CN104977508B

CN104977508B - 配电网故障检测与定位决策系统

Info

Publication number: CN104977508B
Application number: CN201510415924.2A
Authority: CN
Inventors: 朱自伟; 崔志铭; 李高林; 廖小明; 杨长亮
Original assignee: Nanchang University
Current assignee: Nanchang University
Priority date: 2015-07-15
Filing date: 2015-07-15
Publication date: 2018-09-18
Anticipated expiration: 2035-07-15
Also published as: CN104977508A

Abstract

本发明属于电力电网监测领域，尤其涉及一种配电网故障检测与定位决策系统。包括电子式互感器、数据采集与合并模块、Zigbee通信模块以及上位机S3C6410，所述电子式互感器与所述数据采集与合并模块信号通信，所述数据采集与合并模块与所述上位机S3C6410信号通信，所述上位机S3C6410与所述Zigbee通信模块连接，所述Zigbee通信模块与控制终端连接。利用单片机及采样调理电路实现对各电网状态的判定，通过485总线将结果传输给S3c6410芯片，同时采集环境温度及实时画面，大大的缩减了工作量，并提高了系统的可靠性。具有测量精度高，硬件电路简单，操作简单的特点。

Description

配电网故障检测与定位决策系统

技术领域

本发明属于电力电网监测领域，尤其涉及一种配电网故障检测与定位决策系统。

背景技术

目前我国配电网中，随着电缆应用成本的下降和城网、农网改造工作的展开，电力电缆越来越多地应用在配电系统中，出现了架空线与电缆混合的线路模式，因此原来许多针对均匀传输线的测距方法正而临极大的挑战；中性点采用不接地或经消弧线圈接地的模式，在发生单相故障后允许运行1-2h，因此很多国外的测距技术不能直接应用到我国的配电网中；配电网分支多，己经不再是高压系统中“两点一线”的简单结构，故障定位十分复杂；环网和辐射结构模式，一般是开环运行，多为单电源方式；由于配电网直接而向用户，特别是农村配电网各线路末端只连接降压变压器，一般只有供电端变电站具备测量、计算的条件；配电网中单相接地故障是配电网的主要故障，占线路总故障的70％-80％，对配电网的安全、可靠运行有重要影响，传统的测距算法大部分均是针对此种故障展开的；配电线路较短，对故障测距精度的要求较高。

世界各国以及各地区配电网中性点接地方式都不尽相同，主要是根据自己的运行经验和传统做法来确定的。美国中压电网以大电流接地方式为主，在22-70kV电网中，中性点直接接地方式占72％。英国电网采用中性点经小电阻接地方式，而对33kV以下由架空线路组成的配电网，中性点逐步由直接接地改为消弧线圈接地；电缆组成的配电网，仍采用中性点经小电阻接地方式。日本东京电力公司66kV配电网采用中性点经电阻接地或消弧线圈接地；6.6kV电网采用不接地方式。法国电力公司(EDF)在1990年前后开始对中压电网中性点接地方式进行改造，将运行了30多年的大电流接地方式全部改为谐振接地方式。芬兰全国10kV,20kV中压电网都采用小电流接地方式，中性点不接地方式和中性点经消弧线圈接地方式各占80％和20％。德国、前苏联等国家也多采用消弧线圈接地或不接地方式。我国6kV-66kV配电网多数为小电流接地方式，其中66kV和35kV电网主要采用中性点经消弧线圈接地方式；6kV-10kV电网部分采用中性点不接地方式，部分采用中性点经消弧线圈接地方式。个别地区如上海以及北京、广州等地部分城市电网采用小电阻接地方式。就小电流接地方式的优越性和世界各国所来用的中性点接地方式以及发展趋势来看，中性点采用小电流接地方式仍是一种典型的、有竞争力的接地方式，不会被大电流接地方式取代。在中国，至少在较长的一段时间内，小电流接地方式仍将占主要地位。因为小电流接地系统使配电网结构复杂，故障选线成为一个公认的难题，因此在这一领域大力开展研究工作具有重要而深远的意义。

