CN107340455B - 一种配电网高压线路单相断线故障识别方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及本发明所述的基于电能计量装置的配电网高压线路单相断线故障识别系统与方法，利用高供高计的二元件电能计量装置所测量的两相线电压相量数据，实现了对10kV配电线路单相断线故障的识别功能；利用高供低计三相四线制电能计量装置所测量的三相相电压相量数据，实现了对10kV配电线路单相断线故障的识别功能。通过大量安装具有单相断线故障识别功能的电能计量装置，由电能计量装置将电压相量数据及单相断线判定结果上传到远程主站进行分析，通过其安装位置的相对关系，可以定位出10kV配电网单相断线故障区间。

Description

一种配电网高压线路单相断线故障识别方法及应用
技术领域
本发明涉及配电网单相断线故障识别技术，更具体地说，涉及一种配电网高压线路单相断线故障识别方法、一种基于电能计量装置的配电网高压线路单相断线故障识别系统，以及一种基于电能计量装置的配电网高压线路单相断线故障识别方法。
背景技术
国内中压配电网系统的电压等级一般为10kV或35kV，采用中性点不接地或小电流接地的三相三线制系统。配电网线路的故障类型中，单相断线占有较大的比例，然而，安装于配电线路上的继电保护装置一般为过流、短路装置。在配电变压器的高压侧，通常采用跌落式熔断器经隔离开关方式接入配电网，然而，跌落式熔断器、隔离开关本体及其引接线的故障常常成为导致配电变压器缺相运行的主要原因。部分供电企业也使用分界开关来实现用户侧单相接地和短路故障类型的隔离保护，也没有具备识别电网侧的单相断线故障功能。
文献《配电网单相断线故障线电压分析及定位仿真》(中国电机工程学会2015年年会论文集)提出了利用三相线电压相量特征识别单相断线故障的方法，能够准确识别该类故障，其核心方法是：“在10kV中性点不接地或小电流接地的配电线路的任意一处测量三相线电压，如果测量的三相线电压满足矢量和为0，三相线电压相量之中电压最大的一相电压相量旋转180°为基准，如果其它两相线电压相量与基准之间的夹角分别满足小于±30.5980°，则测量点的靠近电源侧线路发生单相断线，断线相为线电压最大相的超前相。”
但上述文献公开的方法的局限性在于：需要所采用的故障识别装置设备必须能够在配电线路上同时采集三相线电压相量数据作为单相断线故障识别判据。
配电线路中，从母线到线路干线、支线末端，以及电力用户用电设备的产权分界点附近，安装了大量具有很高精度的电压传感器――即电能表。电力用户用电信息采集系统的建立，使各电能表都具备了直接或间接与远程主站数据通信的能力。如果能利用该类型装置实现所取得的电压数据，再采用上述文献公开的方法，就能识别出配电线路的单相断线故障及配电变压器缺相故障。
然而，现有技术的电能计量装置无法直接利用上述文献公开的方法直接实现单相断线判断，其原因是：
1、高供高计的三相三线制电能测量属二元件测量装置，只能测量两相的线电压，上述文献公开的方法所述判据需要三个线电压相量数据，无法直接利用所述的判定方法；
2、高供低计的三相四线制电能计量装置经过配电变压器高压到低压变换，在低压侧的电压幅值、相位已发生变化，所测得的电压幅值、相位角数据精度能否满足应用于高压侧电压保护或高压线路故障判定的问题，也未有任何现有技术进行公开。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够识别配电网高压线路单相断线故障(或缺相供电)的方法，以及基于该方法的基于电能计量装置的配电网高压线路单相断线故障识别系统、基于电能计量装置的配电网高压线路单相断线故障识别方法。
本发明的技术方案如下：
一种配电网高压线路单相断线故障识别方法，包括：
测量配电线路的两相线电压数据，计算第三相线电压数据，根据测量点的三相线电压相量，比较其有效值大小，比较线电压最大相与其超前相、滞后相之间相位夹角关系，判定识别测量点所处位置是否发生单相断线故障，进而判定识别电源侧单相断线故障；
测量接入配电网的配电变压器低压侧三相相电压相量数据，计算其对应的高压侧三相线电压相量数据，根据计算所得的三相线电压相量，比较其有效值大小，比较线电压最大相与其超前相、滞后相之间相位夹角关系，判定识别测量点所处位置是否发生单相断线故障，进而判定识别配电变压器高压侧线路的单相断线故障。
