CN106771884A - 配电网供电电缆线路故障定位系统 - Google Patents

Abstract

一种配电网供电电缆线路故障定位系统，属于电力线缆故障在线监测领域。在城市环网供电系统的若干环网柜干线电缆和环网柜的多条支路电缆设置暂态电流采集装置，通过高速采集的方法，监测和记录供电线路发生故障时故障回路产生的流经各条电缆金属屏蔽层接地线的暂态电流行波，系统平台通过识别暂态电流行波的波头方向，识别故障线路，采用卫星时钟同步方法，对接收到的故障线路的行波进行比对，通过波头时间差，形成双端测距，实现故障点测距定位。与现有其他的小电流接地故障定位方法相比，定位准确性高。

Description

配电网供电电缆线路故障定位系统

技术领域

本发明属于电力线缆故障在线监测领域，具体说是一种配电网供电电缆线路故障定位系统。

背景技术

随着自动化技术的发展，配电网自动化运行已经越来越重要。配电网自动化是运用各种技术及配电设备,对配电网进行监控管理,使配电网处于安全、可靠、优质、经济、高效的运行状态。故障定位是配电自动化的关键技术之一，它要求故障发生时能够快速定位故障点，并及时通知电力部门检修人员，为电力部门检修人员排查故障和恢复供电节约时间。

环网供电是指把用于供电的电源或供电变压器连接成一个环网供电网络，对每条线路进行分段并设置控制开关，线路的连接点设置联络开关，利用设备的延时进行停电区间的负荷转换。当供电线路的某一区段发生故障时，配网自动化系统具备隔离故障区段、恢复非故障区段供电的能力，从而达到缩小停电范围和减少用户停电时间、提高对用户供电可靠性的目的。为了达到以上目的，环网供电系统通常会加装线路故障指示器和馈线终端等自动化设施。

为了及时定位环网供电系统中的故障位置，故障定位方法目前有基于矩阵计算法、基于神经网络的算法、基于遗传算法的方法、基于专家系统等多种方法，但由于电网结构复杂，这些算法并不能通用，各种算法适用于不同类型的电网模型，而且这类算法通常计算量大，处理时间长，需要借助大量的终端设备和复杂的主站系统来支撑。

目前有一种依靠故障指示器来进行故障定位的方法：为每个故障指示器建立一个链路表，链路表中记录电流方向前端的故障指示器地址，电流方向中第一级故障指示器的前端故障指示器地址设置为空。当线路发生接地或者相间短路时，在电源点和故障点之间会构成回路，该区段线路上会产生故障电流。故障指示器监测到故障电流后将信息上报给通讯终端，由通讯终端上报给主站系统。主站系统等待一个时间周期让所有监测到的故障信息的故障指示都上报完成，等待的时间周期根据通讯情况一般设置为几十秒到几分钟，主站收集该时间周期内所有上报的故障信息，根据故障指示器链路表查找到上述故障指示器中处于链路末端的故障指示器，故障位置即处于末端指示器和该指示器电流后端未检测到故障的故障指示器之间，并将故障定位结果通知电力部门。

但是，该方法的故障指示器链路表在系统建立时初始化完成以后不再变化，而实际情况中由于电力需求、现实环境等因素，引起环网供电中开关的分合，从而导致线路中电流方向变化，此时仍按照此前的链路表进行故障定位，会给检修人员造成错误的判断；故障定位方法相对简单，没有自我调整的能力，只适应单一供电电源的电网，不具备适应性和通用性；链路表没有经过重复验证，故障指示器链路表建立时由于人为失误等原因存在录入错误的风险，一旦链路表录入错误，后续定位都将出错，没有充分利用故障指示器等现有条件去弥补不足。

中国专利申请CN201510584460.8公开了一种环网供电条件下的故障定位方法，包括如下步骤：S1：获取现有环形供电网的主站系统在初始化时建立的环网线路树形结构模型；S2：当环形供电网发生故障时，主站系统利用故障指示器上报的各线路的负载电流信号的大小，判断环形供电网各开关的状态，重新修正步骤S1中的环网线路树形结构模型；S3：主站系统利用步骤S2中修正后的环网线路树形结构模型和故障指示器上报的故障电流的大小，定位故障点。其存在的不足是定位不准确。

