CN106546858A - 一种基于暂态分量的配电网故障类型的检测方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于暂态分量的配电网故障类型的检测方法和装置，包括零序电流互感器、前端触发装置、智能采集装置和远程控制终端；检测方法为：(1)通过建模与仿真建立配电网故障类型数据库；(2)通过零序电流互感器采集待测配电线路上的零序电流；(3)当零序电流超过设定的固定电流阈值时，前端触发装置对智能采集装置进行触发；(4)智能采集装置采集五个周波的零序电流值，并将采集数据传输至远程控制终端；(5)远程控制终端分析配电线路零序电流暂态特性，识别配电网故障类型并预报警；本发明结构简单、设计巧妙，实现了在线监测配电网的运行状态，并对其故障类型进行快速准确地识别，为配电网故障诊断和状态监测提供了有效的参考。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统中在线检测技术领域，尤其是一种基于暂态分量的配电网故障类型的检测方法和装置。
背景技术
当前，在我国110kV以下电力系统中，电力系统的中性点多采用不接地或经消弧线圈接地的方式，简称为小电流接地系统。在小电流接地系统中，发生单相接地故障时，故障相电压降为零，非故障相电压升高为相电压的倍，但三相之间的线电压仍然保持对称，故障电流仅为系统对地电容电流，数值往往较负荷电流小得多，对供电负荷没有影响，因此规程允许继续运行1～2h。但实际运行中，接地故障引起的弧光过电压可能会引起电力电缆爆炸、TV保险熔断甚至烧坏、母线短路等事故，因此，迅速确定接地点、消除单相接地故障对系统的安全运行有着十分重要的意义。
传统的寻找接地故障线路的方法是：依次逐条断开每回出线的断路器，故障线路被断开后，系统电压恢复且接地信号消失，否则继续寻找。虽然这种寻找方法大多可通过重合闸来进行补救，但对一些供电要求很高的用电客户来说，这种方法的弊病是显而易见的，尤其是对那些负荷较重的线路，这种方法已不满足安全稳定供电的要求。因此，是否能够采用基于暂态分量的配网故障类型检测方法和对应的装置来对配电网络中出现的故障存在与否进行检测对故障的类型进行判断并提出预警用于快速高效的清除故障、恢复供电，对于保证电网经济稳定运行十分重要，且对智能电网的发展具有重要价值和意义。
发明内容
本发明的目的就是要解决当前传统的方法无法对配电网的故障类型作出准确而快速地判断的问题，为此提供一种基于暂态分量的配电网故障类型的检测方法和装置。
本发明的具体方案是：一种基于暂态分量的配电网故障类型的检测方法，其特征是：包括依次构成通讯连接的零序电流互感器、前端触发装置、智能采集装置和远程控制终端；所述检测方法包括以下步骤：
(1)在远程控制终端，根据配电网中架空线路和电缆线路以及由架空线路和电缆线路组成的混合线路的不同，根据单线图建立对应的仿真模型，将仿真结果作为配电网故障类型判断的依据库；
(2)通过零序电流互感器以耦合方式接收所检测的配电线路上的零序电流，并记录所述配电线路在非故障情况下零序电流i；
(3)智能采集装置采用固定电流阈值进行触发，当智能采集装置检测到所检测的配电线路上的零序电流高于固定电流阈值时，则前端触发装置触发智能采集装置对所检测的配电线路上的零序电流进行采集；
(4)智能采集装置触发后，采集五个周波的零序电流值，并将采集数据传输至远程控制终端；
(5)远程控制终端分析所检测的配电线路的零序电流暂态特性，对实时采集到的零序电流值作取窗处理并计算有效值，对比暂态下零序电流的有效值大小，对所检测的配电线路的故障类型进行识别，并对故障进行预警提示。
本发明中所述远程控制终端对采集到的零序电流值作取窗处理和对所检测的配电线路的故障类型进行识别如下：截取五个周波的零序电流中的第一个、二个周波零序电流和最后一个周波零序电流，分别计算其有效值i1、i2和i3；若第一个周波零序电流值i1/i>10，则判定为配网故障，否则为非故障情况；若i1/i>10且i1>i2且i1/i3>10，则判定为单相故障；若i1/i>10且i1<i2且i1/i3>10，则判定为多相故障。