作为优选，判定识别电源侧单相断线故障中，在计算第三相线电压数据的约束条件是：测量的配电线路的两相线电压数据的有效值大于零。
作为优选，设在故障点前测量的两相线电压数据为第三相的线电压为/>在故障点后测量的两相线电压数据为/>第三相的线电压为/>则，/>
作为优选，在额定负载范围内，接线组别为Dyn11或Yyn0的配电变压器，设高压侧的线电压与低压侧的相电压之间的相量为代数线性关系，如果其换算后的高压侧的线电压相量数据满足作为识别高压侧是否发生单相断线故障的依据，则将所述的配电变压器作为电压互感器。
作为优选，接线组别为Dyn11的配电变压器，高压侧与低压侧的各相电压相量关系为：
作为优选，接线组别为Yyn0的配电变压器，高压侧与低压侧的各相电压相量关系为：
一种基于电能计量装置的配电网高压线路单相断线故障识别系统，包括电压互感器、二元件线电能计量装置、配电变压器、配电变压器所属的低压三相四线制电能计量装置，以及通信系统、远程主机；二元件线电能计量装置安装于中性点不接地或小电流接地(小电流接地系统在电力领域是个确定的范围，指的是电网系统的中性点是经过高、中电阻或消弧线圈接地的系统。)的配电网线路中，分布于配电网的各受电点，用于计量一段线路或高压设备的供电电量，低压三相四线制电能计量装置安装于配电变压器的低压侧出线处，用于计量配电变压器输出的电能；
基于所述的配电网高压线路单相断线故障识别方法，二元件线电能计量装置与低压三相四线制电能计量装置分别测量配电线路的两相线电压数据与接入配电网的配电变压器低压侧三相相电压数据，通过通信系统发送至远程主机，远程主机进行电源侧单相断线故障、配电变压器高压侧线路的单相断线故障，实现配电网高压线路单相断线故障识别。
作为优选，二元件线电能计量装置的电能计量方式为高供高计，低压三相四线制电能计量装置的电能计量方式为高供低计。
作为优选，通信系统采用已有的电力用户用电信息采集系统的通信系统；所述的配电网高压线路单相断线故障识别方法在电力用户用电信息采集系统进行。
一种基于电能计量装置的配电网高压线路单相断线故障识别方法，基于所述的配电网高压线路单相断线故障识别系统进行实现，具体步骤如下：
1)将采集到的同一时刻的两相线电压数据、三相相电压数据依次赋值给复变量U、V、W；
2)对U、V、W的数据进行有效性校验，如果三项数据中至少有两项数据的幅值等于零，则输出无效信息，结束故障识别；反之，则数据有效，进行步骤3)；
3)二元件线电能计量装置与低压三相四线制电能计量装置分别根据电能计量方式或配电变压器的接线组别，采用对应的计算方式，分别得到对应的测量点所在位置的三相线电压；
4)二元件线电能计量装置与低压三相四线制电能计量装置分别执行单相断线判断进程，比较三相线电压相量之间的幅值和相位角关系，判断测量点所在位置的高压线路是否发生单相断线故障；
5)如果判定发生单相断线故障，则将故障信息上传到远程主站，由远程主站进行故障点定位。
一种基于所述的配电网高压线路单相断线故障识别方法，基于所述的配电网高压线路单相断线故障识别系统进行实现，具体步骤如下：
1)电能计量装置定时采集的同一时刻的两相线电压数据、三相相电压数据，并定时将数据上传到远程主站；
2)远程主站将接收两相线电压数据、三相相电压数据依次赋值给复变量U、V、W，并对U、V、W的数据进行有效性校验，如果三项数据中至少有两项数据的幅值等于零，则输出无效信息，结束故障识别；反之，则数据有效，进行步骤3)；
3)远程主站根据计量装置的类型，二元件电能计量装置与低压三相四线制电能计量装置分别根据电能计量方式或配电变压器的接线组别，采用对应的计算方式，分别得到对应的测量点所在位置的三相线电压；
4)远程主站执行单相断线判断程序，比较三相线电压相量之间的幅值和相位角关系，判断测量点所在位置的高压线路是否发生单相断线故障；
5)远程主站输出单相断线故障判定信息。
本发明的有益效果如下：
本发明所述的配电网高压线路单相断线故障识别方法，能够判定识别电源侧单相断线故障、配电变压器高压侧线路的单相断线故障，进而实现对配电网单相断线故障识别的全网覆盖。而且只需测量配电线路的两相线电压数据，即可实现对电源侧单相断线故障的判定识别。常用的接线组别为Dyn11或Yyn0的10kV配电变压器，其低压侧的相电压相量与高压侧的线电压相量之间的关系可近似为代数线性关系，无论其处于空载还是满载状态，低压侧输出端所测量的电压相量数据的精度均能够满足电压保护的需求，因此可以将其视为一种特殊类型的电压互感器，其二次侧所测得的电压相量测量数据可用于判断一次侧是否有单相断线故障的依据。
