关系数的极性相反，即两个相邻观测点计算出的互相关系数一个为正数，一个为负数，且二者之和的绝对值小于0.1时，则可以确定单相接地故障一定发生在这两个相邻观测点之间。在监控中心站，根据配电网的拓扑结构，对相邻观测点相关系数进行判断，进而确定故障区域。

数据采集节点如图4所示，其处理器芯片采用Microchip公司的PIC16F887处理器，该数据采集节点由电流互感器采集配电线路上的瞬时电流数据，经过信号调理模块后送给A/D模块进行A/D采样，最后送给处理器芯片进行数据处理。PIC16F887处理器负责控制整个节点的操作，存储和处理本身采集的数据。无线通信模块采用nRF905短距离无线通信芯片，该模块负责节点之间的数据传输。能量供应模块为数据采集节点提供运行所需的能量，采用锂电池与感应取电互补的供电模式。

数据管理节点如图5所示，该节点为在数据采集节点基础之上添加了GPRS/GSM模块，该模块负责数据管理节点与监控中心站之间的无线数据传输功能。另外，数据管理节点的处理器除了为其所采集线路的数字电流标注时标外，还根据观测点处的三相电流计算零序电流；并且，当零序电流超过第一设定阈值时，处理器会根据零序电流和采集的该相线路电流计算互相关系数。而数据管理节点的无线通信模块，则用于接收同一观测点处的数据采集模块发送的相电流并转发至处理器。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于互相关系数的配电网单相接地故障定位方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：在配电网上，每隔设定距离标定一个观测点；

步骤2：在每个观测点处，选择三相线路中的任意两相线路各接入一个数据采集节点，三相线路中的另一相线路接入数据管理节点；并且，同一配电网中所有观测点处的数据管理节点接入同一相线路；

步骤3：同一观测点处的两个数据采集节点和一个数据管理节点同步周期性地采集观测点处各相线路的相电流数据；

步骤4：同一观测点处的两个数据采集节点向该观测点处数据管理节点发送采集的相电流数据；

步骤5：数据管理节点根据观测点处各相线路的相电流数据，计算各个采集时刻观测点处的零序电流；

步骤6：数据管理节点判断所处观测点处的零序电流是否超过第一设定阈值，如果超过第一设定阈值，则执行步骤7；否则，返回步骤3；

步骤7：数据管理节点根据零序电流和同一时刻该数据管理节点采集的相电流计算该时刻的互相关系数；

步骤8：数据管理节点将互相关系数发送到监控中心站；

步骤9：监控中心站根据两个相邻观测点的数据管理节点发送的相同时刻的互相关系数，判断单相接地故障是否发生并确定单相接地故障点的位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤7具体包括如下子步骤：

子步骤101：根据公式

计算互相关系数；

其中，

为采集周期内数据管理节点在第i个采集时刻采集的相电流；

I_0,i为采集周期内无线数据管理节点计算的第i个采集时刻的零序电流；

N为采集周期内采集时刻的数量；

为采集周期内数据管理节点在各个采集时刻采集的相电流的均值，即

为采集周期内数据管理节点在各个采集时刻计算的零序电流的均值，即

${\mathrm{\μ}}_{I_0}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{0,i}}{N};$

子步骤102：如果互相关系数r=0，则执行子步骤103；如果互相关系数r≠0，则执行子步骤104；

子步骤103：将同一时刻数据管理节点采集的相电流加

相位延时，返回子步骤101；

子步骤104：结束互相关系数计算过程。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤9具体为当两个相邻观测点的数据管理节点发送的相同时刻的互相关系数中，一个为正数，一个为负数，并且两个相邻观测点的数据管理节点发送的相同时刻的互相关系数之和的绝对值小于第二设定阈值时，则判定线路发生单相接地故障并且单相接地故障点位于两个相邻观测点之间。

4.一种基于互相关系数的配电网单相接地故障定位系统，其特征是所述系统包括数据采集节点、数据管理节点和监控中心站；

在配电线路每隔设定距离的观测点上，布置两个数据采集节点和一个数据管理节点，两个数据采集节点接入三相线路中的任意两相线路，数据管理节点接入三相线路中的另外一相线路；

在同一配电网中，所有观测点的数据管理节点接入同一相线路；

同一观测点上的两个数据采集节点分别与该观测点上的数据管理节点相连；

每个数据管理节点都与监控中心站相连；

数据采集节点用于采集所处线路的相电流并将采集的相电流发送至位于同一观测点的数据管理节点；

数据管理节点用于采集所处线路的相电流，并根据同一观测点的数据采集节点发送的相电流计算该观测点的零序电流；如果该观测点的零序电流超过第一设定阈值，则数据管理节点还用于根据零序电流和采集的所处线路的相电流计算该观测点的互相关系数，并将所述互相关系数发送至监控中心站；

所述监控中心站用于根据两个相邻观测点的数据管理节点发送的相同时刻的互相关系数，判断单相接地故障是否发生并确定单相接地故障点的位置。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征是所述数据采集节点包括电流互感器、信号调理单元、A/D采样模块、处理器、无线通信模块和能量供给模块；

所述电流互感器、信号调理单元、A/D采样模块、处理器和无线通信模块顺次相连；

所述能量供给模块分别与信号调理模块、A/D采样模块、处理器和无线通信模块相连；

所述电流互感器接入观测点的一相线路，用于采集该相线路上的瞬时电流数据；

所述信号调理单元用于对采集的瞬时电流数据进行信号调理；

所述A/D采样模块用于对调理后的电流数据进行A/D采样，得到数字电流；

所述处理器用于为数字电流标注时标；

所述无线通信模块用于将标注时标的数字电流发送至数据管理节点；

所述能量供给模块用于为信号调理模块、A/D采样模块、处理器和无线通信模块提供工作能量。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征是所述数据管理节点包括电流互感器、信号调理单元、A/D采样模块、处理器、无线通信模块、GPRS/GSM模块和能量供给模块；

所述电流互感器、信号调理单元、A/D采样模块、处理器和无线通信模块顺次相连；

所述处理器与GPRS/GSM模块相连；

所述能量供给模块分别与信号调理模块、A/D采样模块、处理器和无线通信模块相连；

所述电流互感器接入观测点的一相线路，用于采集该相线路上的瞬时电流数据；

所述信号调理单元用于对采集的瞬时电流数据进行信号调理；

所述A/D采样模块用于对调理后的电流数据进行A/D采样，得到数字电流；

所述处理器用于为数字电流标注时标，并根据观测点处的三相电流计算零序电流；当零序电流超过第一设定阈值时，所述处理器还用于根据零序电流和采集的该相线路电流计算互相关系数；

所述GPRS/GSM模块用于将互相关系数发送至监控中心站；

所述无线通信模块用于接收同一观测点处的数据采集模块发送的相电流并转发至处理器；

所述能量供给模块用于为信号调理模块、A/D采样模块、处理器和无线通信模块提供工作能量。

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