CN105629050A - 一种节能型输电线损耗和故障监控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节能型输电线损耗和故障监控装置，通过该系统，可以及时准确的检测输电线的线路损耗增量和故障情况，实现输电线路节能安全运行。

Description

一种节能型输电线损耗和故障监控装置

技术领域

本发明涉一种节能型输电线损耗和故障监控装置。

背景技术

我国目前输电系统，存在着供电半径大、季节性负荷变动大、线路无功损耗大、功率因数低、无功功率不能就地平衡等问题，特别是由于工业生产中大量的非线性、冲击性和波动性负荷的存在给电网带来了日益严重的电能质量问题，严重的影响了电网的电压稳定，威胁输电线和用户设备的正常运行。

三相不平衡作为电能质量中的重点问题之一，也受到了广泛的关注，目前对于由三相不平衡造成的输电线损耗增量的计算方法已有较为成熟的研究，但关于将这些损耗增量在负荷侧进行合理分配的研究还较为匮乏，且存在以下缺陷：

传统不平衡度的定义只考虑了电压，没有考虑电流。虽然电流可以通过电压与阻抗参数求得，但是在不同环境、不同时间、不同运行状况下阻抗参数可能有很大变化，所以只考虑电压的不平衡程度完全无法反应电流不平衡。

此外，随着分布式发电技术的发展，越来越多的分布式电源(DG)接入输电线或构成微网后接入输电线并网运行，这将导致输电线的分支数量进一步增加，网络结构更加复杂，因此会增大故障发生概率。分布式电源的接入使得输电线有传统的辐射型网络变为多端电源网络，不仅网络结构和性质发生了改变，由于DG的存在使得故障发生后电气量变化规律更加复杂，这给输电线的故障检测和隔离带来更大的挑战。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种节能型输电线损耗和故障监控装置，通过该系统，可以及时准确的检测输电线的线路损耗增量和故障情况，实现输电线路节能安全运行。

为了实现上述目的，本发明提供一种节能型输电线损耗和故障监控装置，该装置包括：

信号获取单元、线损计算单元、故障识别单元和故障报警单元，其中：

信号获取单元分别从第一电压采样模块、第一电流采样模块、第二电压采样模块、第二电流采样模块获取相关电压、电流信号，并把相应信号发送给故障识别单元和线损计算单元；

故障识别单元与故障报警单元相连接；

线损计算单元和损耗增量模块分配模块连接。

优选的，所述线损计算单元，计算并分配三相不平衡时的输电线损耗增量，具体计算方式如下：

(1)确定输电线因三相不平衡造成的总损耗增量ΔP；

(2)确定输电线三相不平衡时各负荷的功率不平衡度参数UPR_Li，该各负荷的功率不平衡度参数UPR_Li均按以下功率不平衡度参数UPR公式计算：

式中：S⁺＝3V⁺I⁺，其中V⁺和I⁺分别为负荷所在线路的负荷侧的电压和电流正序部分的有效值，该正序部分可以被测量得到，也可以通过已有公式计算得到，其计算原理同下文提到的正序电流分量I₁；θ⁺为V⁺和I⁺的相角差；该式中有效视在功率S_e＝3V_eI_e，其中V_e为负荷所在线路的负荷侧的等效电压，为线电压等效值，I_e为负荷所在线路的负荷侧的等效电流，为线电流等效值；

(3)根据所述总损耗增量ΔP和各负荷的功率不平衡度参数UPR_Li按照下述公式计算各负荷的损耗增量ΔP_i，其公式为：

N为负荷数量；

(4)按照所述各负荷的损耗增量ΔP_i对输电线三相不平衡时的输电线损耗增量进行分配，即将输电线三相不平衡时的输电线损耗增量按照所述各负荷的损耗增量ΔP_i对应分配给各负荷。