本发明所述的基于电能计量装置的配电网高压线路单相断线故障识别系统与方法，利用高供高计的二元件电能计量装置所测量的两相线电压相量数据，实现了对10kV配电线路单相断线故障的识别功能；利用高供低计三相四线制电能计量装置所测量的三相相电压相量数据，实现了对10kV配电线路单相断线故障的识别功能。通过大量安装具有单相断线故障识别功能的电能计量装置，由电能计量装置将电压相量数据及单相断线判定结果上传到远程主站进行分析，通过其安装位置的相对关系，可以定位出10kV配电网单相断线故障区间。
附图说明
图1是三相三线制电表接线示意图；
图2是三相交流单相断线电路图；
图3a是变压器等效电路图；
图3b是变压器等效电路简化图；
图3c是忽略励磁支路的变压器等效电路图；
图4是本发明所述的系统原理框图；
图5是单相断线故障判断流程图；
图6是配网示意图；
图7是仿真模型图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。
本发明为了解决现有技术存在的不足，提供一种配电网高压线路单相断线故障识别方法，一种基于电能计量装置的配电网高压线路单相断线故障识别系统，以及一种基于电能计量装置的配电网高压线路单相断线故障识别方法；用于实现对配电网单相断线故障识别的全网覆盖，并进行故障点定位。
所述的配电网高压线路单相断线故障识别方法，包括：
测量配电线路的两相线电压数据，计算第三相线电压数据，根据测量点的三相线电压相量，比较其有效值大小，比较线电压最大相与其超前相、滞后相之间相位夹角关系，判定识别测量点所处位置是否发生单相断线故障，进而判定识别电源侧单相断线故障；
测量接入配电网的配电变压器低压侧三相相电压相量数据，计算其对应的高压侧三相线电压相量数据，根据计算所得的三相线电压相量，比较其有效值大小，比较线电压最大相与其超前相、滞后相之间相位夹角关系，判定识别测量点所处位置是否发生单相断线故障，进而判定识别配电变压器高压侧线路的单相断线故障。
实施于中性点不接地系统的10kV配电线路中，利用二元件电能计量装置(如：三相三线制电表或负控终端)实现对配电网单相断线故障识别。常见的电能计量系统的接线方式如图1所示，包括两个电压互感器(PT1、PT2)、两个电流互感器(CT1、CT2)、两个电能测量单元。其中，电压互感器采用V-V接线方式，电压变比为10000/100。
由于三相三线制电表内部仅包含两个电压测量元件，只能测量两个不同相的线电压相量(设所测的线电压为)，缺少了线电压相量/>显然无法满足背景技术所述的文献的结论的计算条件。但通过已知条件的计算，可以推算出第三项线电压相量，以满足单相断线计算条件的要求。
如图2所示，在三相交流电路中，包含三相负载Za、Zb、Zc，设B相负载电路断线，在断点前，三相三线制电表AB、BC两个电压测量元件所测得线电压相量为在断点后，所测得线电压相量为/>为计算断点之前和之后的第三项线电压/>推导计算可得：/>
即，设在故障点前测量的两相线电压数据为第三相的线电压为/>在故障点后测量的两相线电压数据为/>第三相的线电压为/>则，/>
通过上述计算，可获得线电压在此基础上，根据测量点的三相线电压相量，比较其有效值大小，比较线电压最大相与其超前相、滞后相之间相位夹角关系，判定识别测量点所处位置是否发生单相断线故障，进而判定识别电源侧单相断线故障。
在10kV配电网中，为测量线电压，必须经电压互感器PT进行降压才能够测量，由于PT采用V-V接线方式，当PT一次侧或二次侧开路时，因此测量装置所测得对应线电压有效值为零，则不成立。
另外，当配电有两条及以上导线断线时，在断线点后侧，测量装置所测得对两项线电压有效值为零，也不成立。
因此，在计算第三项线电压时，应附加上测量回路完整性约束前提条件，即PT所测得的两项线电压有效值均应大于零，表示为：
UAB＞0且UBC＞0；
或者Uab＞0且Ube＞0。
利用低压三相四线制电能计量装置(如：三相四线制电表或配变终端)实现对配电网单相断线故障识别。在通常应用中，三相四线制电表安装于配电变压器低压侧，所测量的电压为低压侧的三相相电压数据。
以下简要论述接线组别为Dyn11和Yyn0两种常用的10kV配电变压器高压侧缺少一相电源时，低压侧三相相电压的情况。