中国专利申请CN201410236346.1公开了一种环网柜电缆线路在线故障定位方法,它涉及电力电缆故障定位方法技术领域，它的故障定位方法为：故障电流监视检测系统由多个环网柜监测点组成。一个监测点的故障电流检测由一组三相三只高频脉冲电流传感器组成，三只高频脉冲电流传感器分别安装在任意一回路电缆的三相电缆上。高频脉冲电流传感器与就地信号处理主机通过同轴线连接；接收的故障信号触发时刻由GPS卫星时间精确对时；3G无线数据传输单元与3G无线数据接收单元通过3G无线网络连接。当10kV—35kV配电系统电缆发生绝缘故障时，可以在第一时间检测到故障电流脉冲并可以根据分布在多个环网柜的子站所检测到的故障信号触发时刻，自动计算出故障点的位置，定位时间短，定位精度高，可靠性强。其存在的不足之处是，设置电流传感器较多，组网繁琐，不能精确定位支路故障点。

另外，以上技术还存在不能在大规模故障发生前，预警和定位暂态故障的问题。

发明内容

根据以上现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种能精确定位环网暂态故障点和环网柜支路暂态故障点的配电网供电电缆线路故障定位系统。

本方法的解决方案是：配电网供电电缆线路故障定位系统，包括分布式设置的暂态电流采集装置和信号连接的上位机，上位机连接系统平台，其特征在于：在城市环网供电系统的若干环网柜干线电缆和环网柜的多条支路电缆设置暂态电流采集装置，通过高速采集的方法，监测和记录供电线路发生故障时故障回路产生的流经各条电缆金属屏蔽层接地线的暂态电流行波，系统平台通过识别暂态电流行波的波头方向，识别故障线路，采用卫星时钟同步方法，对接收到的故障线路的行波进行比对，通过波头时间差，形成双端测距，实现故障点测距定位。

所述的环网柜的多条电缆分别设置暂态电流采集装置，多台暂态电流采集装置集中设置在环网柜内，暂态电流采集装置的电流传感器分别设置在电缆屏蔽线的直接接地端上。

所述的环网柜的多条电缆分别设置暂态电流采集装置，多台暂态电流采集装置分布式安装在多条支路用户侧电缆末端，暂态电流采集装置的电流传感器分别设置在用户侧电缆屏蔽线的直接接地端上。

所述的监测和记录方法，是利用暂态电流采集装置的电流传感器进行实时在线采集、记录，并且上传上位机。

所述的识别暂态电流行波的波头方向，选择故障线路，是指发生单相接地故障时，流经故障电缆金属屏蔽层的接地电流信号方向与非故障电缆金属屏蔽层的接地电流信号方向相反，通过在若干接地暂态电流行波波形中选择其中一个波形与其他波形相反的接地暂态电流行波，从而确定该相反的接地暂态电流行波所在的线路为故障线路。

所述的暂态电流采集装置包括电路连接的电流传感器、信号调理器、高速A/D转换器、高速比较器、卫星授时模块、FPGA、ARM和动态存储器，ARM的通讯端通过4G路由器连接上位机，暂态电流采集装置的电流传感器同名端一致，安装方法一致。所述的电流传感器为电流互感器、罗氏线圈中的一种。

所述的卫星时钟同步精度为0-100ns，故障点定位精度为0-17m。

所述的暂态电流采集装置的实时在线高速采集的截止频率≥100KHz，电流传感器通频带为100KHz-100MHz。

所述的系统平台设置系统后台软件，根据用户需要安装在变电站监控室内或调度室内，给暂态电流采集装置设置固定的IP地址，系统软件展示监测线路的拓扑图、线路长度、暂态电流采集装置状态多个参数，系统软件至少实现存储算法和判据，存储监测数据和历史数据，计算分析处理数据。

所述的系统平台采用云服务器，系统用户通过浏览器和或程序窗口方式访问系统后台，云服务其器分配给每个用户存储空间，保存历史数据，用户可在任何时间地点通过浏览器和或程序窗口通过用户名登录访问本用户的存储空间，查看线路运行情况。程序窗口包括电脑运行程序的窗口和手机客户端app运行窗口。

系统云服务器内系统软件平台采用B/S方式的系统管理软件，具有网络通讯、存储、数据交换功能。系统平台针对不同用户现场情况，配置隶属本用户的系统平台软件参数及针对每个用户提供实际的线路拓扑图、数据库结构、相应的算法及判据支持。安装在用户现场的各监测装置通过4G无线通信网络与系统平台进行通信，并将数据实时上传。系统平台通过实时数据分析判别，实现电缆故障的自动报警及故障定位。

本发明配电网供电电缆线路故障定位系统所具有的有益效果是：对比所有电缆的接地线电流行波的波头方向，区分故障电缆与非故障电缆，并且根据时间同步对波形进行比对，故障电缆选线定位可靠。值班人员通过浏览器访问的方式或者程序窗口的方式，登录系统后台软件，直观查看隶属本用户的系统平台软件，当监测线路出现异常时系统会自动发送报警短信给相关人员，并在系统后台弹出报警弹窗，故障线路变色显示。极大的方便了工作人员对电力电缆日常的监测和维护。具体上：