优选的，所述故障识别单元包括：

第一识别子单元，用于提取并识别来自信号获取单元的输电电流信息；

第二识别子单元，用于提取并识别来自信号获取单元的输电电流位置信息；

判断单元，用于判断所获取的所述电流信息是否位于预设数值范围之外，若是，所述信号处理器发出报警指令和所述位置信息至所述故障报警单元，以使所述故障报警单元，将所述位置信息发送给故障报警模块，以显示对应的支路发生故障。

优选的，所述判断子单元包括：滤波器，用于通过预设的带通滤波器对所获取的所述电流信息滤波，得到位于所述带通滤波器的高端截止频率和低端截止频率之间的剩余的电流信息；第一计算子器，用于对所述的剩余的电流信息作傅里叶变化，获取所述的剩余的电流信息的频率响应；第二计算器，用于获取所述的剩余的电流信息的频率响应的均值；逻辑运算器，用于判断所述均值是否大于预设数值。

优选的，所述信号获取单元通过无线网络获取经所述各种电压信息、电流信息和位置信息。

本发明提供的一种节能型输电线损耗和故障监控装置具有如下优点：（1）可以基于实时获取的输电线的多个节点的电压电流信息，实时分析判断输电线当前的线路损耗状态以及故障情况。（2）可以实时报警显示故障的位置，并且可以在三性不平衡运行状态下，合理分配线损增量，使得输电线节能安全的运行。

附图说明

图1示出了一种具有本发明的输电线损耗和故障监控装置的输电线节能安全运行系统的框图；

图2示出本发明的了一种节能型输电线损耗和故障检测方法。

具体实施方式

图1示出了一种输电线节能安全运行系统，该系统包括：

第一电压采样模块1，用于实时采集输电线10的多点的电压信息和位置信息，包括输电线10的首末端电压信息和位置信息；

第一电流采样模块2，用于实时采集输电线10的多点的电压信息和位置信息，包括输电线10的首末端电流信息和位置信息；

第二电压采集模块6，用于实时采集发电设备8的电压信息和位置信息；

第二电流采集模块7，用于实时采集发电设备8的电流信息和位置信息；

发电设备8，用于向输电线提供有功和无功功率；

变压器9，用于调节发电设备向输电线10输出的电压；

损耗增量分配模块5，用于将输电线的三相不平衡线路损耗增量进行分配，以保持输电线路的平衡运行；

故障报警显示模块4，用于显示输电线路故障报警信息；

输电线损耗和故障监控装置3，包括：信号获取单元31、线损计算单元32、故障识别单元33和故障报警单元34，其中：

信号获取单元31分别从第一电压采样模块1、第一电流采样模块2、第二电压采样模块6、第二电流采样模块7获取相关电压、电流信号，并把相应信号发送给故障识别单元33和线损计算单元32；

故障识别单元33与故障报警单元34相连接；

线损计算单元32和损耗增量模块分配模块4连接。

优选的，所述线损计算单元，计算并分配三相不平衡时的输电线损耗增量，具体计算方式如下：

(1)确定输电线因三相不平衡造成的总损耗增量ΔP；

(2)确定输电线三相不平衡时各负荷的功率不平衡度参数UPR_Li，该各负荷的功率不平衡度参数UPR_Li均按以下功率不平衡度参数UPR公式计算：

式中：S⁺＝3V⁺I⁺，其中V⁺和I⁺分别为负荷所在线路的负荷侧的电压和电流正序部分的有效值，该正序部分可以被测量得到，也可以通过已有公式计算得到，其计算原理同下文提到的正序电流分量I₁；θ⁺为V⁺和I⁺的相角差；该式中有效视在功率S_e＝3V_eI_e，其中V_e为负荷所在线路的负荷侧的等效电压，为线电压等效值，I_e为负荷所在线路的负荷侧的等效电流，为线电流等效值；

