CN109901023A - 配电网线路柱上故障暂态数据采集终端、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网线路柱上故障暂态数据采集终端、系统及方法，终端包括：罗氏线圈，用于采集配电线路的电流信号；高速采样模块，用于采集稳态电流数据和故障电流暂态数据；主控MCU，用于对整个故障暂态数据采集终端进行控制，并将接收的高速采样模块采集数据发送给GPRS通信模块；GPRS通信模块，用于实现故障暂态数据采集终端与后台监控主站之间的通信。系统包括后台监控主站和设置在输电线路上的若干个监测终端，后台监控主站分别与若干个监测终端相连，监测终端采用上述所述的配电网线路柱上故障暂态数据采集终端。本发明不仅能够利用监测终端采集线路故障暂态数据，而且能够采用后台监控主站对配电网线路进行故障定位。

Description

配电网线路柱上故障暂态数据采集终端、系统及方法

技术领域

本发明涉及配电网故障检测技术领域,具体涉及一种配电网线路柱上故障暂态数据采集终端、系统及方法。

背景技术

配电网密布城乡及山区，终年处于户外，经受风雨雷电、冰霜及日益严酷的环境污染等恶劣环境影响，加上不可预测的人为因素，发生故障的概率很高。随着社会对供电可靠性的要求越来越高，故障线路的故障点快速定位，对使故障线路恢复正常运行起到重要作用。

配电网目前数据采集主要以工频信号为主，测距算法也是基于工频信号的阻抗法测距为主，由于配电网采用辐射状网络，分支众多，线路结构复杂，因此，传统故障定位方法很难准确进行故障定位。

利用故障暂态数据的定位方法虽然受线路结构、运行方式及过渡电阻等因素影响小，但是，其前提条件是准确的采集线路故障暂态数据，目前还没有线路故障暂态数据的采集方案。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种配电网线路柱上故障暂态数据采集终端、系统及方法，不仅能够采集线路故障暂态数据，而且能够对配电网线路进行故障定位。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供的一种配电网线路柱上故障暂态数据采集终端，能够采集线路故障暂态数据，它可以包括：

罗氏线圈，用于采集配电线路的电流信号；

高速采样模块，与罗氏线圈的输出端连接，用于采集稳态电流数据和故障电流暂态数据；

主控MCU，用于对整个故障暂态数据采集终端进行控制，并将接收的高速采样模块采集数据发送给GPRS通信模块；

GPRS通信模块，用于实现故障暂态数据采集终端与后台监控主站之间的通信。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述高速采样模块包括A/D转换器、FPGA和GPS模块，所述A/D转换器的输入端与罗氏线圈的输出端连接，所述FPGA分别与A/D转换器的输出端、GPS模块和主控MCU连接。GPS模块由LEA-6T时钟模块和接收天线组成，为采集终端提供高精度时钟同步信息。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述高速采样模块还包括信号调理电路，所述信号调理电路设置在罗氏线圈与A/D转换器之间。

运行中，通过罗氏线圈和信号调理电路变成适合12位A/D转换器的数据，A/D转换器循环采集线路稳态信号，当线路故障时，FPGA启动高速采样流程，最高达30M采样速率。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述主控MCU还连接有双端口静态存储器SRAM。由双端口静态存储器SRAM，存储故障时刻暂态采样数据，双端口静态存储器SRAM的使用能够实现连续多次记录间无死区采样。

作为本实施例一种可能的实现方式，配电网线路柱上故障暂态数据采集终端还包括供电模块，所述供电模块为整个故障暂态数据采集终端供电。

配电网装置安装位置特定设计，需要额外提供供电电源，因此安装要求比较高，受地域限制大。作为本实施例一种可能的实现方式，所述供电模块包括取电CT、整流元件和稳压元件，所述取电CT的输出端与整流元件的输入端连接，所述整流元件的输出端与稳压元件的输入端连接，所述稳压元件的输出端与负载连接。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述取电CT包括取电线圈、功率获取模块和功率控制模块，所述取电线圈用于把高压输电线路周围的磁能转换成电能供后级负载使用；所述功率获取模块用于负责功率获取及控制取电线圈的输出功率；所述功率控制模块用于限制取电线圈的输出功率，从而使取电电源始终工作在低热耗状态。取电CT使设备供电不受电源限制，方便的安装于配网线路的合适位置。

