CN106990322A - 面向配网的配电线路故障定位系统 - Google Patents

Abstract

面向配网的配电线路故障定位系统，配电线路故障定位系统包括前端监测识别与后台定位计算两个方面；具体分工是：前端在线监测ABC三相相电压，即时判断识别故障类型和相别，同时提取故障数据发往系统管理中心后台服务器。后台服务器接收所在供电局配电网络所有故障监测装置报警发出的数据，从中提取同一母线所有线路各监测点同一时刻发来的报警数据进行故障位置识别和计算；检查这些监测点是否只是单个监测点报警或者是相邻多个监测点同时报警；或者报警点是属于同一条配电线路的多个监测点，也可能是属于同一母线连接的多条配电线路，后台定位系统分别不同故障类型采取不同定位方法处理。

Description

面向配网的配电线路故障定位系统

一 技术领域

本发明的技术属于电力系统中配电网络自动化领域，具体属于配网配电线路在线监测及对多种故障分类识别并联网确定故障位置，用于辅助电力运行检修技术人员及时发现故障迅速处理故障，促进快速恢复电网安全供电，提高电网供电可靠性。

二 背景技术

电力系统不同等级的电压都是稳定的，因而对于线路上故障和外部扰动产生对电压的干扰是很敏感的，从而有利于区分故障，只要科学地对电压监测、故障识别，就可以很好地判断故障、定位故障。

高压配电线路常见故障按故障来源可以划分到以下三个方面：

①10KV线路和相关设备受到实质性冲击后不可自动恢复、需要人工处理方面；

②受到雷击、接地等外力影响使电压瞬间升高或降低，之后恢复到原电压等级方面；

③受到用户低压线路因触电、瞬间接地、碰线等影响而瞬时电压降低之后能恢复方面；

本系统针对第1类型，解决其故障不能恢复而进行监测并实现故障识别、分类、定位，着重解决相线接地、断线、二相短路、三相短路或综合发生等故障识别问题；针对第二类型的可恢复瞬时故障情况，通过故障后同线多监测点继续连续监测数据来分析区别；针对第三类型的低压线路瞬时故障引起的干扰情况，通过故障时同线多点监测的数据来分析区别；

基于电压监测录波的识别技术在配电干线、支线上实施很起作用，但在配线外围与配线直接相连的有两个方面存在难度，针对性的解决办法是：

①变电站配电母线往往同时送出通往不同方向的多条配线，其中一条配线发生故障会通过母线影响到其他配线，这就影响到故障定位；这时注意无故障配线与有故障配线电压分布的不同点采取联合所有这些配线的监测点电压录波数据来识别故障、判断故障位置。

②在配电线路所驱动的低压供电线路上同样有可能发生接地、断线、短路等故障，使得直接影响所监测数据的代表意义，这时监测数据异常不再说明所在变压器原边高压配线故障；故障低压线对应的高压连接点只一个，低压线故障只使这个点电压受到扰动，该相高压线路上邻接监测点及更远的点不受到太大的影响；这时通过比较同条配线多个监测点数据识别出本次故障是什么故障、是由哪里引起的故障。

三 发明内容

1 研究配电变压器的等效电路和运行参数，发现配电变压器对于宽频信号具有低通滤波器频率特性；这样把配电变压器安装在配网高压线与用户低压线之间传输电能时，可以抑制低压线上多种故障或干扰性信号对高压线的影响，同时排除低压线故障对系统高压线故障识别和定位准确性的实际影响。

2 电力变电站通过母线同时驱动多回配电线路向多个方向送出电能，这样某条线路受到某种原因产生的故障会通过母线同时影响到多条线路，这就要排除非故障线路的被动故障对故障线路真故障识别和定位的影响；本系统采取圆满收集这些线路上同时发生的若干故障的数据，加工出它们分别的中心频率和带宽特性，还整理出电压瞬时值特性，抓住真故障点带宽特性完善和电压幅值强烈的特点来确定出故障源。