在理想情况下，如果配电变压器高压侧的接线组别为Dyn11，当配电变压器空载时，高压侧发生A相断线故障，设低压侧测量的三相相电压有效值数据为UAN、UBW、UON，则，UBM＝UM，JAM＝UCN＝0.5UN，其中，UN为低压侧额定相电压。
如果配电变压器高压侧的接线组别为Yyn0，当配电变压器空载时，设低压侧测量的三相相电压数据为UAN、UBN、UAN，则，UAN＝0，其中，uM为低压侧额定相电压。
然而，在实际应用中，由于制造工艺精度的影响，三相变压器的励磁阻抗并不一致，导致10kV配变缺相空载运行时,实测的三相电压数据与理论值有较大的差异。
因此，即使是通过比较低压侧三相相电压有效值与额定相电压有效值之间大小关系的方法，也只能在低压线路三相负载阻抗一致、配变的高低压侧电压接近额定电压等情况下的理想状态，才能较准确地识别。另外，当配电变压器接线组别为Yyn0时，低压三相负载不均衡导致中性点偏移明显，采用相电压有效值法作为判定配变断相判定的直接依据，极易出现故障误判。
以下对将配电变压器低压侧所测量的各相电压相量数据作为10kV线路单相断线的可行性进行说明。
1、物理模型分析
从本质上来说，无论是配电变压器或电压互感器(PT)，均属铁心变压器，都由两个或多个绕组组成，通过高导磁材料(一般为铁或铁磁材料)使绕组磁通高效耦合，实现电压或电流的变换。在10kV小电流接地系统中，配电变压器以及计量用PT一般均可视为两绕组铁心变压器，其单相等效电路如图3a、图3b所示。图中，R1、X1分别为一次侧绕组电阻、漏电抗，R2、X2分别为二次侧绕组的电阻、漏电抗，R’2、X’2分别为二次侧绕组折算到一次侧的电阻、漏电抗，Rm、Xm分别为变压器的磁化电阻和磁化电抗，Z为折算到二次侧的负载阻抗(对于配电变压器，负载阻抗可变，对于PT，负载阻抗可变为恒定数值)，Z’为二次侧绕组折算到一次侧的可变负载阻抗。设输入电压为Un，I1为一次侧电流，Im为励磁电流，I2为二次侧电流，I2’为折算到一次侧的电流。从原理上来说，配电变压器与电压互感器(PT)作为是等效的，可将配电变压器视为一种具有三个电压变换元件的特殊PT。
二元件电能计量装置所使用的PT一般采用V-V接线方式，用于测量10kV线电压，一次侧电压额定值为10000V，二次侧额定值为100V，计量PT的精度极高，其精度等级通常0.2或0.5级。因此，10kV计量PT的测量误差极小，所测量的一、二次线电压相量的关系为可表示为：即一、二次电压变比为n＝100，线电压相位角相同。则，
实际应用中，配电变压器的接线组别一般有Dyn11和Yyn0两种，一次侧线电压额定值为10000V，二次侧线电压额定值为400V。由于配电变压器二次侧一般采用三相四线制电能计量装置，所测量的电压为相电压。因此，必须分别分析Dyn11和Yyn0两种配电变压器二次侧相电压相量与一次侧线电压相量的之间关系。
配电变压器的高压侧额定线电压U1n＝10000V、低压侧额定线电压U2n＝400V高低压变比
从Dyn11配电变压器结构上来看，一次绕组的高压侧线电压与二次绕组的低压侧相电压磁通高效耦合在相同的铁心柱上，因此，其电压变换同相位对应关系为：高压侧线电压UAB对应低压侧相电压Uan、UBC对应Ubn、UCA对应Ucn。在忽略配电变压器本身阻抗因素的理想状态下，接线组别为Dyn11的配电变压器的一次侧AB线电压与二次侧an相电压相量的关系
则高低压侧的各相电压相量关系为：
其中，n为高低压变比。
即，
高压侧与低压侧的各相电压相量关系为：
从Yyn0配电变压器结构上来看，一次绕组的高压侧相电压与二次绕组的低压侧相电压磁通高效耦合在相同的铁心柱上，因此，其电压变换对应关系为：高压侧相电压UAN对应低压侧相电压Uan、UBN对应Ubn、UCN对应Ucn。低压侧的相电压对应的是高压侧的相电压，可通过计算得出高压侧的线电压相量与低压侧相电压相量之间的关系。
低压侧线电压与相电压相量的关系为：
则可推导出，在忽略配电变压器本身阻抗因素的理想状态下，接线组别为Yyn0的配电变压器的一次侧线电压与二次侧相电压相量的关系为可表示为：
其中，n为高低压变比。
即，
2、精度问题
由于PT内部存在的励磁电流和内阻抗，导致电压测量结果的误差，包括电压有效值误差(也称比差)和相位角误差(也称角差)。如前所述，10kV计量用PT的精度极高，其比差及角差都很小，完全可以满足测量和判断10kV配电线路单相断线的精度要求。
然而，关于将10kV配电变压器视为PT，通过三相四线制电能计量装置测量的电压相量的数据来判断高压侧单相断线故障，其数据精度能否满足要求，说明如下：