(3)根据所述总损耗增量ΔP和各负荷的功率不平衡度参数UPR_Li按照下述公式计算各负荷的损耗增量ΔP_i，其公式为：

N为负荷数量；

(4)按照所述各负荷的损耗增量ΔP_i对输电线三相不平衡时的输电线损耗增量进行分配，即将输电线三相不平衡时的输电线损耗增量按照所述各负荷的损耗增量ΔP_i对应分配给各负荷。

优选的，所述故障识别单元33包括：

第一识别子单元，用于提取并识别来自信号获取单元的输电电流信息；

第二识别子单元，用于提取并识别来自信号获取单元的输电电流位置信息；

判断单元，用于判断所获取的所述电流信息是否位于预设数值范围之外，若是，所述信号处理器发出报警指令和所述位置信息至所述故障报警单元，以使所述故障报警单元，将所述位置信息发送给故障报警模块，以显示对应的支路发生故障。

优选的，所述判断子单元包括：滤波器，用于通过预设的带通滤波器对所获取的所述电流信息滤波，得到位于所述带通滤波器的高端截止频率和低端截止频率之间的剩余的电流信息；第一计算子器，用于对所述的剩余的电流信息作傅里叶变化，获取所述的剩余的电流信息的频率响应；第二计算器，用于获取所述的剩余的电流信息的频率响应的均值；逻辑运算器，用于判断所述均值是否大于预设数值。

优选的，所述信号获取单元通过无线网络获取经所述各种电压信息、电流信息和位置信息。

附图2示出了本发明的一种节能型输电线损耗和故障检测方法，该方法具体步骤如下：

S1.实时收集输电线的监测点的电压、电流信息和位置信息，并将采集到的电压、电流信息和位置信息传输到控制模块的信号采集单元；

S2.信号获取单元接收、存储并向线损计算单元和故障识别单元发送上述信息；

S3.线损计算单元根据上述来自信号获取单元的电流和电压信息进行线路损耗计算；

S4.故障识别单元根据当前各监测点的电流信息进行故障识别，如发现故障，则将故障发送给故障报警单元。

优选的，在步骤S3中采用如下方式计算线损：

S31.确定输电线因三相不平衡造成的总损耗增量ΔP；

S32.确定输电线三相不平衡时各负荷的功率不平衡度参数UPR_Li，该各负荷的功率不平衡度参数UPR_Li均按以下功率不平衡度参数UPR公式计算：

式中：S⁺＝3V⁺I⁺，其中V⁺和I⁺分别为负荷所在线路的负荷侧的电压和电流正序部分的有效值，该正序部分可以被测量得到，也可以通过已有公式计算得到，其计算原理同下文提到的正序电流分量I₁；θ⁺为V⁺和I⁺的相角差；该式中有效视在功率S_e＝3V_eI_e，其中V_e为负荷所在线路的负荷侧的等效电压，为线电压等效值，I_e为负荷所在线路的负荷侧的等效电流，为线电流等效值；

S33.根据所述总损耗增量ΔP和各负荷的功率不平衡度参数UPR_Li按照下述公式计算各负荷的损耗增量ΔP_i，其公式为：

N为负荷数量；

S34.按照所述各负荷的损耗增量ΔP_i对输电线三相不平衡时的输电线损耗增量进行分配，即将输电线三相不平衡时的输电线损耗增量按照所述各负荷的损耗增量ΔP_i对应分配给各负荷。

优选的，在所述步骤S31中，因三相不平衡造成的总损耗增量ΔP的计算公式为：ΔP＝ΔP_L+ΔP_fj+ΔP_Fe，其中：ΔP_L为输电线因三相不平衡造成的线路损耗增量，其计算公式为：ΔP_L＝P_L ^*-P_L，其中为三相不平衡时产生的线路损耗，P_L为三相平衡时产生的线路损耗；ΔP_fj为输电线因三相不平衡造成的变压器附加铜耗；ΔP_Fe为输电线因三相不平衡造成的变压器附加铁耗。