3 基于故障相不同监测点的剩余电压数据判别故障区段，区别不同故障类别时对应剩余电压具有不同的特点：单相接地故障时，故障点下游各监测点电压相对地低且电压大小基本一致，故障点上游各监测点数据相比较低压侧偏高一些，且往母线端高得更多一些；对于两相短路故障，短路点往下游的监测点电压基本相同且大小约在正常电压的一半左右，而正常相电压基本不变；对于三相短路故障，短路点往下游各监测点三相电压基本相同但电压大小约在0值上方。

4 基于近故障监测点与远故障监测点监测电压的频率特性差异判别故障区段，在频率特性上近故障点的高频特性好于远故障点，且近故障点高频幅值比远故障点相对高一些，这样就可比较确定出故障区段。

5 当某条配电线路上某点发生故障，故障点的电压突变信号沿线传到上游的各点，向下游渐次传到各个监测点，各监测点分别收到监测信号并记下接收时间；根据这些监测点所处的不同位置和不同接收时间系统后台即可联合推算出故障点所在精密位置。设故障点前后各1个监测点分别为J1、J2，则推算出故障点到这两个监测点的距离分别为：S1＝＝(D1--D2+d)/2；S2＝＝(D2--D1+d)/2；

其中D1、D2是在J1、J2两个监测点中测得的距离值，d是已知的J1、J2两个监测点之间的距离。

基于测点所在位置及传送时间推出故障位置，由多个测点位置及多个时间还可验证位置的准确度。

四 附图说明

图1给出了配电线路故障定位全系统的组成结构，其中包含许多《监测前端》，这些《监测前端》分布在配电网络几乎所有配电线路上，其数量不限；它们分别对配电线路运行采集数据、发现故障、判别故障类型，然后发送故障数据到《配电线路管理中心》，在中心集中进行故障定位分析计算。

图2用于说明配电线路故障定位的原理，其中21示意配电线路单相接地故障；22示意配电线路单相断线故障；23示意配电线路双相短路故障，23下部图形描述双相短路时的等效电路情况；24示意配电线路三相短路故障；本系统将对不同类型故障确定不同定位方法。

图3示出每个《监测前端》在配电线路上的安装位置，图中指明是安装在配电变压器的低压侧。

图4示出一幅实际县城配电网络图，由许多配电线路组成，其中图形上部红线示出兴国线的走向，线上标出了1—6、8监测点和第9个监测点；下部红线是城南1回线。

图5示出对图3中兴国线故障监测在一次实际故障时由各监测点电压数据在《配电线路管理中心》恢复出的录波波形；例如41波形是1号监测点故障录波波形；42波形是2号监测点故障录波波形；43波形是3号监测点故障录波波形；44波形是4号监测点故障录波波形；45波形是5号监测点故障录波波形；48波形是8号监测点故障录波波形；49波形是9号监测点故障录波波形；。

五 具体实施情况

我们在具体实施配电线路故障识别与定位时把整个事情分成了两个方面：全系统前端监测识别与后台定位处理；具体分工是：前端在线监测ABC三相相电压，即时判断电压有无超标变化，一有变化即按规则识别故障类型和相别，同时提取变化前一定T至后若干T(工频周期)瞬时值(电压录波)并计算这些T的各周期有效值，还把这些数据和识别结果都发往系统管理中心后台服务器；(监测前端装置事宜我们已通过另一专利《基于电压监测的配电线路故障识别装置》(申请号为201710173112.0)公开)。