如图3b所示的配电变压器的单相等效电路，由于电力变压器的励磁阻抗很大，空载电流相对于额定电流很小，为便于分析，可进一步将电路中励磁支路忽略，配电变压器的单相等效电路图，如图3c所示。由于I1≈I2，于是可得出如下方程：
其中，为归算到一次侧的二次侧电压，/>为一次侧电压，Zeq变压器等效内阻抗，/>为归算到一次侧的二次侧负载电流。
当一次侧输入电压为额定电压时，当二次侧负载由空载逐渐增大到额定负载时，二次侧电流I2数值也将由0上升到额定电流值，由于一、二次绕组阻抗和漏电抗的存在，导致漏阻抗压降逐渐增大的分压效应，二次侧输出的电压值逐渐减小，并且，相对于空载，二次侧输出的电压相位角的滞后角度也逐渐增大。可见，负载阻抗的大小是是影响配电变压器电压转换精度的最主要因素，并且负载越大，二次侧电压的负偏差越大、滞后角度也越大。
以型号为S11-200kVA、接线组为Dyn11的配电变压器为例，当其输入电压为10kV且空载时，根据其铭牌参数，可计算得其二次侧空载时相电压约为U0＝230.9V，相位角与一次侧对应的线电压相位差约为0°。当配电变压器满载(功率因数为0.8)时，二次侧电压为Uf＝223.4V，满载时的电压相位角相对于空载时的电压相位角滞后约1.24°。
于是，可得该变压器的电压调整率为ΔU＝3.2％，满载相位偏移角α＝-1.24°。根据标准，精度级别为6P级保护用电压互感器，其电压误差(比差)限值为±6％，相位差(角差)限值为±4°，计算满载时变压器的ΔU及α数值均分别小于6P级保护用电压互感器的比差和角差。因此，将配电变压器视为一台电压互感器，其电压相量的变换精度可以满足电压保护的要求。
可见，常用的接线组别为Dyn11或Yyn0的10kV配电变压器，其低压侧的相电压相量与高压侧的线电压相量之间分别存在固定的数学变换关系，无论其处于空载还是满载状态，低压侧输出端所测量的电压相量数据的精度均能够满足电压保护的需求，因此可以将其视为一种特殊类型的电压互感器，其二次侧所测得的电压相量测量数据可用于判断一次侧是否有单相断线故障的依据。
本发明还提供一种基于电能计量装置的配电网高压线路单相断线故障识别系统，如图4所示，包括电压互感器、二元件电能计量装置(如三相三线制电能计量装置)、配电变压器、配电变压器所属的低压三相四线制电能计量装置，以及通信系统、远程主机；二元件电能计量装置安装于中性点不接地或小电流接地(小电流接地系统在电力领域是个确定的范围，指的是电网系统的中性点是经过高、中电阻或消弧线圈接地的系统。)的配电网线路中，分布于配电网的各受电点，用于计量一段线路或高压设备的供电电量，低压三相四线制电能计量装置安装于配电变压器的低压侧出线处，用于计量配电变压器输出的电能；
所述的三相三线制电能计量装置和三相四线制电能计量装置，是一种具有微型处理器的智能电能计量装置，通过在其微型处理器系统软件中增加配电网高压线路单相断线故障识别方法的程序，通过对所测量的电压相量数据的计算、处理和判断，从而推断出其所接10kV配电网是否出现单相断线故障。
基于所述的配电网高压线路单相断线故障识别方法，二元件电能计量装置与低压三相四线制电能计量装置分别测量配电线路的两相线电压数据与接入配电网的配电变压器低压侧三相相电压数据，通过通信系统发送至远程主机，远程主机进行电源侧单相断线故障、配电变压器高压侧线路的单相断线故障，实现配电网高压线路单相断线故障识别。
本实施例中，所述的配电变压器，是接线组别为Dyn11或Yyn0的10/0.4kV配电变压器，本发明所述的系统中，被视为一种特殊类型的电压互感器。
所述的通信系统，是负责主站与各电能计量装置之间进行双向数据传输的通信系统，实现涉及配电线路单相断线故障识别的参数、数据、信息的数据交互。可以采用已有的电力用户用电信息采集系统的通信系统作为实现配电线路单相断线故障识别的数据传输系统，可以将电能计量装置的配电线路单相断线故障识别功能直接集成到电力用户用电信息采集系统中。
所述的基于电能计量装置的配电网高压线路单相断线故障识别系统可实施于其他应用场合，如，还可以集成到配电故障信息定位系统，也可以建立一个专用的系统。具体实施方式的选择，可需要具体实施需求而确定。
二元件电能计量装置的电能计量方式为高供高计，低压三相四线制电能计量装置的电能计量方式为高供低计。