另一方面，本发明提供的一种配电网线路柱上故障暂态数据采集系统，不仅能够采集线路故障暂态数据，而且能够对配电网线路进行故障定位，它包括后台监控主站和设置在输电线路上的若干个监测终端，所述后台监控主站分别与若干个监测终端相连，所述监测终端采用上述所述的配电网线路柱上故障暂态数据采集终端。

再一方面，本发明提供的一种配电网线路柱上故障暂态数据采集方法，不仅能够采集线路故障暂态数据，而且能够对配电网线路进行故障定位，它包括：

同步时钟信息；

监测输电线路故障；

采集存储故障暂态数据；

分析故障暂态数据，进行故障定位。

作为本实施例一种可能的实现方式，同步时钟信息的过程为：由LEA-6T时钟模块和接收天线组成的时钟同步模块为系统提供高精度时钟同步信息。

作为本实施例一种可能的实现方式，监测输电线路故障的过程为：

罗氏线圈实时采集配电线路的电流信号，但输电线路发生故障时，检测到故障信号超过设定值时，启动故障暂态数据采集。

作为本实施例一种可能的实现方式，采集存储故障暂态数据的过程为：

高速采样模块通过罗氏线圈捕捉故障暂态信号获取故障暂态数据并存储，同时通过GPRS模块将故障暂态数据发送给后台监控主站。

作为本实施例一种可能的实现方式，高速采样模块通过GPRS模块将故障暂态数据发送给后台监控主站过程中，故障暂态数据的采样频率、采样通道数、采样长度通过FPGA进行控制，采样时间长度由FPGA根据配置参数产生一个减法计数器，在进行数据传输时，每传输一个数据，减法计数器减一，直到减法计数器为零为止；然后减法计数器恢复为配置参数。

作为本实施例一种可能的实现方式，分析故障暂态数据，进行故障定位的过程包括故障区间定位的过程和故障精确定位的过程：

所述故障区间定位的过程为：根据相邻两个监测终端的故障暂态数据进行故障区间定位，如果相邻两个监测终端故障暂态数据中短路电流相位相反，故障点位于相邻两个监测终端的区间内；如果相邻两个监测终端故障暂态数据中短路电流相位相同，故障点位于相邻两个监测终端的区间外；

所述故障精确定位的过程为对相邻两个监测终端的区间内的故障点进行精确定位。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述故障精确定位的具体过程为：假设故障点为C点，故障点两侧的监测点分别为M点和N点，由故障点C产生的初始行波以速度v沿输电线路向两端传输，到达两侧M点和N点的时刻分别为t_M和t_N，则故障点到两端监测点的距离为：

L_M＝(L+v·(t_M-t_N))/2 (1)

L_N＝(L-v·(t_M-t_N))/2 (2)

其中，L_M和L_N分别为C点到M点和N点的距离，L为M点和N点之间的距离。

本发明实施例的技术方案可以具有的有益效果如下：

本发明实施例的技术方案的一种配电网线路柱上故障暂态数据采集终端包括：罗氏线圈，用于采集配电线路的电流信号；高速采样模块，与罗氏线圈的输出端连接，用于采集稳态电流数据和故障电流暂态数据；主控MCU，用于对整个故障暂态数据采集终端进行控制，并将接收的高速采样模块采集数据发送给GPRS通信模块；GPRS通信模块，用于实现故障暂态数据采集终端与后台监控主站之间的通信。该采集终端能够实时采集输电线路故障点的故障暂态数据。

本发明实施例的技术方案本发明提供的一种配电网线路柱上故障暂态数据采集系统包括后台监控主站和设置在输电线路上的若干个监测终端，所述后台监控主站分别与若干个监测终端相连，所述监测终端采用上述所述的配电网线路柱上故障暂态数据采集终端。不仅能够利用监测终端采集线路故障暂态数据，而且能够采用后台监控主站对配电网线路进行故障定位。

监测终端主要由供电模块、高速采样及存储模块、主控MCU、GPS对时模块和GPRS通信模块等部分构成，主控MCU对整个终端系统进行控制，A/D转换器与FPGA配合组成高速采集终端，当发生故障，采集稳态电流数据和故障电流暂态数据，通过MCU将故障时刻采集数据存入SRAM中；GPS模块实现系统的精确对时，精度达到0.1us。GPRS通信模块完成与后台监控主站之间的通信。监测终端的供电采用线路直接获取，不仅利用故障暂态数据的定位方法受线路结构、运行方式及过渡电阻等因素影响小的特点，而且对时精度高、采样率高，为暂态数据分析和故障定位提供可靠数据，以便于实现配电网线路的快速准确故障定位。