后台服务器接收所在供电局所管辖配电网络安装的所有故障监测装置报警发出的数据，从中提取同一母线所有线路各监测点同一时刻发来的报警数据进行故障位置识别和计算。

后台系统在安装时预存按变电站母线——配电线路、杆塔编号——按顺序(母线侧为始端)的监测点记录，还存储监测点与监测点之间准确距离。

后台收到故障报警以后立即启动对同一秒内发生的各监测点故障类别识别和位置确定；

这些报警是否在同一秒内则依据报警数据帧中所带的时间戳(时、分、秒、及秒内微秒)予以确定。

后台收到几乎同一时间的多个监测点报警数据，检查这些监测点是否只是单个监测点报警，或者是相邻的多个监测点同时报警；或者报警点是属于同一条配电线路的多个监测点，也可能是属于同一母线连接的多条配电线路；分别按本文下述方法处理。

5.1区分10KV高压线故障和380V低压线故障

用户台区配电变压器跨接高、低压配电线路，变压器低压侧驱动低压配线以三相380V向用户供电，变压器低压线路则直接承受着用户各类操作产生的故障；配电变压器高压侧接10KV线路，10KV故障对低压侧有确定的影响；基于配变低压的监测既可以感知高压配线的故障，又可以感知低压配线的故障，我们必须有效分出这2种不同故障，有效区别某次监测到的故障是属于高压线上还是低压线上发生的。使本系统“配电线路故障识别与定位”可靠进行。

监测中发现电压有问题，首先分析识别排除低压线故障对分析高压线故障的干扰影响，使用以下三个方面方法区别进行：

(1)对故障录波信号进行频谱分析，从高压配线来的故障信号是经过配变转送的，配变对信号的数学特性属于低通，会削减高频，使故障信号频率成分变低、频带相对变窄；来自低压配线的故障信号不经过配变，信号中的频率特性不变，频率成分相对高、频带相对宽。

(2)配电主干线上接地、短路等故障点一般都影响到配电全线，或影响到配网较大区域，所以碰到一条线全部或多数监测点都报警的故障必然属于高压线故障；只影响一个点或邻近少数点的故障很大概率属于低压线故障。

(3)如果监测数据表示该点只发生瞬态波形变化，故障持续时间比较短，则说明属于发生在低压配线的故障；对高压全线或多邻点监测数据分析发现持续时间比较长的、周期数比较多的较大可能性是发生在高压配线的故障引起的。

5.2识别同一线路多点中故障位置—同一线路同时报警的多点按剩余电压识别故障位置

在前端监测装置已识别确知故障相别和故障类型以后，本系统提取在同一线路上发生相同类型故障那些报警监测点的数据，基于它们的数据差别来确定故障位置；这些故障类型在故障前后数据差别是指：

单相(无论ABC中哪一相)接地故障线在故障点下游各点数据相同且趋近于0，往上游方向数据渐大；

单相(无论ABC中哪一相)断线故障线在断点下游各点数据相同且等于0，断点上游数据正常不变；

二相(无论ABC中哪二相)短路故障线在故障点下游各点电压相同且约等于正常的1/2，往上游各点数据渐大；

二相(无论ABC中哪二相)短路接地线故障在故障点下游各点数据相同且趋近于0，往上游数据渐大；

三相(ABC)短路故障在故障点下游各点数据相同且等于故障点趋于0，往上游方向各点数据渐大；

三相(ABC)短路接地故障在故障点下游各点数据相同且趋近于0，往上游各点数据渐大；

显然在以上6类故障时往故障点下游各监测点数据基本相等，其差为0；故障点上游下游两个方向相邻监测点的数据差最大，其他任何相邻两个监测点之间数据差都相对小一些；那么反过来推测就是说数据差最大的两个相邻监测点之间区段就是故障所在段。

此处基于前端监测装置已识别给出的故障类型和故障相位线别，按从下游监测点往上游的顺序逐个比较识别，故障相数据差别比较大的前后两个监测点之间的区间，就是故障位置；并且可用各自退后一个监测点的故障相数据进行验证。

(注意：对于以上故障中直接接地故障和短路接地故障在接地严重时(接地电阻很小、使接地电流很大)会导致线路保护跳断，这时珍惜使用自故障发生到保护跳断时刻几个周期的数据来作上述比较判断。)