本发明中在所述零序电流互感器与前端触发装置之间的通讯线路上设有数据滤波单元；所述智能采集装置的采样率为100k/s，智能采集装置在被触发后，5ms内启动对所检测的配电线路上零序电流的采集。
本发明中所述智能采集装置具有外壳，在外壳上装有信号采集输入接口、充电接口和射频天线，在外壳内设有供电管理单元、微处理器、信息压缩与加密模块及通讯接口模块；所述供电管理单元连接充电接口并为智能采集装置中的各个模块提供稳定的工作电源；所述前端触发装置通过信号采集输入接口通讯连接微处理器；所述微处理器依次通讯连接信息压缩与加密模块、通讯连接通讯接口模块与射频天线；在远程控制终端配置有无线接收装置，智能采集装置采集的零序电流值通过移动的GSM/GPRS/CDMA公共网络上传至远程控制终端。
一种基于暂态分量的配电网故障类型的检测装置，其特征是：包括依次构成通讯连接的零序电流互感器、前端触发装置、智能采集装置和远程控制终端；所述智能采集装置具有外壳，在外壳上装有信号采集输入接口、充电接口和射频天线，在外壳内设有供电管理单元、微处理器、信息压缩与加密模块及通讯接口模块；所述供电管理单元连接充电接口并为智能采集装置中的各个模块提供稳定的工作电源；所述前端触发装置通过信号采集输入接口通讯连接微处理器；所述微处理器依次通讯连接信息压缩与加密模块、通讯连接通讯接口模块与射频天线；在远程控制终端配置有无线接收装置，智能采集装置采集的零序电流值通过移动的GSM/GPRS/CDMA公共网络上传至远程控制终端；所述远程控制终端分析所检测的配电线路的零序电流暂态特性，对实时采集到的零序电流值作取窗处理并计算有效值，对比暂态下零序电流的有效值大小对所检测的配电线路的故障类型进行识别，并对故障进行预警提示。
本发明中在所述零序电流互感器与前端触发装置之间的通讯线路上设有数据滤波单元，并且零序电流互感器、数据滤波单元和前端触发装置依次通过带屏蔽的射频电缆进行通讯连接，并将采集到的待检测的配电线路的零序电流传输至智能采集装置的信号采集输入接口；所述通讯接口模块通过带屏蔽的射频电缆通讯连接射频天线。
本发明中所述智能采集装置的外壳由敞口的壳体和封盖组成，在壳体与封盖之间装有橡胶密封圈，并且外壳采用的材质为聚氯乙烯；所述供电管理单元、微处理器、信息压缩与加密模块及通讯接口模块均安装于外壳内的绝缘底板上。
本发明中所述供电管理单元由可充电电池组和充电控制单元组成；可充电电池组从充电接口取电，并为智能采集装置中的各个模块提供稳定的工作电源；充电接口外部链接高压取电装置；充电控制单元根据可充电电池组中电池电量的情况判断可充电电池组的充电时间和充电电流的大小。
本发明结构简单、设计巧妙，通过设置零序电流互感器、前端触发装置、智能采集装置和远程控制终端，并在远程控制终端分析所检测的配电线路的零序电流暂态特性，实现了在线监测配电网的运行状态，并在配电网出现故障时对故障类型进行快速准确地识别，为配电网故障诊断和状态监测提供了有效的参考。
附图说明
图1是本发明的通讯结构示意图；
图2是本发明的控制结构框图；
图3是本发明中智能采集装置的爆炸结构示意图；
图4是本发明所涉及的A相接地类型故障进行数学计算和分析所对应的系统连接图；
图5是本发明所涉及的故障类型识别库中A相接地故障所对应的电容电流波形图；
图6是本发明所涉及的B、C两相相间短路类型故障进行数学计算和分析所对应的系统连接图；
图7是本发明所涉及的故障类型识别库中B、C两相相间短路故障所对应的电容电流波形图；
图8是本发明所涉及的B、C两相短路接地类型故障进行数学计算和分析所对应的系统连接图；
图9是本发明所涉及的故障类型识别库中B、C两相短路接地故障所对应的电容电流波形图；
图10是本发明所涉及的A、B、C三相短路类型故障进行数学计算和分析所对应的系统连接图；
图11是本发明所涉及的故障类型识别库中A、B、C三相短路故障所对应的电容电流波形图；
图12是本发明中远程控制终的端软件系统进行计算和分析的流程图。