优选的，在步骤S3之前，先进一步地获取和计算输电线三相不平衡时的输电线运行数据，包括：

获取输电线路中的三相电流I_abc＝[I_aI_bI_c]^T及输电线路始、末端的三相电压V_abc＝[V_a0V_b0V_c0]^T和V_a'_bc＝[V_a'V_b'V_c']^T，其中I_a,I_b,I_c分别为输电线路A，B，C相的电流实际值(实际值指包括幅值和相角的值)，V_a0,V_b0,V_c0分别为输电线路A，B，C相的首端电压实际值，V_a',V_b',V_c'分别为输电线路A，B，C相的末端电压实际值；

通过公式ΔV_abc＝V_abc-V_a'_bc＝Z_abcI_abc计算线路的串联阻抗矩阵

若为未换相线路，通过变换矩阵其中α＝cos120°+i·sin120^°，i为虚数单位，及公式和计算得到I₀₁₂＝[I₀I₁I₂]^T和其中I₀、I₁、I₂分别为电流I_abc的零序、正序以及负序分量实际值；I₀、I₁、I₂也可通过测量得到；

若为完全换相线路，令Z_aa＝Z_bb＝Z_cc＝Z_s，Z_ab＝Z_bc＝Z_ca＝Z_m，则零序阻抗分量为Z₀₀＝Z_s+2Z_m＝Z₀，正序阻抗分量为Z₁₁＝Z_s-Z_m＝Z₁，负序阻抗分量为Z₂₂＝Z_s-Z_m＝Z₂，Z₀₁＝Z₀₂＝Z₁₂＝Z₂₁＝0；

所述输电线路中的三相电流I_abc＝[I_aI_bI_c]^T及输电线路始、末端的三相电压V_abc＝[V_a0V_b0V_c0]^T和V_a'_bc＝[V_a'V_b'V_c']^T也可以通过测量电流、电压的各序分量值，再通过相应的反向换算得到；

计算所述负序电流分量I₂的不平衡复系数以及所述零序电流分量I₀的不平衡复系数其中，m₀、m₂分别为零序电流分量I₀和负序电流分量I₂的复不平衡系数，δ₀、δ₁、δ₂分别为零序、正序、负序电流分量的相角部分，β₀、β₂为不平衡复系数的相角部分；

从变压器铭牌读取变压器的短路损耗参数P_d和空载损耗参数P₀，以及变压器一次侧额定电流I_N和变压器一次侧额定电压U_N；获取运行时变压器一次侧A、B、C相的电流实际值I_A,I_B,I_C并换算得到其有效值变压器二次侧A、B、C相的电流实际值I'_A,I'_B,I'_C并换算得到其有效值以及变压器一次侧机端电压实际值U_A,U_B,U_C并换算得到其有效值

获取I_aL、I_bL、I_cL和I_nL，其分别为负荷所在线路的负荷侧的A相、B相、C相和中性线中的电流有效值，其中I_nL可直接测量得到，也可通过本领域公知公式求得；

获取负荷所在线路的负荷侧的A相、B相、C相电压有效值V_a、V_b、V_c及其对应线电压有效值V_ab、V_bc、V_ca，计算其中R_Y为星形连接的负载电阻，R_Δ为三角形连接的负载电阻，R_Y和R_Δ根据实际负荷计算得到，算法为本领域公知技术。

优选的，在步骤S4中，采用如下方法识别线路故障：

获取各监测点电流信息；

获取各监测点的位置信息；

判断获取的电流信息是否位于预设数值范围之外，所述信号处理器设定一个数值范围，数值范围之内的电流值表示输电线处于正常工作状态，当采集的电流信息的数值位于所述数值范围之外时，表示输电线的支路发生了故障，有可能短路或者断路。