5.3同一母线多条线路多监测点报警时的故障线路识别

首先按报警监测点编号把该多点归并到各自配电线路；

比较各线最严重电压故障的电压异常程度(或者故障电压最高或者故障电压最低)；

识别出电压故障最严重点所在线路即此次故障线路，故障电压最严重点即此次故障所在点；

比较这些线路靠近母线端首监测点的监测电压，验证故障线路对应点异常最严重，其他非故障线路首监测点电压受影响程度基本相同，则上述故障线路选择正确。

(说明：对于同一母线的多条配电线路，检查它们分别靠近母线端监测点的瞬时值数据，一般地数据差异大的那个监测点对应的线路是真的故障线路，其它线路母线端监测点的数据即便异常也不会差别太大，只是受到母线电压变化而被影响的结果；此时只要对差异大监测点所在线路进行按后续办法的故障识别与定位即可。)

5.4基于近故障监测点与远故障监测点监测电压的频率特性差异判别故障区段

一条配电线路的多个监测点常常是沿线从头到尾地分布着，一个点故障会影响到全相各点或多点故障，这就要从中找出真正的故障点；由于配电线路都是容性的，它对信号的频率特性影响很显著；则我们可以推测到：邻近故障点的监测点监测数据的频率特性偏高，远离故障点的监测数据中其频率特性偏低。

5.5基于线路故障点故障信号到达多个监测点时间的精密监测确定故障位置

设某条配电线路上安装若干监测点:测点1、测点2、......测点N，设在测点2附件发生故障,故障点的电压突变信号沿线传到上游的2、1点，向下游渐次传到3、4......等各个监测点，各监测点分别收到监测信号并记下接收时间；根据这些监测点所处的不同位置和不同接收时间即可联合推算出故障点所在精密位置。设故障点前后各1个监测点分别为J1、J2，则推算出故障点到这两个监测点的距离分别为：

S1＝＝(D1--D2+d)/2；S2＝＝(D2--D1+d)/2；

其中D1、D2是在J1、J2两个监测点中测得的位置值，d是已知的J1、J2两个监测点之间的距离。

全系统所有监测点的监测行为统一基于GPS同步，GPS的秒定时精度可达到20ns；使得本系统定位精度可达到10米以内。

基于测点所在位置及传送时间推出故障位置，由多个测点位置及多个时间还可验证位置的准确度。

5.6局部瞬时性故障识别与定位--仅仅单个或几个监测点报警情况

(1)提取该点报警三相数据分别故障时刻前后的有效值，

①如果三相都是电压升高趋势，则主要是雷击影响；接着比较第8T、9T、……16T数据(T是工频周期)，如果升高几T后接着降低回复到正常，只给出瞬间雷击干扰报警；

②如果单相电压升高趋势、其他相正常，也给出该相瞬间雷击干扰报警；

③如果单监测点单相或2相、3相电压稍有降低，第9T、10T后恢复正常，判低压线路故障影响，增加对故障瞬间多T数据进行32次谐波分析(采样速率至少1600HZ)，测得谐波次级高时说明故障来自低压侧，谐波次级低时预指故障源于高压侧。

报警故障位置就是该监测点所在地。

(2)相邻多个监测点报警情况处理

2.1如果该多监测点三相数据分别第3T∽7T有效值电压升高趋势，且若干T后又降低且恢复，则是高压侧较大面积雷击干扰。

对于这些干扰性瞬间故障，增加对故障瞬间多T数据进行32次谐波分析(采样速率1600HZ)，测得谐波次级高时说明故障来自低压侧，谐波次级低时预指故障源于高压侧。

报警故障位置就是该多个监测点所在地。(同时多监测点报警其故障不会来自低压侧)

6实施案例

以阳新兴国线一支线(12345679监测点)为例，探讨其故障位置判别过程及逻辑关系。

设阳新县城区配电网络发生停电故障，配电管理中心收到兴国线一支线1234569监测点故障报警，查得1号点为监测首端、23456号点为兴国线中间监测点，9号为监测末端；