图中：1—配电线路，2—零序电流互感器，3—数据滤波单元，4—前端触发装置，5—智能采集装置，6—外壳，6a—壳体，6b—封盖，6c—橡胶密封圈，7—信号采集输入接口，8—充电接口，9—射频天线，10—供电管理单元，10a—可充电电池组，10b—充电控制单元，11—微处理器，12—信息压缩与加密模块，13—通讯接口模块，14—射频电缆，15—绝缘底板，16—高压取电装置，17—远程控制终端，18—无线接收装置。
具体实施方式
参见图1-3，一种基于暂态分量的配电网故障类型的检测装置，包括依次构成通讯连接的零序电流互感器2、前端触发装置4、智能采集装置5和远程控制终端17；所述智能采集装置5具有外壳6，在外壳6上装有信号采集输入接口7、充电接口8和射频天线9，在外壳6内设有供电管理单元10、微处理器11、信息压缩与加密模块12及通讯接口模块13；所述供电管理单元10连接充电接口8并为智能采集装置5中的各个模块提供稳定的工作电源；所述前端触发装置4通过信号采集输入接口7通讯连接微处理器11；所述微处理器11依次通讯连接信息压缩与加密模块12、通讯连接通讯接口模块13与射频天线9。
本实施例中零序电流互感器2以耦合的方式采集配电网中配电线路1上的零序电路，其中配电线路1可分为架空线路、电缆线路或由架空线路和电缆线路构成的混合线路；所述智能采集装置5平时处于休眠状态，其采用固定电流阈值进行触发，当微处理器11检测到所检测的配电线路1上的零序电流高于固定电流阈值时，则前端触发装置4触发智能采集装置5对所检测的配电线路1上的零序电流进行采集；在远程控制终端17配置有无线接收装置18，智能采集装置5采集的零序电流值经过信息压缩与加密模块12的信息压缩与加密后，再通过通讯接口模块13、射频天线9及无线接收装置18，并借助移动的GSM/GPRS/CDMA公共网络上传至远程控制终端17；所述远程控制终端17分析所检测的配电线路1的零序电流暂态特性，对实时采集到的零序电流值作取窗处理并计算有效值，对比暂态下零序电流的有效值大小对所检测的配电线路的故障类型进行识别，并对故障进行预警提示。
本实施例中在所述零序电流互感器2与前端触发装置4之间的通讯线路上设有数据滤波单元3，并且零序电流互感器2、数据滤波单元3和前端触发装置4依次通过带屏蔽的射频电缆14进行通讯连接，并将采集到的待检测的配电线路1上的零序电流传输至智能采集装置5的信号采集输入接口7；通讯接口模块13通过带屏蔽的射频电缆14通讯连接射频天线9。
参见图3，本实施例中所述智能采集装置5的外壳6由敞口的壳体6a和封盖6b组成，在壳体6a与封盖6b之间装有橡胶密封圈6c，并且外壳6采用的材质为聚氯乙烯；所述供电管理单元10、微处理器11、信息压缩与加密模块12及通讯接口模块13均安装于外壳6内的绝缘底板15上。
本实施例中所述供电管理单元10由可充电电池组10a和充电控制单元10b组成；可充电电池组10a从充电接口8取电，并为智能采集装置5中的各个模块提供稳定的工作电源；充电接口8外部链接高压取电装置16；充电控制单元10b根据可充电电池组10a中电池电量的情况判断可充电电池组的充电时间和充电电流的大小。充电控制单元10b在对电池进行保护的同时，防止过冲和高压窜入造成电池爆炸和智能采集装置中的其它电路模块烧毁。
本发明在对配电网进行故障类型的检测之前，先根据线路故障类型的不同来对线路的数据进行计算和边界条件分析，得到线路零序电流的情况，作为远程控制终端17实现的数学基础；
①A相直接接地故障
当系统中的f点发生A相直接接地故障时，其短路点的不对称电流和电压可以用图4表示，由此可列出短路点的边界条件为：a相在短路点f的对地电压为零，b相和c相从短路点流出的电流为零，即
（1-1）；
(1-2)；
在(1-1)和(1-2)中：表示故障时a相的对地电压，表示故障时流过b相的线电流；表示故障时流过c相的线电流；
②B、C两相直接短路故障
当系统中的f点发生B、C两相直接短路时，短路点处的电流和电压可以用图6表示，由此可列出短路点的边界条件为：
(2-1)；
(2-2)；
(2-3)；
在(2-1)、(2-2)和(2-3)中：表示故障时流过a相的线电流，表示故障时流过b相的线电流，表示故障时流过c相的线电流，表示故障时b相的对地电压，表示故障时c相的对地电压；
③B、C两相短路接地故障