小电流接地系统的故障绝大多数是单相对地短路故障。小电流接地系统在发生单相接地故障时，由于大地与中性点之间没有直接的电器连接或串接了电抗器，因此短路电流很小，保护装置不需要立刻动作跳闸，从而提高了系统运行的可靠性。尤其在瞬时故障条件下，短路点可以自行灭弧、恢复绝缘，不需要运行人员采取什么措施，这对于减少用户短时停电次数具有积极的意义。但是，小电流接地系统在发生单相接地故障时，非故障相对地电压升高，在发生间歇性弧光接地时，能够引起弧光过电压，系统绝缘受到威胁，容易扩大为相间短路。因此应尽快找到故障线路，尽快排除故障。为了确定故障线路，传统的方法是通过检测母线上零序电压的数值来判断是否发生单相接地故障，若发生接地故障，则采用人工逐条线路拉闸的方法判断哪条线路出现故障。当故障线路被断开时，接地故障指示消失，这样就可以确定故障线路。人工拉路的选线方法使正常线路也会瞬间停电；若自动重合闸动作不成功，停电时间将延长；拉路还会对电网形成冲击，容易产生操作过电压和谐振过电压，可能引起断路器或PT损坏；对于无人值班变电站，需远方遥控操作，更增加了事故的危险性和设备的负担。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述技术的不足，而提供一种配电网故障检测与定位决策系统，以克服现有技术中由于配电网的复杂性和多变性，导致在配电网运行发生故障时，很难准确、及时地定位到具体的故障源，从而导致故障抢修不及时，停电时间过长造成不可预知的损失的现有技术问题。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种配电网故障检测与定位决策系统，其特征在于，包括电子式互感器、数据采集与合并模块、Zigbee通信模块以及上位机S3C6410，所述电子式互感器与所述数据采集与合并模块信号通信，所述数据采集与合并模块与所述上位机S3C6410信号通信，所述上位机S3C6410与所述Zigbee通信模块连接，所述Zigbee通信模块与控制终端连接；所述数据采集与合并模块由依次连接的电压转换电路、采集调理电路以及单片机构成，所述电压转换电路与所述电子式互感器信号通信，所述单片机通过485总线与所述上位机S3C6410连接；所述电压转换电路由变压器A64C2T1以及电阻R11-R14构成，所述电阻R11和电阻R12接变压器A64C2T1的输入端，电阻R13和电阻R14接变压器A64C2T1的输出端；所述单片机还连接有温度传感器。

优选地，所述温度传感器采用PT100调理电路，通过ADC08009转换芯片与所述单片机连接。

优选地，所述上位机S3C6410还连接有USB摄像头。

有益效果:利用单片机及采样调理电路实现对各电网状态的判定，通过485总线将结果传输给S3c6410芯片，同时采集环境温度及实时画面，S3c6410结合DM9000A芯片实现了TCP/IP协议栈，相比8位的MCU，大大的缩减了工作量，并提高了系统的可靠性。具有测量精度高，硬件电路简单，操作简单的特点。与传统的电磁式互感器相比，电子式互感器具有以下一系列优点：1)优良的绝缘性能，造价低。在电子式互感器中，高压侧与地电位侧之间的信号传输采用绝缘材料制造的石英光纤，因此，绝缘结构简单，造价低。2)不含铁心，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。电磁感应式互感器由于使用了铁心，不可避免地存在磁饱和、铁磁共振和磁滞效应等问题，而电子式电流互感器不存在这方而的问题。3)抗电磁干扰性能好，低压边无开路高压的危险。电磁感应式电流互感器的低压边开路时，会产生高压的危险。由于电子式电流互感器的高压边与低压边之间只存在光纤联系，而光纤具有良好的绝缘性能，不存在低压边开路而产生高压的危险，而且免除了电磁干扰。4)动态范围大，测量精度高。电网正常运行时，电流互感器流过的电流并不大，但短路电流一般很大，而且随着电网容量的增加，短路故障时短路电流越来越大。电磁感应式电流互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量，同时满足高精度计量和继电保护的需要。电子式电流互感器有很宽的动态范围，额定电流可测到几安培至几千安培，短时大电流可达几万安培。5)频率响应范围宽。电子式互感器的频率响应可达到1MHz。电子式互感器已被证明可以测出高压电力线上的谐波，还可进行暂态电压/电流、高频电压/电流与直流电压/电流的测量。6)没有因充油而产生的易燃、易爆炸等危险。电磁感应式互感器一般采用充油或充气的办法来解决绝缘问题，这样不可避免地存在易燃踢爆炸等危险；而电子式电流互感器绝缘结构简单，可以不采用油或气体绝缘。7)体积小、质量轻。电子式互感器的质量比电磁式互感器的质量小得多。如220kV的电子式电流互感器质量约为100kg,而同样电压等级的电磁式电流互感器的质量约为1000kg。这给运输与安装带来了很大方便。8、适应了电力计量与保护数字化、微机化和自动化发展的潮流。现代的电子式电流/电压互感器的输出均有数字量及模拟量。输出的数字接口的物理层和链接层符合国际电工委员会的遥控设备和系统IEC60870标准以及变电站的通信和系统IEC61850标准。这与今后电力系统中数字化的继电保护、通信及计量是兼容的。