说明书附图4示出阳新县城配网分布、兴国线故障监测装置安装位置情况。

图中上部中间一条红线是兴国线，中间圆圈是阳新变电站；红线从下往上1—9是沿线安装的故障监测点，该线上部可见有4个分支，其中1—6、8—9点看作主线，7和10、11在不同支线上。

1月20日在该线发生一次故障，本系统后台收到各监测点故障报警及数据，后台针对该故障及各点监测数据整理出各点故障录波图为

41是兴国1号监测点故障波形——其中可见三相电突然降低趋近于0，41号处三相短路接地；

42是兴国2号监测点故障波形——其中可见三相电突然降低趋近于0，42号处三相短路接地；

43是兴国3号监测点故障波形——其中可见三相电突然降低趋近于0，43号处三相短路接地；

44是兴国4号监测点故障波形——其中可见三相电突然降低趋近于0，44号处三相短路接地；

45是兴国5号监测点故障波形——其中可见三相电突然降低趋近于0，45号处三相短路接地；

48是兴国8号监测点故障波形——其中可见三相电突然降低趋近于0，48号处三相短路接地；其中蓝色线(C相)在接地后出现瞬时高频性波形；

49是兴国线9号监测点故障波形——其中可见三相电压降低后主项为0，C相出现高频震荡。

Claims (5)

1.面向配网的配电线路故障定位系统，配电线路故障定位系统特征之一是有效区别故障信号来自高压线还是来自低压线；根据配电变压器的等效电路和运行参数推出配电变压器对于宽频信号的低通滤波器频率特性，由于配电变压器安装在配网高压线与用户低压线之间，既可以抑制低压线上多种故障或干扰信号对高压线的影响，又使来自配电高压线的故障信号经过变压器到达低压侧后频带变窄、频率降低，这就可有效区别了。

2.配电线路故障定位系统特征之二是：可从同一母线的多条配电线路识别出故障线路；电力变电站通过母线同时驱动多回配电线路向多个方向送出电能，这样某条线路受到某种原因产生的故障会通过母线同时影响到多条线路，这就要排除非故障线路的被动故障对真故障线路识别的影响；本系统采取圆满收集这些线路上同时发生的若干故障的数据，加工出它们分别的中心频率和带宽特性，还整理出电压瞬时值特性，抓住真故障点带宽特性完善和电压幅值强烈的特点来确定出真故障线。

3.配电线路故障定位系统系统特征之三是：基于故障相不同监测点的剩余电压数据判别故障所在区段；区别不同故障类别的故障点对应剩余电压具有不同的特点：单相接地故障时，故障点下游各监测点电压相对地低且电压大小基本一致，故障点上游各监测点数据相比较低压侧偏高一些，且往上游端高得更多一些；对于两相短路故障，短路点往下游的监测点电压基本相同且大小约在正常电压的一半左右，三相中正常相电压基本不变；对于三相短路故障，短路点往下游各监测点三相电压基本相同但电压大小趋于0值。

4.配电线路故障定位系统特征之四是：基于近故障监测点与远故障监测点监测电压的频率特性差异来判别故障区段，在频率特性上近故障点的高频特性好于远故障点，且近故障点高频幅值比远故障点相对高一些，这样就可比较确定出故障区段。

5.配电线路故障定位系统特征之五是：依据故障线路各监测点分别收到故障信号和接收时间，结合这些监测点所处的不同位置联合推算故障点所在精密位置；设故障点前后各1个监测点分别为J1、J2，则推算出故障点到这两个监测点的距离计算式是：S1＝＝(D1--D2+d)/2；S2＝＝(D2--D1+d)/2；其中D1、D2是在J1、J2两个监测点中测得的距离值，d是已知的J1、J2两个监测点之间的距离。