当系统中的f点发生B、C两相直接短路接地时，短路点处的电压和电流可以用图8表示，由此可列出短路点的边界条件为：
(3-1)；
(3-2)；
(3-3)；
在(3-1)、(3-2)和(3-3)中：表示故障时流过a相的线电流，表示故障时流过b相的线电流；表示故障时流过c相的线电流，表示故障时b相的对地电压；表示故障时c相的对地电压，表示故障时每相的对地阻抗；
④A、B、C三相短路故障
当系统中的f点发生A、B、C三相直接短路时，参见图10，故障点f的相电流的边界条件为：，式中：表示故障时流过a相的线电流，表示故障时流过b相的线电流；表示故障时流过c相的线电流；
对于故障点f的相电压的边界条件，可以用节点电压法进行计算：
(4-1)；
(4-2)；
(4-3)；
(4-4)；
在(4-1)、(4-2)和(4-3)中：表示a相与中性点之间的电压值；表示b相与中性点之间的电压值，表示c相与中性点之间的电压值，表示故障时a相的对地电压；表示故障时b相的对地电压，表示故障时c相的对地电压，表示三相短路点与电源中性点之间的电压差，Z1表示中性点与地之间的正序阻抗值；Z2表示中性点与地之间的负序阻抗值，ZN表示中性点与地之间的阻抗值。
在实验室，按照不同的线路结构，通过仿真来得到不同故障时的电容电流值作为远程控制终端17软件系统分析和计算结果进行对比判断的数据库。在数据库中，针对A相直接接地故障，B、C两相直接短路故障和B、C两相短路接地故障以及A、B、C三相短路故障，这四种故障类型所对应的电容电流波形图依次如图5、图7、图9和图11所示，在这四个图中，纵坐标表示电流、单位为KA，横坐标表示时间、单位为S，在每个图中A相线路的电容电流波形用短虚线表示、B相线路的电容电流波形用实线表示、C相线路的电容电流波形用长虚线表示。
由此，通过上述分析方法与建模计算可得出一套可用于配网故障类型检测方法的知识库，并在在实际使用是将智能采集装置5传回的零序电流信息经过分析计算之后与现有知识库中存在的数据进行比对即可对配电网的故障类型进行识别和对配网状态进行诊断，参见图12，本发明对配电网故障类型的具体检测和诊断方法如下：
步骤(1)：在配电网终端，零序电流互感器2以耦合方式接收所检测的配电线路1上的零序电流，并记录所述配电线路1在非故障情况下零序电流i；
步骤(2)：智能采集装置5采用固定电流阈值进行触发，当智能采集装置5检测到所检测的配电线路1上的零序电流高于固定电流阈值时，则前端触发装置4触发智能采集装置5对所检测的配电线路1上的零序电流进行采集；
步骤(3)：智能采集装置5在被触发后，5ms内启动采集五个周波100ms的零序电流值（10000点），并将采集数据传输至远程控制终端17；
步骤(4)：远程控制终端17分析所检测的配电线路1的零序电流暂态特性，对实时采集到的零序电流值作取窗处理并计算有效值，对比暂态下零序电流的有效值大小，对所检测的配电线路的故障类型进行识别，并对故障进行预警提示。
所述远程控制终端17对采集到的零序电流值作取窗处理和对所检测的配电线路的故障类型进行识别如下：截取五个周波的零序电流中的第一个、二个周波零序电流和最后一个周波零序电流，分别计算其有效值i1、i2和i3；若第一个周波零序电流值i1/i>10，则判定为配网故障，否则为非故障情况；若i1/i>10且i1>i2且i1/i3>10，则判定为单相故障；若i1/i>10且i1<i2且i1/i3>10，则判定为多相故障。
Claims (8)
1.一种基于暂态分量的配电网故障类型的检测方法，其特征是：包括依次构成通讯连接的零序电流互感器、前端触发装置、智能采集装置和远程控制终端；所述检测方法包括以下步骤：
(1)在远程控制终端，根据配电网中架空线路和电缆线路以及由架空线路和电缆线路组成的混合线路的不同，根据单线图建立对应的仿真模型，将仿真结果作为配电网故障类型判断的依据库；
(2)通过零序电流互感器以耦合方式接收所检测的配电线路上的零序电流，并记录所述配电线路在非故障情况下零序电流i；
(3)智能采集装置采用固定电流阈值进行触发，当智能采集装置检测到所检测的配电线路上的零序电流高于固定电流阈值时，则前端触发装置触发智能采集装置对所检测的配电线路上的零序电流进行采集；
