CN109254226B - 异地相间接地短路故障检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异地相间接地短路故障检测系统及其检测方法，通过采集单元、监测单元、判决单元的相互配合，将满足扰动条件的录波波形，上送给判决单元，实时监测PT侧二次开口三角电压获得的零序电压数据，并通过对零序电压波形的分析，判断是否发生了接地故障，经过对波形的判断，最终生成异地相间接地短路故障的报警和故障定位结果。

Description

异地相间接地短路故障检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种测系统及其检测方法，尤其涉及一种异地相间接地短路故障检测系统及其检测方法。

背景技术

就现有的配电线路来看，其分支多，线路长，拓扑复杂。当出现短路或接地故障时，必须尽快隔离和排除故障，否则会严重影响供电质量和效率，甚至带来供电安全的问题。

为了能尽快隔离和排除故障，又不造成大面积的停电，就需要对故障进行准确的定位。目前在短路故障检测主要是检测的某条线路某个位置的相间直接短路，而接地故障检测主要检测的也是某条线路某个位置发生的接地故障，对于不同线路两个位置都发生了接地故障，从而造成了相间经地短路故障没有涉及到。

异地相间经地短路故障往往是某一个位置发生了接地故障，造成了非故障相的电压升高到正常的额定电压范围上，从而造成了其他位置的非故障相线路绝缘被破坏，造成这些位置也发生了接地，从而两个位置构成了异地的经地相间短路。

但是，这类相间经地短路故障的相电流变化不如相间直接短路的相电流变化大，而且不一定会造成短路跳闸，故现有短路故障检测方法既无法发生在两个位置的短路故障做判断，也不完全适用相电流突变更小的经地相间短路。而单相接地故障的判断只会给出相间短路发生的一个位置，而不会去判断另外一个接地点的位置。

有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种异地相间接地短路故障检测系统及其检测方法，使其更具有产业上的利用价值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种异地相间接地短路故障检测系统及其检测方法。

本发明的异地相间接地短路故障检测系统，其中：包括有用于线路的相电流检测的采集单元，所述采集单元安装于配电线路上，采集相电流波形并存储在本地，所述采集单元上连接有判决单元，用于将满足扰动条件的录波波形，上送给判决单元。

还包括有监测零序电压的监测单元，用于实时监测PT侧二次开口三角电压获得的零序电压数据，并通过对零序电压波形的分析，判断是否发生了接地故障。

还包括有判决单元，接收采集单元和监测单元上送的波形，经过对波形的判断，最终生成异地相间接地短路故障的报警和故障定位结果。

进一步地，上述的异地相间接地短路故障检测系统，其中，所述采集单元包括有电流感应模块，所述电流感应模块的输出端连接有模数转换模块，所述模数转换模块的输出端连接有存储模块，所述存储模块的输出端连接有电流测量模块，所述电流测量模块上连接有通信模块，所述电流感应模块、模数转换模块、存储模块、电流测量模块、通信模块、时钟模块上同时连接有时钟模块与电源模块，所述电源模块上连接有取能模块。

更进一步地，上述的异地相间接地短路故障检测系统，其中，所述监测单元包括有模数转换模块，所述模数转换模块的输出端连接有数据预处理模块，所述数据预处理模块的输出端连接有波形判断模块，所述波形判断模块的输出端连接有通信模块，模数转换模块、数据预处理模块、波形判断模块、通信模块上同时连接有时钟模块与电源模块。

异地相间接地短路故障检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，采用相电流采集单元，实时监测相电流数据，监测是否某相电流满足扰动条件，若满足扰动条件，则上送该相的扰动波形到判决单元。

步骤二，采用监测单元，实时监测PT侧二次开口三角电压获得的零序电压，根据零序电压的变化判断系统是否发生了单相接地故障，以及单相接地故障是否结束，若存在接地故障，则分别将故障开始时刻和结束时刻发给判决单元。

步骤三，采用判决单元在故障持续期间，对上送的扰动波形进行波形识别和判断，最终得到是否发生了异地异相经地短路故障，并输出判决结果和故障定位结果；

所述扰动波形上报的故障波形是扰动发生时刻点的前M1个周波和后M2个周波，其中M1，M2为预设定的参数，所述M1≥2，默认为4，所述M2≥4，默认为8，当判断发生了单相接地故障时，将满足条件的绝对时标记录下来，精确到微秒级，作为故障发生时刻。