本发明实施例的技术方案本发明提供的一种配电网线路柱上故障暂态数据采集方法，包括：同步时钟信息；监测输电线路故障；采集存储故障暂态数据；分析故障暂态数据，进行故障定位。该方法不仅能够采集线路故障暂态数据，而且能够对配电网线路进行故障定位。

附图说明

图1是根据一示例性实施例示出的一种配电网线路柱上故障暂态数据采集终端的原理框图；

图2是根据一示例性实施例示出的另一种配电网线路柱上故障暂态数据采集终端的原理框图；

图3是根据一示例性实施例示出的一种故障数据采集的原理框图；

图4是根据一示例性实施例示出的一种供电模块的原理框图；

图5是根据一示例性实施例示出的一种配电网线路柱上故障暂态数据采集系统的原理框图；

图6是根据另一示例性实施例示出的一种配电网线路柱上故障暂态数据采集方法的流程图；

图7是根据一示例性实施例示出的一种故障区间内定位模型示意图；

图8是根据一示例性实施例示出的一种故障区间外定位模型示意图；

图9是根据一示例性实施例示出的一种故障精确定位的双端行波定位模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

实施例1

图1是根据一示例性实施例示出的一种配电网线路柱上故障暂态数据采集终端的原理框图。如图1所示，本发明实施例提供的一种配电网线路柱上故障暂态数据采集终端，能够采集线路故障暂态数据，它可以包括：

罗氏线圈，用于采集配电线路的电流信号；

高速采样模块，与罗氏线圈的输出端连接，用于采集稳态电流数据和故障电流暂态数据；

主控MCU，用于对整个故障暂态数据采集终端进行控制，并将接收的高速采样模块采集数据发送给GPRS通信模块；

GPRS通信模块，用于实现故障暂态数据采集终端与后台监控主站之间的通信。

如图2所示，在一种可能的实现方式中，所述高速采样模块包括A/D转换器、FPGA和GPS模块，所述A/D转换器的输入端与罗氏线圈的输出端连接，所述FPGA分别与A/D转换器的输出端、GPS模块和主控MCU连接。GPS模块由LEA-6T时钟模块和接收天线组成，为采集终端提供高精度时钟同步信息。

如图3所示，在一种可能的实现方式中，所述高速采样模块还包括信号调理电路，所述信号调理电路设置在罗氏线圈与A/D转换器之间。

运行中，通过罗氏线圈和信号调理电路变成适合12位A/D转换器的数据，A/D转换器循环采集线路稳态信号，当线路故障时，FPGA启动高速采样流程，最高达30M采样速率。

如图2所示，在一种可能的实现方式中，所述主控MCU还连接有双端口静态存储器SRAM。由双端口静态存储器SRAM，存储故障时刻暂态采样数据，双端口静态存储器SRAM的使用能够实现连续多次记录间无死区采样。

如图2所示，在一种可能的实现方式中，配电网线路柱上故障暂态数据采集终端还包括供电模块，所述供电模块为整个故障暂态数据采集终端供电。

配电网装置安装位置特定设计，需要额外提供供电电源，因此安装要求比较高，受地域限制大。作为本实施例一种可能的实现方式，所述供电模块包括取电CT、整流元件和稳压元件，所述取电CT的输出端与整流元件的输入端连接，所述整流元件的输出端与稳压元件的输入端连接，所述稳压元件的输出端与负载连接。

如图4所示，在一种可能的实现方式中，所述取电CT包括取电线圈、功率获取模块和功率控制模块，所述取电线圈用于把高压输电线路周围的磁能转换成电能供后级负载使用；所述功率获取模块用于负责功率获取及控制取电线圈的输出功率；所述功率控制模块用于限制取电线圈的输出功率，从而使取电电源始终工作在低热耗状态。取电CT使设备供电不受电源限制，方便的安装于配网线路的合适位置。