附图说明

图1是本发明的组成框图；

图2是本发明的原理图

图3是本发明中采样调理电路的原理图；

图4是本发明中电压转换电路的原理图

图5是本发明中温度采样电路的原理图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。如图1所示，一种配电网故障检测与定位决策系统，包括电子式互感器、数据采集与合并模块、Zigbee通信模块以及上位机S3C6410，所述电子式互感器与所述数据采集与合并模块信号通信，所述数据采集与合并模块与所述上位机S3C6410信号通信，所述上位机S3C6410与所述Zigbee通信模块连接，所述Zigbee通信模块与控制终端连接。监测各路电网的状态(正常、过压、欠压)以及环境的温度，连同实时画面上传到Internet网络，用户在获得登陆权限后，就可以远程观测配电柜的各项参数，电网监控系统总体结构框图如图1(注：U1a，U1b，U1c分别为电网U1的a，b，c三相电压，电网U2同U1类似)。

电网的各相电经过电压转换电路、采样调理电路后，得到各相电的状态信息量，单片机通过对各状态信息量的接收与逻辑判断过程后，将最终的电网状态连同环境温度信息通过485总线一并传给上位机S3c6410，上述电路构成一个节点，通过给上位机搭配另外的节点后，可实现对电网节点网络的监测。上位机S3c6410搭载USB摄像头，可实现对上位机附近外界环境实时画面的捕捉，搭载温度传感器后，实现对上位机环境温度的监测，通过Zigbee通信模块最终远程用户通过浏览器实现对各电网状态及环境各参数的监测。

所述数据采集与合并模块由依次连接的电压转换电路、采集调理电路以及单片机构成，所述电压转换电路与所述电子式互感器信号通信，所述单片机通过485总线与所述上位机S3C6410连接。电网的220VAC电压经过变压器和分压电阻后，通过调节可变电阻，可以最大限度的减小电阻误差或者变压器漏磁等情况带来的偏差，最终在a1端输出10VAC左右的电压，采样电路接收电压转换电路输出的10V交流电，经两级滤波后，交流电的幅度将变得很平滑，近似直流电，再经分压过程，输入到运算比较器的负极，通过设定电路中各分压电阻以及基准电压的值，当出现过压或者欠压情况时，原酸比较器的输出端将由高电平转为低电平。

所述电压转换电路由变压器A64C2T1以及电阻R11-R14构成，所述电阻R11和电阻R12接变压器A64C2T1的输入端，电阻R13和电阻R14接变压器A64C2T1的输出端。本专利中省略了大部分电路采用到的A/D采样部分，原因是对于50Hz频率交流电压电流进行采样，需要较高采样频率(几兆到十几兆赫兹)，通过对此查阅相关资料后得出，DSP以高速的数据能力显得很是优越，但是DSP芯片及其外围电路的成本相比单片机要高很多，综合考虑后，省略了A/D转换部分。之所以不采用将调理过的信号直接接入到ARM芯片上，是为了尽量多的节省ARM芯片上资源。对于三相电网的每一相状态都需要51单片机对应的2个I/O完成，总工需要6个I/O，如果配电柜内存在多个三相电网需要检测，经调理后直接接入ARM芯片，将会占去很多额外的资源，而且不利于长距离的数据传输。

所述单片机还连接有温度传感器。温度采集传感器采用PT100，铂热电阻，阻值随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0℃时阻值为100Ω，在100℃时它的阻值约为138.5Ω。当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100Ω，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。但他们之间的关系并不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线。常见的PT100感温元件有陶瓷元件，玻璃元件，云母元件，它们由铂丝分别绕在陶瓷骨架，玻璃骨架，云母骨架上再经过复杂的工艺加工而成。通过对PT100两端电压的采集，经AD0809转换芯片后，接入单片机，最终实现对节点环境温度的采集。