进一步地，上述的异地相间接地短路故障检测方法，其中，所述步骤一中，通过相电流采集单元采集和测量相电流，计算每个周波的相电流有效值记为I(k)，其中k表示第k个周波；计算第k个周波的有效值和前一次有效值的差，记为ΔI(k)＝I(k)-I(k-1)，设W为该差值设定一个阈值TH_I，如果ΔI(k)超过这个阈值，该相则上报扰动波形，并带上绝对时间时标，所述绝对时间时标的时间精度到微秒级，所述TH_I默认为150，取值范围为50至600。

更进一步地，上述的异地相间接地短路故障检测方法，其中，所述步骤二中，监测单元实时监测PT二次侧开口三角电压获得的零序电压，获得零序电压每个采样点的即时值V(n)和其前一个周波相同位置的差值ΔV(n)＝V(n)-V(n-N)，其中N为一个周波的采样点数，为该差值预设定一阈值TH_V；

当某个采样点的差值超过这个门限时，特定计数器C1开始从零计数加一，如果接下来的采样点的差值不满足门限，则计数器减一，且减到零后不再减，如果计数器的计数超过预设定的阈值TH_C1，即判断供电系统发生了单相接地故障，将该发生的绝对时标记录下来；所述TH_V默认值为15，取值范围为10至100，所述TH_C1默认值为3，取值范围为1至256。

更进一步地，上述的异地相间接地短路故障检测方法，其中，所述步骤二中，监测单元实时监测PT二次侧开口三角电压获得的零序电压，获得零序电压每个采样点估计零序电压的有效值Veff(n)，如果估计的有效值超过预设定的阈值TH_V1，则特定计数器C2开始从零计数并加一；如果接下来的采样点差值不满足门限，则计数器减一，且减到零后不再减；如果计数器计数超过一个预设定的阈值TH_C2，则判断供电系统发生了单相接地故障，将该发生的绝对时标记录下来；所述TH_V1默认值为15，取值范围为5至100，所述TH_C2默认值为5，取值范围为1至256。

更进一步地，上述的异地相间接地短路故障检测方法，其中，所述步骤二中，若零序电压的有效值低于预先设定的阈值TH_V2，则计数器C3开始从零计数并加一，若接下来的采样点估计的有效值不满足门限，即高于TH_V2，则计数器C3减一，且减到零后不再减；

若计数器C3的计数超过一个预设定的阈值TH_C3,则判断已经退出单相接地故障，将该退出的绝对时标记录下来，其中TH_V2默认为5，范围为1至50，其中TH_C3默认为128，范围为1至1024，最终，将故障发生和退出的故障波形和绝对时标都发送给判决单元。

更进一步地，上述的异地相间接地短路故障检测方法，其中，所述步骤三中，所述判决单元在接收到接地故障启动通知后，在接收到接地故障结束通知前，将采集单元每次上送的扰动波形进行接地短路的电流特征判断，找到满足电流特征的所有采集单元，将电流按照从母线向电力线流出的方向定义上下游，

若接地短路满足电流特征的所有采集单元位于两条线路上，则每条线路只保留满足条件的最下游的采集单元，

根据最后保留的两个采集单元的位置，得到接地短路故障的两个故障点的位置，

若该采集单元下游还有安装的其他采集单元，则故障位置位于该采集单元和其最相邻的下游采集单元之间，

若该采集单元下游没有其他采集单元，则故障位置就位于该采集单元的下游。

再进一步地，上述的异地相间接地短路故障检测方法，其中，所述接地短路的电流特征判断过程为，同时检查在一个时间窗上传的扰动波形，如果该采集单元上报的扰动报警，只有一相的相电流数据，则保留，扰动报警的判断使用的绝对时间窗长度为TH_T,所述TH_T默认为10ms，范围在0至40ms。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

1、可以在发生接地短路故障时，检测到这类复合故障的发生，同时定位两个故障点的位置。

2、能够排除两个故障点的故障危害，便于第一时间处置故障。

3、硬件易于装配和调试使用，能够与现有的三相配电线路配合。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是异地相间接地短路故障检测系统的分布示意图。