(4)智能采集装置触发后，采集五个周波的零序电流值，并将采集数据传输至远程控制终端；
(5)远程控制终端分析所检测的配电线路的零序电流暂态特性，对实时采集到的零序电流值作取窗处理并计算有效值，对比暂态下零序电流的有效值大小，对所检测的配电线路的故障类型进行识别，并对故障进行预警提示。
2.根据权利要求1所述的一种基于暂态分量的配电网故障类型的检测方法，其特征是：所述远程控制终端对采集到的零序电流值作取窗处理和对所检测的配电线路的故障类型进行识别如下：截取五个周波的零序电流中的第一个、二个周波零序电流和最后一个周波零序电流，分别计算其有效值i1、i2和i3；若第一个周波零序电流值i1/i>10，则判定为配网故障，否则为非故障情况；若i1/i>10且i1>i2且i1/i3>10，则判定为单相故障；若i1/i>10且i1<i2且i1/i3>10，则判定为多相故障。
3.根据权利要求1所述的一种基于暂态分量的配电网故障类型的检测方法，其特征是：在所述零序电流互感器与前端触发装置之间的通讯线路上设有数据滤波单元；所述智能采集装置的采样率为100k/s，智能采集装置在被触发后，5ms内启动对所检测的配电线路上零序电流的采集。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于暂态分量的配电网故障类型的检测方法，其特征是：所述智能采集装置具有外壳，在外壳上装有信号采集输入接口、充电接口和射频天线，在外壳内设有供电管理单元、微处理器、信息压缩与加密模块及通讯接口模块；所述供电管理单元连接充电接口并为智能采集装置中的各个模块提供稳定的工作电源；所述前端触发装置通过信号采集输入接口通讯连接微处理器；所述微处理器依次通讯连接信息压缩与加密模块、通讯连接通讯接口模块与射频天线；在远程控制终端配置有无线接收装置，智能采集装置采集的零序电流值通过移动的GSM/GPRS/CDMA公共网络上传至远程控制终端。
5.一种基于暂态分量的配电网故障类型的检测装置，其特征是：包括依次构成通讯连接的零序电流互感器、前端触发装置、智能采集装置和远程控制终端；所述智能采集装置具有外壳，在外壳上装有信号采集输入接口、充电接口和射频天线，在外壳内设有供电管理单元、微处理器、信息压缩与加密模块及通讯接口模块；所述供电管理单元连接充电接口并为智能采集装置中的各个模块提供稳定的工作电源；所述前端触发装置通过信号采集输入接口通讯连接微处理器；所述微处理器依次通讯连接信息压缩与加密模块、通讯连接通讯接口模块与射频天线；在远程控制终端配置有无线接收装置，智能采集装置采集的零序电流值通过移动的GSM/GPRS/CDMA公共网络上传至远程控制终端；所述远程控制终端分析所检测的配电线路的零序电流暂态特性，对实时采集到的零序电流值作取窗处理并计算有效值，对比暂态下零序电流的有效值大小对所检测的配电线路的故障类型进行识别，并对故障进行预警提示。
6.根据权利要求5所述的一种基于暂态分量的配电网故障类型的检测装置，其特征是：在所述零序电流互感器与前端触发装置之间的通讯线路上设有数据滤波单元，并且零序电流互感器、数据滤波单元和前端触发装置依次通过带屏蔽的射频电缆进行通讯连接，并将采集到的待检测的配电线路的零序电流传输至智能采集装置的信号采集输入接口；所述通讯接口模块通过带屏蔽的射频电缆通讯连接射频天线。
7.根据权利要求5所述的一种基于暂态分量的配电网故障类型的检测装置，其特征是：所述智能采集装置的外壳由敞口的壳体和封盖组成，在壳体与封盖之间装有橡胶密封圈，并且外壳采用的材质为聚氯乙烯；所述供电管理单元、微处理器、信息压缩与加密模块及通讯接口模块均安装于外壳内的绝缘底板上。
8.根据权利要求5所述的一种基于暂态分量的配电网故障类型的检测装置，其特征是：所述供电管理单元由可充电电池组和充电控制单元组成；可充电电池组从充电接口取电，并为智能采集装置中的各个模块提供稳定的工作电源；充电接口外部链接高压取电装置；充电控制单元根据可充电电池组中电池电量的情况判断可充电电池组的充电时间和充电电流的大小。
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