本发明还提供一种基于电能计量装置的配电网高压线路单相断线故障识别方法，基于所述的配电网高压线路单相断线故障识别系统进行实现，通过更换或程序升级更新方式，将配电网中已有的公用变或专用变电能计量装置(包括电能表、负荷管理终端、配变监控终端或集中器)改造为具有配电线路单相断线故障识别功能的电能计量装置，并根据其计量方式(高供高计或高供低计)、配变接线组别(Dyn11或Yyn0)参数预先输入到计量装置的内部存储器中。
具体步骤如下：
1)将采集到的同一时刻的两相线电压数据、三相相电压数据依次赋值给复变量U、V、W；
2)对U、V、W的数据进行有效性校验，如果三项数据中至少有两项数据的幅值等于零，则输出无效信息，结束故障识别；反之，则数据有效，进行步骤3)；
3)二元件电能计量装置与低压三相四线制电能计量装置分别根据电能计量方式或配电变压器的接线组别，采用对应的计算方式，分别得到对应的测量点所在位置的三相线电压；
4)二元件电能计量装置与低压三相四线制电能计量装置分别执行单相断线判断进程，比较三相线电压相量之间的幅值和相位角关系，判断测量点所在位置的高压线路是否发生单相断线故障；
5)如果判定发生单相断线故障，则将故障信息上传到远程主站，由远程主站进行故障点定位。
将所述的方法简化成逻辑流程，如图5所示，具体如下：
(1)将采集到的同一时刻三相(或两相)电压相量数据依次赋值给复变量U、V、W。
(2)对U、V、W的数据进行有效性校验，如果三项数据中至少有两项数据的幅值(即电压有效值)等于零，则输出“所采集的电压相量无效”提示信息。反之，则数据有效，进一步进行数据转换。
(3)根据计量方式及配变接线组别，采取不同的计算方式，计算出测量点所在位置的高压线路三相线电压。计算公式如下：
1)高供高计(三相三线制)，按照下列公式计算出折算到高压侧的三相线电压相量：
2)高供低计(三相四线制)、接线组别Dyn11，按照下列公式计算出折算到高压侧的三相线电压相量：
3)高供低计(三相四线制)、接线组别Yyn0，按照下列公式计算出折算到高压侧的三相线电压相量：
(4)执行单相断线判断子进程，比较三相线电压相量之间的幅值和相位角关系，判断测量点所在位置的高压线路是否发生单相断线故障。
(5)如果判定线路发生单相断线故障，则输出报警信息，并通过将信息上传到远程主站。
本发明还提供另一种判定方法，由远程主站进行断线判定。二元件电能计量装置与低压三相四线制电能计量装置分别测量配电线路的两相线电压数据与接入配电网的配电变压器低压侧三相相电压数据，通过通信系统发送至远程主机，由远程主机进行电源侧单相断线故障、配电变压器高压侧线路的单相断线故障，实现配电网高压线路单相断线故障识别。
具体步骤如下：
1)电能计量装置定时采集的同一时刻的两相线电压数据、三相相电压数据，并定时将数据上传到远程主站；
2)远程主站将接收两相线电压数据、三相相电压数据依次赋值给复变量U、V、W，并对U、V、W的数据进行有效性校验，如果三项数据中至少有两项数据的幅值等于零，则输出无效信息，结束故障识别；反之，则数据有效，进行步骤3)；
3)远程主站根据计量装置的类型，二元件电能计量装置与低压三相四线制电能计量装置分别根据电能计量方式或配电变压器的接线组别，采用对应的计算方式，分别得到对应的测量点所在位置的三相线电压；
4)远程主站执行单相断线判断程序，比较三相线电压相量之间的幅值和相位角关系，判断测量点所在位置的高压线路是否发生单相断线故障；
5)远程主站输出单相断线故障判定信息。
实施例仿真及结果
(一)配电网图
设10kV配电网线路，如图6所示，线路上安装包括M0至M4共5套电能计量装置，线路末端共接入T1至T4共4台型号参数相同的10kV配变，各配变的低压侧各自带有三相负载。
具体参数如下，10kV配电网线路总长5km，与该线路同段母线的其它线路合计总长为50km相连的；10kV配变参数为：型号S11-200/10，空载损耗325W，负载损耗2600W，短路阻抗百分比4.0％，空载电流百分比0.9％；配变T1、T2的低压侧各相负载阻抗均为0.8Ω，配变T3、T4的低压侧ABC三相负载阻抗依次为0.8Ω、0.8+j0.6Ω、0.8+j0.6Ω。
(二)仿真图及仿真测量数据
根据上述的模型及参数，采用Matlab Simulink仿真软件建立仿真模型如图7所示。图中，在电能计量装置M0到M1之间，发生单相断线不接地故障，断线B相。
通过模拟运行并测量各计量点的数据如表1所示。
表1：各测量点电压相量原始数据
测量点 接线组别 U V W