1、相较于其他故障定位方法准确率比较低，本发明可以大幅提高准确率；

2、不受电网中设备投切、电缆投合闸操作等非故障线路影响，应用工况好；

3、安装方便，不需要三相电缆全部安装传感器；不接入电网，无干扰；

4、分布式安装，容易改变位置，配置灵活；

5、上位机后台存储历史数据，可以优化后续增设的前端采样装置参数。

附图说明

图1为本发明的原理方框图；

图2为本发明的暂态电流采集装置的原理方框图；

图3为本发明的上位机显示实测波形图A；

图4为本发明的上位机显示实测波形图B；

图5为本发明的上位机显示实测波形图C。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述：

实施例1：

如图1所示，1#环网柜-7#环网柜与电缆构成城市环网供电系统，2#环网柜-7#环网柜分别设置IP：64-IP:70的暂态电流采集装置。

配电网供电电缆线路故障定位系统，包括分布式设置的暂态电流采集装置和信号连接的上位机，上位机连接系统平台，在城市环网供电系统的若干环网柜干线电缆和环网柜的多条支路电缆设置暂态电流采集装置，通过高速采集的方法，监测和记录供电线路发生故障时故障回路产生的流经各条电缆金属屏蔽层接地线的暂态电流行波，系统平台通过识别暂态电流行波的波头方向，识别故障线路，采用卫星时钟同步方法，对接收到的故障线路的行波进行比对，通过波头时间差，形成双端测距，实现故障点测距定位。通过故障点两侧每对监测点的波头时间差就能计算出故障距离，即利用故障点一侧的任意一个监测点和故障点另一侧的任意一个监测点构成双端测距。

所述的环网柜的多条电缆分别设置暂态电流采集装置，多台暂态电流采集装置集中设置在环网柜内，暂态电流采集装置的电流传感器分别设置在电缆屏蔽线的直接接地端上。

所述的监测和记录方法，是利用暂态电流采集装置的电流传感器进行实时在线采集、记录，并且上传上位机。

所述的识别暂态电流行波的波头方向，选择故障线路，是指发生单相接地故障时，流经故障电缆金属屏蔽层的接地电流信号方向与非故障电缆金属屏蔽层的接地电流信号方向相反，通过在若干接地暂态电流行波波形中选择其中一个波形与其他波形相反的接地暂态电流行波，从而确定该相反的接地暂态电流行波所在的线路为故障线路。

所述的卫星时钟同步精度为0-100ns，故障点定位精度为0-17m。

所述的暂态电流采集装置的实时在线高速采集的截止频率≥100KHz，电流传感器通频带为100KHz-100MHz。

所述的系统平台设置系统后台软件，根据用户需要安装在变电站监控室内或调度室内，给暂态电流采集装置设置固定的IP地址，系统软件展示监测线路的拓扑图、线路长度、暂态电流采集装置状态多个参数，系统软件至少实现存储算法和判据，存储监测数据和历史数据，计算分析处理数据。

所述的系统平台采用云服务器，系统用户通过浏览器和或程序窗口方式访问系统后台，云服务其器分配给每个用户存储空间，保存历史数据，用户可在任何时间地点通过浏览器和或程序窗口通过用户名登录访问本用户的存储空间，查看线路运行情况。

如图2所示，所述的暂态电流采集装置包括电路连接的电流传感器、信号调理器、高速A/D转换器、高速比较器、卫星授时模块、FPGA、ARM和动态存储器，ARM的通讯端通过4G路由器连接上位机，暂态电流采集装置的电流传感器同名端一致，安装方法一致。所述的高速A/D转换器采用高速芯片。所述的电流传感器为电流互感器、罗氏线圈中的一种。

实施例2：

在实施例1的基础上，所述的环网柜的多条电缆分别设置暂态电流采集装置，多台暂态电流采集装置分布式安装在多条支路用户侧电缆末端，暂态电流采集装置的电流传感器分别设置在用户侧电缆屏蔽线的直接接地端上。

实验表明，如图3-图5所示，当2#环网柜和3#环网柜之间的电缆发生暂态接地故障时，所有IP：66-IP：69的暂态电流采集装置均检测到暂态电流信号。所有暂态电流采集装置的检测数据，通过上位机上传系统平台，系统平台根据每个暂态电流采集装置数据的时间标签进行同步并且显示，可以清晰地看到故障点两侧各个暂态电流采集装置检测到时间差，两两计算距离进行定位。