本实施例的一种配电网线路柱上故障暂态数据采集终端，罗氏线圈用于采集配电线路的电流信号；高速采样模块与罗氏线圈的输出端连接，用于采集稳态电流数据和故障电流暂态数据；主控MCU用于对整个故障暂态数据采集终端进行控制，并将接收的高速采样模块采集数据发送给GPRS通信模块；GPRS通信模块用于实现故障暂态数据采集终端与后台监控主站之间的通信。该采集终端能够实时采集输电线路故障点的故障暂态数据。

实施例2

图5是根据一示例性实施例示出的一种配电网线路柱上故障暂态数据采集系统的原理框图。如图2所示，本实施例提供的一种配电网线路柱上故障暂态数据采集系统，不仅能够采集线路故障暂态数据，而且能够对配电网线路进行故障定位，它包括后台监控主站和设置在输电线路上的若干个监测终端，所述后台监控主站分别与若干个监测终端相连，所述监测终端采用上述所述的配电网线路柱上故障暂态数据采集终端。

本实施例不仅能够利用监测终端采集线路故障暂态数据，而且能够采用后台监控主站对配电网线路进行故障定位。

监测终端主要由供电模块、高速采样及存储模块、主控MCU、GPS对时模块和GPRS通信模块等部分构成，主控MCU对整个终端系统进行控制，A/D转换器与FPGA配合组成高速采集终端，当发生故障，采集稳态电流数据和故障电流暂态数据，通过MCU将故障时刻采集数据存入SRAM中；GPS模块实现系统的精确对时，精度达到0.1us。GPRS通信模块完成与后台监控主站之间的通信。监测终端的供电采用线路直接获取，不仅利用故障暂态数据的定位方法受线路结构、运行方式及过渡电阻等因素影响小的特点，而且对时精度高、采样率高，为暂态数据分析和故障定位提供可靠数据，以便于实现配电网线路的快速准确故障定位。

实施例3

图6是根据另一示例性实施例示出的一种配电网线路柱上故障暂态数据采集方法的流程图。如图6所示，本实施例提供的一种配电网线路柱上故障暂态数据采集方法，不仅能够采集线路故障暂态数据，而且能够对配电网线路进行故障定位，它包括：

同步时钟信息；

监测输电线路故障；

采集存储故障暂态数据；

分析故障暂态数据，进行故障定位。

在一种可能的实现方式中，同步时钟信息的过程为：由LEA-6T时钟模块和接收天线组成的时钟同步模块为系统提供高精度时钟同步信息。

在一种可能的实现方式中，监测输电线路故障的过程为：

罗氏线圈实时采集配电线路的电流信号，但输电线路发生故障时，检测到故障信号超过设定值时，启动故障暂态数据采集。

在一种可能的实现方式中，采集存储故障暂态数据的过程为：

高速采样模块通过罗氏线圈捕捉故障暂态信号获取故障暂态数据并存储，同时通过GPRS模块将故障暂态数据发送给后台监控主站。

在一种可能的实现方式中，高速采样模块通过GPRS模块将故障暂态数据发送给后台监控主站过程中，故障暂态数据的采样频率、采样通道数、采样长度通过FPGA进行控制，采样时间长度由FPGA根据配置参数产生一个减法计数器，在进行数据传输时，每传输一个数据，减法计数器减一，直到减法计数器为零为止；然后减法计数器恢复为配置参数。

在一种可能的实现方式中，分析故障暂态数据，进行故障定位的过程包括故障区间定位的过程和故障精确定位的过程：

所述故障区间定位的过程为：根据相邻两个监测终端的故障暂态数据进行故障区间定位。

如果相邻两个监测终端故障暂态数据中短路电流相位相反，故障点位于相邻两个监测终端的区间内。如图7所示，监测终端分布安装于输电线路M和N位置，装置安装方向均朝B变电站方向，故障发生在M和N区间内C点处。故障发生后，短路电流均由母线流向线路故障点C，所以监测终端M处与监测终端N处所监测到的短路电流相位相反，故障点位于区间内。

如果相邻两个监测终端故障暂态数据中短路电流相位相同，故障点位于相邻两个监测终端的区间外。如图8所示，故障发生在M和N点区间外一侧的C点处。故障发生后，短路电流均由母线流向线路故障点C，所以监测终端M处与监测终端N处所监测到的短路电流相位相同，故障点位于区间外。