例如，记录每次采集的电流信息的数值大小，判断电流是否在变小或变大，并当电流信息持续变小或变大的时间超过预设时间时，判断电网支路发生故障。

再例如，所述记录每次采集的电流信息的数值大小，判断电流是否位于预设数值范围之外，且在范围之外的时间是否超过预设时间，如果是，判断电网支路发生故障，如果未超过预设时间，则不判定为电路支路发生故障，有效避免短时间内电流的变化而造成信号处理器误判定为故障发生。

再例如，在发生电路短路接地时，会产生较多的多次谐波分量，例如5次谐波或7次谐波，因此，可以通过检测电流信息中是否有谐波分量来检测电路是否短路，检测方式可以采用如下：预设的带通滤波器对所获取的所述电流信息滤波，得到位于所述带通滤波器的高端截止频率和低端截止频率之间的剩余的电流信息。

当存在多次谐波时，谐波一般位于450Hz到1400Hz的频率之间，而没有谐波时，电流频率一般为工频，即50Hz，因此通过一个带通滤波器将电流信号中的450Hz到1400Hz之间的信号提取出来。而所述带通滤波器可以是一个数字带通滤波器，例如通带边缘频率为450Hz和1400Hz的巴特沃什滤波器，当然也可以是一个模拟带通滤波器。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种节能型输电线损耗和故障监控装置，该装置包括：

信号获取单元、线损计算单元、故障识别单元和故障报警单元，其中：

信号获取单元分别从第一电压采样模块、第一电流采样模块、第二电压采样模块、第二电流采样模块获取相关电压、电流信号，并把相应信号发送给故障识别单元和线损计算单元；

故障识别单元与故障报警单元相连接；

线损计算单元和损耗增量模块分配模块连接。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述线损计算单元，计算并分配三相不平衡时的输电线损耗增量，具体计算方式如下：

(1)确定输电线因三相不平衡造成的总损耗增量ΔP；

(2)确定输电线三相不平衡时各负荷的功率不平衡度参数UPR_Li，该各负荷的功率不平衡度参数UPR_Li均按以下功率不平衡度参数UPR公式计算：

式中：S⁺＝3V⁺I⁺，其中V⁺和I⁺分别为负荷所在线路的负荷侧的电压和电流正序部分的有效值，该正序部分可以被测量得到，也可以通过已有公式计算得到，其计算原理同下文提到的正序电流分量I₁；θ⁺为V⁺和I⁺的相角差；该式中有效视在功率S_e＝3V_eI_e，其中V_e为负荷所在线路的负荷侧的等效电压，为线电压等效值，I_e为负荷所在线路的负荷侧的等效电流，为线电流等效值；

(3)根据所述总损耗增量ΔP和各负荷的功率不平衡度参数UPR_Li按照下述公式计算各负荷的损耗增量ΔP_i，其公式为：

N为负荷数量；

(4)按照所述各负荷的损耗增量ΔP_i对输电线三相不平衡时的输电线损耗增量进行分配，即将输电线三相不平衡时的输电线损耗增量按照所述各负荷的损耗增量ΔP_i对应分配给各负荷。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述故障识别单元包括：

第一识别子单元，用于提取并识别来自信号获取单元的输电电流信息；

第二识别子单元，用于提取并识别来自信号获取单元的输电电流位置信息；

判断单元，用于判断所获取的所述电流信息是否位于预设数值范围之外，若是，所述信号处理器发出报警指令和所述位置信息至所述故障报警单元，以使所述故障报警单元，将所述位置信息发送给故障报警模块，以显示对应的支路发生故障。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述判断子单元包括：滤波器，用于通过预设的带通滤波器对所获取的所述电流信息滤波，得到位于所述带通滤波器的高端截止频率和低端截止频率之间的剩余的电流信息；第一计算子器，用于对所述的剩余的电流信息作傅里叶变化，获取所述的剩余的电流信息的频率响应；第二计算器，用于获取所述的剩余的电流信息的频率响应的均值；逻辑运算器，用于判断所述均值是否大于预设数值。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号获取单元通过无线网络获取经所述各种电压信息、电流信息和位置信息。