图2是采集单元的结构示意图。

图3是监测单元的结构示意图。

图4是本发明提供的检测方法的实施流程示意图。

图5是实施例一中，零序电压波形示意图。

图6是实施例一中，A相满足扰动报警的波形示意图。

图7是实施例一中，B相满足扰动报警的波形示意图。

图中各附图标记的含义如下。

1 采集单元 2 监测单元

3 判决单元 4 电流感应模块

5 模数转换模块 6 存储模块

7 电流测量模块 8 通信模块

9 时钟模块 10 电源模块

11 取能模块 12 数据预处理模块

13 波形判断模块

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1至7的异地相间接地短路故障检测系统，其与众不同之处在于：包括有用于线路的相电流检测的采集单元1，采集单元1安装于配电线路上，采集相电流波形并存储在本地，采集单元1上连接有判决单元3，用于将满足扰动条件录波波形，上送给判决单元3。同时，还包括有监测零序电压的监测单元2，用于实时监测PT侧二次开口三角电压获得的零序电压数据，并通过对零序电压波形的分析，判断是否发生了接地故障。并且，为了实现故障的正确判断，避免误判和造成处理干扰，本发明还包括有判决单元3。实际实施时，接收判决单元3采集单元1和监测单元2上送的波形，经过对波形的判断，最终生成异地相间接地短路故障的报警和故障定位结果。

进一步来看，为了有效采集电流数据，采集单元1包括有电流感应模块4，电流感应模块4的输出端连接有模数转换模块5，模数转换模块5的输出端连接有存储模块6，存储模块6的输出端连接有电流测量模块7，电流测量模块7上连接有通信模块8，，再者，电流感应模块4、模数转换模块5、存储模块6、电流测量模块7、通信模块8、时钟模块9上同时连接有时钟模块9与电源模块10，在电源模块上连接有取能模块11。

为了更好的进行实施运作，本发明采用的监测单元2包括有模数转换模块5，模数转换模块5的输出端连接有数据预处理模块12，数据预处理模块12的输出端连接有波形判断模块13，波形判断模块13的输出端联机有通信模块8。同时，模数转换模块5、数据预处理模块12、波形判断模块13、通信模块8上同时连接有时钟模块9与电源模块10。

具体来说，监测单元2在实际装配时，数模转换模块主要由美国AD公司的16位低功耗模数转换芯片AD7171及辅助电路构成。数据预处理模块12主要通过数字基带的滤波算法实现，其可以采用常见的平滑滤波和低通滤波对数据进行处理，降低干扰、噪声的影响。波形判断模块13主要运行在微处理器上实现对波形的辨识，从而得到是否有接地故障发生的结论。数据预处理模块12和波形判断模块13适合运行在低功耗微处理器平台上，例如美国意法半导体公司的STM32L4+芯片或爱特梅尔公司的SAM9G45。通信模块8一般支持中国移动，中国联通，中国电信的2G/3G.4G通信网络，其可以采用华为公司的华为ME909s-821模块。时钟模块9是以GPS/北斗模块为核心搭建，GPS/北斗模块可以采用ublox公司的neon-M8模块。电源模块10可以采用上海明纬电气有限公司的电源模块10HDR 60-5为主搭建。

同时，采集单元1采用的电流感应模块4通过CT铁芯感应测量。数模转换模块主要由美国AD公司的16位低功耗模数转换芯片AD7171及辅助电路构成。波形判断模块13主要运行在微处理器上实现对波形的辨识，从而得到是否有接地故障发生的结论。

电流测量模块7运行在低功耗微处理器平台上，例如美国意法半导体公司的STM32L4+芯片或爱特梅尔公司的SAM9G45。存储模块6一般采用外置的flash。通信模块8一般支持中国移动、中国联通、中国电信的2G/3G.4G通信网络，可以采用华为公司的华为ME909s-821模块。时钟模块9是以GPS/北斗模块为核心搭建，GPS/北斗模块可以采用ublox公司的neon-M8模块。电源模块10主要进行电源管理，可以采用TI公司的电源管理芯片TPS65043加上辅助电路构成，取能模块11也是通过CT铁芯感应取电。并且，判决单元3可以运行于云空间，例如阿里云，也可以运行于服务器或工控机上。

为了更好的将本发明提供的系统进行应用，现提供一种异地相间接地短路故障检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，采用相电流采集单元，实时监测相电流数据，监测是否某相电流满足扰动条件，若满足扰动条件，则上送该相的扰动波形到判决单元。具体来说，通过相电流采集单元采集和测量相电流，计算每个周波的相电流有效值记为I(k)，其中k表示第k个周波。之后，计算第k个周波的有效值和前一次有效值的差，记为ΔI(k)＝I(k)-I(k-1)，设W为该差值设定一个阈值TH_I。如果ΔI(k)超过这个阈值，该相则上报扰动波形，并带上绝对时间时标。该绝对时间时标的时间精度到微秒级，TH_I默认为150，取值范围为50至600。