M0(参照点) 9999.93∠0.00 10000.05∠-120.00 9999.95∠120.00
M1(高计) Dyn11 4526.36∠-69.47 5417.48∠-54.15
M2(高计) Yyn0 4526.36∠-69.47 5417.48∠-54.15
M3(低计) Dyn11 103.09∠-71.60 121.84∠-55.15 221.65∠117.88
M4(低计) Yyn0 183.19∠-79.10 23.64∠-153.11 215.63∠131.12
(三)仿真计算结果
根据表1的数据，计算所得的折算到高压侧的三相数据如表2所示。
表2：经计算转换后的高压侧电压相量数据
比较分析表1、表2的数据，对于小电流接地配电网系统中的电能计量装置，可总结出如下规律:
规律1：三相三线制计量装置直接测量的线电压相量包括AB、BC两相数据，通过公式可计算出CA相数据，CA线电压计算值与直接测量值之间差异极小。/>
规律2：配变低压侧负载阻抗相同情况下，当高压侧发生单相断线时，对于采用高供高计电能计量装置的配变，无论配变的接线组别是Dyn11还是Yyn0，都不影响所测的高压侧线电压相量数据。
规律3：配变低压侧负载阻抗相同情况下，当高压侧发生单相断线时，对于采用高供低计电能计量装置的配变，配变的接线组别为Dyn11或Yyn0，对所测的低压侧相电压相量的电压有效值和相位角具有很大差异，但将低压侧相电压相量数据分别换算成高压侧线电压相量数据后，所得数据之间差异很小，可准确反映高压侧的线电压相量情况。
规律4：由规律1、2、3可进一步得出以下结论，安装于不同接线组别的配变的电能计量装置所直接测量或经变换过间接取得的高压侧三相线电压相量数据，它们之间的数据差异很小，其精度可以满足用于判断高压线路单相断线故障判定的需求。
根据表2的数据，可以按判定方法判定测量点的来电侧单相断线情况，如表3所示。
表3：单相断线判定结果
测量点 接线组别 电压最大相 A1(°) A2(°) 判定结果
M0(参照点) BC 60 60 未断线
M1(高计) Dyn11 CA 6.97 8.35 B相断线
M2(高计) Yyn0 CA 6.97 8.35 B相断线
M3(低计) Dyn11 CA 6.97 9.48 B相断线
M4(低计) Yyn0 CA 7.62 9.04 B相断线
表3中，A1、A2为线电压最大相的相量旋转180°后与其它两项线电压相量之间的夹角，显然，测量点M0所计算得的A1、A2值均大于30.5980°，因此判定M0的电源侧正常；M1、M2、M3、M4的A1、A2数值相近并且均小于30.5980°，由于线电压最大为CA相，因此，可判定电源侧有单相断线故障，断线相为CA相的超前相，即B相。
上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种配电网高压线路单相断线故障识别方法，其特征在于，包括电压互感器、二元件电能计量装置、配电变压器、配电变压器所属的低压三相四线制电能计量装置，以及通信系统、远程主机；二元件电能计量装置安装于中性点不接地或小电流接地的配电网线路中，分布于配电网的各受电点，用于计量一段线路或高压设备的供电电量，低压三相四线制电能计量装置安装于配电变压器的低压侧出线处，用于计量配电变压器输出的电能；
采用二元件电能计量装置测量配电线路的两相线电压数据，计算第三相线电压数据，根据测量点的三相线电压相量，比较其有效值大小，比较线电压最大相与其超前相、滞后相之间相位夹角关系，判定识别测量点所处位置是否发生单相断线故障，进而判定识别电源侧单相断线故障；
采用低压三相四线制电能计量装置测量接入配电网的配电变压器低压侧三相相电压相量数据，计算其对应的高压侧三相线电压相量数据，根据计算所得的三相线电压相量，比较其有效值大小，比较线电压最大相与其超前相、滞后相之间相位夹角关系，判定识别测量点所处位置是否发生单相断线故障，进而判定识别配电变压器高压侧线路的单相断线故障，
通过通信系统发送至远程主机，远程主机进行电源侧单相断线故障、配电变压器高压侧线路的单相断线故障，实现配电网高压线路单相断线故障识别；
具体步骤如下：
1)电能计量装置定时采集的同一时刻的两相线电压数据、三相相电压数据，并定时将数据上传到远程主站；