所述故障精确定位的过程为对相邻两个监测终端的区间内的故障点进行精确定位。

如图9所示，在故障线路两侧分设监测终端，用以监测到达两个监测点的初始行波而构成双端定位。在一种可能的实现方式中，所述故障精确定位的具体过程为：假设故障点为C点，故障点两侧的监测点分别为M点和N点，M点和N点分别为装有监测终端，由故障点C产生的初始行波以速度v沿输电线路向两端传输，到达两侧M点和N点的时刻分别为t_M和t_N，则故障点到两端监测点的距离为：

L_M＝(L+v·(t_M-t_N))/2 (1)

L_N＝(L-v·(t_M-t_N))/2 (2)

其中，L_M和L_N分别为C点到M点和N点的距离，L为M点和N点之间的距离。

本实施例不仅能够采集线路故障暂态数据，而且能够对配电网线路进行故障定位。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的修改或变形。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种配电网线路柱上故障暂态数据采集终端，其特征在于，包括：

罗氏线圈，用于采集配电线路的电流信号；

高速采样模块，与罗氏线圈的输出端连接，用于采集稳态电流数据和故障电流暂态数据；

主控MCU，用于对整个故障暂态数据采集终端进行控制，并将接收的高速采样模块采集数据发送给GPRS通信模块；

GPRS通信模块，用于实现故障暂态数据采集终端与后台监控主站之间的通信。

2.根据权利要求1所述的配电网线路柱上故障暂态数据采集终端，其特征在于，所述高速采样模块包括A/D转换器、FPGA和GPS模块，所述A/D转换器的输入端与罗氏线圈的输出端连接，所述FPGA分别与A/D转换器的输出端、GPS模块和主控MCU连接。

3.根据权利要求2所述的配电网线路柱上故障暂态数据采集终端，其特征在于，所述高速采样模块还包括信号调理电路，所述信号调理电路设置在罗氏线圈与A/D转换器之间。

4.根据权利要求1所述的配电网线路柱上故障暂态数据采集终端，其特征在于，所述主控MCU还连接有双端口静态存储器SRAM。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的配电网线路柱上故障暂态数据采集终端，其特征在于，还包括供电模块，所述供电模块为整个故障暂态数据采集终端供电。

6.根据权利要求5所述的配电网线路柱上故障暂态数据采集终端，其特征在于，所述供电模块包括取电CT、整流元件和稳压元件，所述取电CT的输出端与整流元件的输入端连接，所述整流元件的输出端与稳压元件的输入端连接，所述稳压元件的输出端与负载连接。

7.一种配电网线路柱上故障暂态数据采集系统，其特征在于，包括后台监控主站和设置在输电线路上的若干个监测终端，所述后台监控主站分别与若干个监测终端相连，所述监测终端采用如权利要求1-6任意一项所述的配电网线路柱上故障暂态数据采集终端。

8.一种配电网线路柱上故障暂态数据采集方法，其特征在于，包括：

同步时钟信息；

监测输电线路故障；

采集存储故障暂态数据；

分析故障暂态数据，进行故障定位。

9.根据权利要求8所述的配电网线路柱上故障暂态数据采集方法，其特征在于，分析故障暂态数据，进行故障定位的过程包括故障区间定位的过程和故障精确定位的过程：

所述故障区间定位的过程为：根据相邻两个监测终端的故障暂态数据进行故障区间定位，如果相邻两个监测终端故障暂态数据中短路电流相位相反，故障点位于相邻两个监测终端的区间内；如果相邻两个监测终端故障暂态数据中短路电流相位相同，故障点位于相邻两个监测终端的区间外；

所述故障精确定位的过程为对相邻两个监测终端的区间内的故障点进行精确定位。

10.根据权利要求9所述的配电网线路柱上故障暂态数据采集方法，其特征在于，所述故障精确定位的具体过程为：假设故障点为C点，故障点两侧的监测点分别为M点和N点，由故障点C产生的初始行波以速度v沿输电线路向两端传输，到达两侧M点和N点的时刻分别为t_M和t_N，则故障点到两端监测点的距离为：

L_M＝(L+v·(t_M-t_N))/2 (1)

L_N＝(L-v·(t_M-t_N))/2 (2)

其中，L_M和L_N分别为C点到M点和N点的距离，L为M点和N点之间的距离。