步骤二，采用监测单元，实时监测PT侧二次开口三角电压获得的零序电压，根据零序电压的变化判断系统是否发生了单相接地故障，以及单相接地故障是否结束，若存在接地故障，则分别将故障开始时刻和结束时刻发给判决单元。具体来说，监测单元实时监测PT二次侧开口三角电压获得的零序电压，获得零序电压每个采样点的即时值V(n)和其前一个周波相同位置的差值ΔV(n)＝V(n)-V(n-N)，其中N为一个周波的采样点数，为该差值预设定一阈值TH_V。

当某个采样点的差值超过这个门限时，特定计数器C1开始从零计数加一，如果接下来的采样点的差值不满足门限，则计数器减一，且减到零后不再减。在此期间，如果计数器的计数超过预设定的阈值TH_C1，即判断供电系统发生了单相接地故障。结合实际实施来看，TH_V默认值为15，取值范围为10至100，TH_C1默认值为3，取值范围为1至256。

结合本发明一较佳的实施方式来看，采用监测单元实时监测PT二次侧开口三角电压获得的零序电压，获得零序电压每个采样点估计零序电压的有效值Veff(n)。如果估计的有效值超过预设定的阈值TH_V1，则特定计数器C2开始从零计数并加一。如果接下来的采样点差值不满足门限，则计数器减一，且减到零后不再减。如果计数器计数超过一个预设定的阈值TH_C2，则判断供电系统发生了单相接地故障。结合实际实施来看，TH_V1默认值为15，取值范围为5至100，TH_C2默认值为5，取值范围为1至256。

同时，在步骤二的实施过程中，若零序电压的有效值低于预先设定的阈值TH_V2，则计数器C3开始从零计数并加一。并且，若接下来的采样点估计的有效值不满足门限，即高于TH_V2，则计数器C3减一，且减到零后不再减。结合实际实施来看，若计数器C3的计数超过一个预设定的阈值TH_C3,则判断已经退出单相接地故障，将该退出的绝对时标记录下来(精确到微秒级)，其中TH_V2默认为5，范围为1至50，其中TH_C3默认为128，范围为1至1024。

最终，将故障发生和退出的故障波形和绝对时标都发送给判决单元。

步骤三，采用判决单元在故障持续期间，对上送的扰动波形进行波形识别和判断，最终得到是否发生了异地异相经地短路故障，并输出判决结果和故障定位结果。在此期间，扰动波形上报的故障波形是扰动发生时刻点的前M1个周波和后M2个周波，其中M1，M2为预设定的参数，M1≥2，默认为4，M2≥4，默认为8。同时，当判断发生了单相接地故障时，将满足条件的绝对时标记录下来，精确到微秒级，作为故障发生时刻。

再进一步来看，本发明涉及的判决单元在接收到接地故障启动通知后，在接收到接地故障结束通知前，将采集单元每次上送的扰动波形进行接地短路的电流特征判断，找到满足电流特征的所有采集单元，将电流按照从母线向电力线流出的方向定义上下游。

具体来说，若接地短路满足电流特征的所有采集单元位于两条线路上，则每条线路只保留满足条件的最下游的采集单元。同时，根据最后保留的两个采集单元的位置，得到接地短路故障的两个故障点的位置。若该采集单元下游还有安装的其他采集单元，则故障位置位于该采集单元和其最相邻的下游采集单元之间。若该采集单元下游没有其他采集单元，则故障位置就位于该采集单元的下游。结合实际实施来看，接地短路的电流特征判断过程为，同时检查在一个时间窗上传的扰动波形，如果该采集单元上报的扰动报警，只有一相的相电流数据，则保留，扰动报警的绝对之间差，不超过阈值TH_T,TH_T默认为10ms，范围在0至40ms。

实施例一

本发明的工作原理如下，如图5至7所示：零序电压监测单元于某日监测到零序电压满足条件，监测线路有接地故障发生。零序电压波形：本次判断，TH_V1＝15，TH_N1＝3，TH_Vref＝15，TH_N2＝3。可以看到零序电压突变和有效值都达到了门限，判断接地故障定位发生在召坡线。而在16点22分49秒在召坡线1#杆发现了A相满足扰动报警(TH_I设置为150)。同时在荣通I回线1#杆发现了B相满足扰动报警。系统产生异地异相报警，故障位置分别位于召坡线1#和64#之间，以及荣通I回线1#和140#杆之间。线路运维人员也分别在两个位置找到了线路故障，并排除了故障。