2)远程主站将接收两相线电压数据、三相相电压数据依次赋值给复变量U、V、W，并对U、V、W的数据进行有效性校验，如果三项数据中至少有两项数据的幅值等于零，则输出无效信息，结束故障识别；反之，则数据有效，进行步骤3)；
3)远程主站根据计量装置的类型，二元件电能计量装置与低压三相四线制电能计量装置分别根据电能计量方式或配电变压器的接线组别，采用对应的计算方式，分别得到对应的测量点所在位置的三相线电压；
4)远程主站执行单相断线判断程序，比较三相线电压相量之间的幅值和相位角关系，判断测量点所在位置的高压线路是否发生单相断线故障；
5)远程主站输出单相断线故障判定信息。
2.根据权利要求1所述的配电网高压线路单相断线故障识别方法，其特征在于，判定识别电源侧单相断线故障中，在计算第三相线电压数据的约束条件是：测量的配电线路的两相线电压数据的有效值大于零。
3.根据权利要求2所述的配电网高压线路单相断线故障识别方法，其特征在于，设在故障点前测量的两相线电压数据为第三相的线电压为/>在故障点后测量的两相线电压数据为/>第三相的线电压为/>则，/>
4.根据权利要求1所述的配电网高压线路单相断线故障识别方法，其特征在于，在额定负载范围内，接线组别为Dyn11或Yyn0的配电变压器，设高压侧的线电压与低压侧的相电压之间的相量为代数线性关系，如果其换算后的高压侧的线电压相量数据满足作为识别高压侧是否发生单相断线故障的依据，则将所述的配电变压器作为电压互感器。
5.根据权利要求4所述的配电网高压线路单相断线故障识别方法，其特征在于，接线组别为Dyn11的配电变压器，高压侧与低压侧的各相电压相量关系为：
其中，n为高低压变比。
6.根据权利要求4所述的配电网高压线路单相断线故障识别方法，其特征在于，接线组别为Yyn0的配电变压器，高压侧与低压侧的各相电压相量关系为：
其中，n为高低压变比。
7.一种基于电能计量装置的配电网高压线路单相断线故障识别方法，其特征在于，包括电压互感器、二元件电能计量装置、配电变压器、配电变压器所属的低压三相四线制电能计量装置，以及通信系统、远程主机；二元件电能计量装置安装于中性点不接地或小电流接地的配电网线路中，分布于配电网的各受电点，用于计量一段线路或高压设备的供电电量，低压三相四线制电能计量装置安装于配电变压器的低压侧出线处，用于计量配电变压器输出的电能；
采用二元件电能计量装置测量配电线路的两相线电压数据，计算第三相线电压数据，根据测量点的三相线电压相量，比较其有效值大小，比较线电压最大相与其超前相、滞后相之间相位夹角关系，判定识别测量点所处位置是否发生单相断线故障，进而判定识别电源侧单相断线故障；
采用低压三相四线制电能计量装置测量接入配电网的配电变压器低压侧三相相电压相量数据，计算其对应的高压侧三相线电压相量数据，根据计算所得的三相线电压相量，比较其有效值大小，比较线电压最大相与其超前相、滞后相之间相位夹角关系，判定识别测量点所处位置是否发生单相断线故障，进而判定识别配电变压器高压侧线路的单相断线故障，
通过通信系统发送至远程主机，远程主机进行电源侧单相断线故障、配电变压器高压侧线路的单相断线故障，实现配电网高压线路单相断线故障识别；
具体步骤如下：
1)将采集到的同一时刻的两相线电压数据、三相相电压数据依次赋值给复变量U、V、W；
2)对U、V、W的数据进行有效性校验，如果三项数据中至少有两项数据的幅值等于零，则输出无效信息，结束故障识别；反之，则数据有效，进行步骤3)；
3)二元件线电能计量装置与低压三相四线制电能计量装置分别根据电能计量方式或配电变压器的接线组别，采用对应的计算方式，分别得到对应的测量点所在位置的三相线电压；
4)二元件线电能计量装置与低压三相四线制电能计量装置分别执行单相断线判断进程，比较三相线电压相量之间的幅值和相位角关系，判断测量点所在位置的高压线路是否发生单相断线故障；
5)如果判定发生单相断线故障，则将故障信息上传到远程主站，由远程主站进行故障点定位。
8.根据权利要求7所述的基于电能计量装置的配电网高压线路单相断线故障识别方法，其特征在于，二元件电能计量装置的电能计量方式为高供高计，低压三相四线制电能计量装置的电能计量方式为高供低计。
9.根据权利要求7所述的基于电能计量装置的配电网高压线路单相断线故障识别方法，其特征在于，通信系统采用电力用户用电信息采集系统的通信系统；所述的配电网高压线路单相断线故障识别方法在电力用户用电信息采集系统进行。
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