每个装置收到波形的时间不一样，这四个行波波形放在一起会形成时间差，通过故障点两侧每对监测点的波头时间差就能计算出故障距离，坐标系远点就是发生故障后，系统收到的第一个波形的起点。如图所示，IP：67装置与IP：66装置时间差为5580ns。

5580ns*0.17m/ns＝948.6m。故障点在X＝(总长L1-948.6)/2位置。而环网柜之间线路总长是已知量，因此可以精确定位。IP：67装置与IP：69装置时间差为7450ns。

7450ns*0.17m/ns＝1281.8m。故障点在X＝(总长L2-1281.8)/2位置。IP：67装置与IP：68装置时间差为9700ns。9700ns*0.17m/ns＝1649m。故障点在X＝(总长L3-1649)/2位置。

Claims (10)

1.配电网供电电缆线路故障定位系统，包括分布式设置的暂态电流采集装置和信号连接的上位机，上位机连接系统平台，其特征在于：在城市环网供电系统的若干环网柜干线电缆和环网柜的多条支路电缆设置暂态电流采集装置，通过高速采集的方法，监测和记录供电线路发生故障时故障回路产生的流经各条电缆金属屏蔽层接地线的暂态电流行波，系统平台通过识别暂态电流行波的波头方向，识别故障线路，采用卫星时钟同步方法，对接收到的故障线路的行波进行比对，通过波头时间差，形成双端测距，实现故障点测距定位。

2.根据权利要求1所述的配电网供电电缆线路故障定位系统，其特征在于：所述的环网柜的多条电缆分别设置暂态电流采集装置，多台暂态电流采集装置集中设置在环网柜内，暂态电流采集装置的电流传感器分别设置在电缆屏蔽线的直接接地端上。

3.根据权利要求1或2所述的配电网供电电缆线路故障定位系统，其特征在于：所述的环网柜的多条电缆分别设置暂态电流采集装置，多台暂态电流采集装置分布式安装在多条支路用户侧电缆末端，暂态电流采集装置的电流传感器分别设置在用户侧电缆屏蔽线的直接接地端上。

4.根据权利要求1所述的配电网供电电缆线路故障定位系统，其特征在于：所述的监测和记录方法，是利用暂态电流采集装置的电流传感器进行实时在线采集、记录，并且上传上位机。

5.根据权利要求1所述的配电网供电电缆线路故障定位系统，其特征在于：所述的识别暂态电流行波的波头方向，选择故障线路，是指发生单相接地故障时，流经故障电缆金属屏蔽层的接地电流信号方向与非故障电缆金属屏蔽层的接地电流信号方向相反，通过在若干接地暂态电流行波波形中选择其中一个波形与其他波形相反的接地暂态电流行波，从而确定该相反的接地暂态电流行波所在的线路为故障线路。

6.根据权利要求1、2、或4所述的配电网供电电缆线路故障定位系统，其特征在于：所述的暂态电流采集装置包括电路连接的电流传感器、信号调理器、高速A/D转换器、高速比较器、卫星授时模块、FPGA、ARM和动态存储器，ARM的通讯端通过4G路由器连接上位机，暂态电流采集装置的电流传感器同名端一致，安装方法一致。

7.根据权利要求1或6所述的配电网供电电缆线路故障定位系统，其特征在于：所述的卫星时钟同步精度为0-100ns，故障点定位精度为0-17m。

8.根据权利要求1所述的配电网供电电缆线路故障定位系统，其特征在于：所述的暂态电流采集装置的实时在线高速采集的截止频率≥100KHz，电流传感器通频带为

100KHz-100MHz。

9.根据权利要求1所述的配电网供电电缆线路故障定位系统，其特征在于：所述的系统平台设置系统后台软件，根据用户需要安装在变电站监控室内或调度室内，给暂态电流采集装置设置固定的IP地址，系统软件展示监测线路的拓扑图、线路长度、暂态电流采集装置状态多个参数，系统软件至少实现存储算法和判据，存储监测数据和历史数据，计算分析处理数据。

10.根据权利要求1或9所述的配电网供电电缆线路故障定位系统，其特征在于：所述的系统平台采用云服务器，系统用户通过浏览器和或程序窗口方式访问系统后台，云服务其器分配给每个用户存储空间，针对每个用户提供实际的线路拓扑图、数据库结构、相应的算法及判据支持，保存历史数据，用户可在任何时间或地点通过浏览器和或程序窗口，以用户名登录访问本用户的存储空间，查看线路运行情况。