通过上述的文字表述并结合附图可以看出，采用本发明后，拥有如下优点：

1、可以在发生接地短路故障时，检测到这类复合故障的发生，同时定位两个故障点的位置。

2、能够排除两个故障点的故障危害，便于第一时间处置故障。

3、硬件易于装配和调试使用，能够与现有的三相配电线路配合。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.异地相间接地短路故障检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，采用相电流采集单元，实时监测相电流数据，监测是否某相电流满足扰动条件，若满足扰动条件，则上送该相的扰动波形到判决单元，

通过相电流采集单元采集和测量相电流，计算每个周波的相电流有效值记为I(k)，其中k表示第k个周波；

计算第k个周波的有效值和前一次有效值的差，记为ΔI(k)＝I(k)-I(k-1)，设W为该差值设定一个阈值TH_I，

如果ΔI(k)超过这个阈值，该相则上报扰动波形，并带上绝对时间时标，

所述绝对时间时标的时间精度到微秒级，所述TH_I默认为150，取值范围为50至600；

步骤二，采用监测单元，实时监测PT侧二次开口三角电压获得的零序电压，根据零序电压的变化判断系统是否发生了单相接地故障，以及单相接地故障是否结束，若存在接地故障，则分别将故障开始时刻和结束时刻发给判决单元；

监测单元实时监测PT二次侧开口三角电压获得的零序电压，获得零序电压每个采样点的即时值V(n)和其前一个周波相同位置的差值ΔV(n)＝V(n)-V(n-N)，其中N为一个周波的采样点数，为该差值预设定一阈值TH_V，

当某个采样点的差值超过这个门限时，特定计数器C1开始从零计数加一，如果接下来的采样点的差值不满足门限，则计数器减一，且减到零后不再减，如果计数器的计数超过预设定的阈值TH_C1，即判断供电系统发生了单相接地故障，将该发生的绝对时标记录下来，

所述TH_V默认值为15，取值范围为10至100，所述TH_C1默认值为3，取值范围为1至256；

监测单元实时监测PT二次侧开口三角电压获得的零序电压，获得零序电压每个采样点估计零序电压的有效值Veff(n)，如果估计的有效值超过预设定的阈值TH_V1，则特定计数器C2开始从零计数并加一，

如果接下来的采样点差值不满足门限，则计数器减一，且减到零后不再减，

如果计数器计数超过一个预设定的阈值TH_C2，则判断供电系统发生了单相接地故障，将该发生的绝对时标记录下来，

所述TH_V1默认值为15，取值范围为5至100，所述TH_C2默认值为5，取值范围为1至256；

若零序电压的有效值低于预先设定的阈值TH_V2，则计数器C3开始从零计数并加一，

若接下来的采样点估计的有效值不满足门限，即高于TH_V2，则计数器C3减一，且减到零后不再减，

若计数器C3的计数超过一个预设定的阈值TH_C3,则判断已经退出单相接地故障，将该退出的绝对时标记录下来，其中TH_V2默认为5，范围为1至50，其中TH_C3默认为128，范围为1至1024；

最终，将故障发生和退出的故障波形和绝对时标都发送给判决单元；

步骤三，采用判决单元在故障持续期间，对上送的扰动波形进行波形识别和判断，最终得到是否发生了异地异相经地短路故障，并输出判决结果和故障定位结果；

所述扰动波形上报的故障波形是扰动发生时刻点的前M1个周波和后M2个周波，其中M1，M2为预设定的参数，所述M1≥2，默认为4，所述M2≥4，默认为8，

所述判决单元在接收到接地故障启动通知后，在接收到接地故障结束通知前，将采集单元每次上送的扰动波形进行接地短路的电流特征判断，找到满足电流特征的所有采集单元，将电流按照从母线向电力线流出的方向定义上下游，

若接地短路满足电流特征的所有采集单元位于两条线路上，则每条线路只保留满足条件的最下游的采集单元，

根据最后保留的两个采集单元的位置，得到接地短路故障的两个故障点的位置，

若该采集单元下游还有安装的其他采集单元，则故障位置位于该采集单元和其最相邻的下游采集单元之间，

若该采集单元下游没有其他采集单元，则故障位置就位于该采集单元的下游；

所述接地短路的电流特征判断过程为，同时检查在一个时间窗上传的扰动波形，如果该采集单元上报的扰动报警，只有一相的相电流数据，则保留，扰动报警的判断使用的绝对时间窗长度为TH_T,所述TH_T默认为10ms，范围在0至40ms；

当判断发生了单相接地故障时，将满足条件的绝对时标记录下来，精确到微秒级，作为故障发生时刻。

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