所述温度传感器采用PT100调理电路，通过ADC08009转换芯片与所述单片机连接。

所述上位机S3C6410还连接有USB摄像头。

485总线是典型的串行通讯标准，1.RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(2～6)V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(2～6)V表示。RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。RS485接口组成的半双工网络一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。最大传输距离标准值为4000英尺(约1219m)，实际上可达3000米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。

USB接口分为主/从2种模式，USB主模式可连接U盘、打印机等USB接口设备，USB从模式接口可实现系统和上位机的通信，本文主要利用USB接口实现由摄像头到ARM芯片的通信。

利用单片机及采样调理电路实现对各电网状态的判定，通过485总线将结果传输给S3c6410芯片，同时采集环境温度及实时画面，S3c6410结合DM9000A芯片实现了TCP/IP协议栈，相比8位的MCU，大大的缩减了工作量，并提高了系统的可靠性。具有测量精度高，硬件电路简单，操作简单的特点。与传统的电磁式互感器相比，电子式互感器具有以下一系列优点：1)优良的绝缘性能，造价低。在电子式互感器中，高压侧与地电位侧之间的信号传输采用绝缘材料制造的石英光纤，因此，绝缘结构简单，造价低。2)不含铁心，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。电磁感应式互感器由于使用了铁心，不可避免地存在磁饱和、铁磁共振和磁滞效应等问题，而电子式电流互感器不存在这方而的问题。3)抗电磁干扰性能好，低压边无开路高压的危险。电磁感应式电流互感器的低压边开路时，会产生高压的危险。由于电子式电流互感器的高压边与低压边之间只存在光纤联系，而光纤具有良好的绝缘性能，不存在低压边开路而产生高压的危险，而且免除了电磁干扰。4)动态范围大，测量精度高。电网正常运行时，电流互感器流过的电流并不大，但短路电流一般很大，而且随着电网容量的增加，短路故障时短路电流越来越大。电磁感应式电流互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量，同时满足高精度计量和继电保护的需要。电子式电流互感器有很宽的动态范围，额定电流可测到几安培至几千安培，短时大电流可达几万安培。5)频率响应范围宽。电子式互感器的频率响应可达到1MHz。电子式互感器已被证明可以测出高压电力线上的谐波，还可进行暂态电压/电流、高频电压/电流与直流电压/电流的测量。6)没有因充油而产生的易燃、易爆炸等危险。电磁感应式互感器一般采用充油或充气的办法来解决绝缘问题，这样不可避免地存在易燃踢爆炸等危险；而电子式电流互感器绝缘结构简单，可以不采用油或气体绝缘。7)体积小、质量轻。电子式互感器的质量比电磁式互感器的质量小得多。如220kV的电子式电流互感器质量约为100kg,而同样电压等级的电磁式电流互感器的质量约为1000kg。这给运输与安装带来了很大方便。8、适应了电力计量与保护数字化、微机化和自动化发展的潮流。现代的电子式电流/电压互感器的输出均有数字量及模拟量。输出的数字接口的物理层和链接层符合国际电工委员会的遥控设备和系统IEC60870标准以及变电站的通信和系统IEC61850标准。这与今后电力系统中数字化的继电保护、通信及计量是兼容的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种配电网故障检测与定位决策系统，其特征在于：包括电子式互感器、数据采集与合并模块、Zigbee通信模块以及上位机S3C6410，所述电子式互感器与所述数据采集与合并模块信号通信，所述数据采集与合并模块与所述上位机S3C6410信号通信，所述上位机S3C6410与所述Zigbee通信模块连接，所述Zigbee通信模块与控制终端连接；所述数据采集与合并模块由依次连接的电压转换电路、采集调理电路以及单片机构成，所述电压转换电路与所述电子式互感器信号通信，所述单片机通过485总线与所述上位机S3C6410连接；所述电压转换电路由变压器A64C2T1以及电阻R11-R14构成，所述电阻R11和电阻R12接变压器A64C2T1的输入端，电阻R13和电阻R14接变压器A64C2T1的输出端；所述单片机还连接有温度传感器。

2.根据权利要求1所述的配电网故障检测与定位决策系统，其特征在于：所述温度传感器采用PT100调理电路，通过ADC08009转换芯片与所述单片机连接。

3.根据权利要求2所述的配电网故障检测与定位决策系统，其特征在于：所述上位机S3C6410还连接有USB摄像头。