CN110441649B - 一种架空-电缆混合线路故障快速定位装及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种架空‑电缆混合线路故障快速定位装，在架空‑电缆混合线路两端分别安装现场监测单元，用以获取线路两端位置的实时电压、电流数据，每个现场监测单元由3个电流互感器，3个电压互感器，一个工频信号互感器，数据采集单元，数据传输单元组成，现场监测单元所获取的数据通过网络，发送到数据分析单元处理，当架空‑电缆混合线路发生接地故障时，数据分析单元通过数据总线输出故障位置信息。本发明现场监测单元利用工频电流互感器的相位波形对故障瞬间的运行电流和运行电压信号经行相位校准，以达到信号同步的目的。

Description

一种架空-电缆混合线路故障快速定位装及定位方法

技术领域

本发明属于电力保护技术领域，具体涉及一种架空-电缆混合线路故障快速定位装及定位方法。

背景技术

随着我国城市化进程的不断深入，城市输电线路逐渐由明线架空方式改为埋地的电缆方式。架空线-电缆混合线路成为了一种常见的输电方式。由于架空线与电缆的故障原因及由此导致的故障性质大不相同，因此混合输电线路一旦发生短路故障，故障后能够快速划分故障区域(区分电缆段或架空线段)，对于提高重合闸的重合成功概率，减轻巡线负担及加快恢复供电，具有重要的实际意义

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种架空-电缆混合线路故障快速定位装及定位方法，能够有效对架空-电缆混合线路的故障进行实时监测，提高了电力系统混合线路运行的安全水平。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种架空-电缆混合线路故障快速定位装，包括用于定位架空-电缆混合线路、监测装置和数据分析单元，所述架空-电缆混合线路包括架空线段、电缆线段和架空-电缆结合部，所述监测装置包括第一现场监测单元和第二现场监测单元，

所述架空线段和电缆线段均为包括A相线路、B相线路和C相线路的三相线路，架空线段中三相线路分别标记为A1、B1、C1，电缆线段中三相线路分别标记为A2、B2、C2，在所述架空线段的三相线路A1、B1、C1上分别对应安装有电流互感器CTA1、CTB1、CTC1，在所述电缆线段的三相线路A2、B2、C2上分别对应安装有电流互感器CTA2、CTB2、CTC2，在所述架空线段的三相线路A1、B1、C1上分别对应安装有电压互感器PTA1、PTB1、PTC1，在所述电缆线段的三相线路A2、B2、C2上分别对应安装有电压互感器PTA2、PTB2、PTC2，在架空线段的A1相线路的端部安装有工频信号互感器CT1，在电缆线段的A2相线路的端部安装有工频信号互感器CT2，

所述电流互感器CTA1、CTB1、CTC1、电压互感器PTA1、PTB1、PTC1及工频信号互感器CT1的信号输出端均与第一现场监测单元的信号采集端通过信号线缆相连；所述电流互感器CTA2、CTB2、CTC2、电压互感器PTA2、PTB2、PTC2及工频信号互感器CT2的信号输出端均与第二现场监测单元的信号采集端通过信号线缆相连，

所述第一现场监测单元和第二现场监测单元均通过网络将监测数据传输至数据分析单元，所述数据分析单元对接收到的电流数据，电压数据，50HZ波形数据进行分析处理，判断线路是否发生短路故障，并在发生短路故障时，计算出故障发生的位置，并输出线路的故障位置。

所述电流互感器CTA1、CTB1、CTC1、CTA2、CTB2、CTC2的变比为200:1。

所述第一现场监测单元包括第一A/D采样单元和第一数据传输单元，所述第一A/D采样单元对输入的工频信号互感器CT1、运行电流互感器CTA1、CTB1、CTC1和运行电压互感器PTA1、PTB1、PTC1值进行采样，并转化为数字值，并通过第一数据传输单元传输至数据分析单元。

所述第二现场监测单元包括第二A/D采样单元和第二数据传输单元，所述第二A/D采样单元对输入的工频信号互感器CT2、运行电流互感器CTA2、CTB2、CTC2和运行电压互感器PTA2、PTB2、PTC2值进行采样，并转化为数字值，并通过第二数据传输单元传输至数据分析单元。

所述工频信号互感器CT1通过相位波形对其监测的架空线段故障瞬间的运行电流和运行电压信号经行相位校准，以达到信号同步；所述工频信号互感器CT2通过相位波形对其监测的电缆线段故障瞬间的运行电流和运行电压信号经行相位校准，以达到信号同步。

一种架空-电缆混合线路故障快速定位装的定位方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，在所述架空线段的三相线路A1、B1、C1上分别对应安装有电流互感器CTA1、CTB1、CTC1、电压互感器PTA1、PTB1、PTC1，在所述电缆线段的三相线路A2、B2、C2上分别对应安装有电流互感器CTA2、CTB2、CTC2、电压互感器PTA1、PTB1、PTC1，在电缆线段的A2相线路的端部安装有工频信号互感器CT2，

步骤2，分别将工频信号互感器CT1、CT2安装在架空线段的A1相线路的端部和电缆线段的A2相线路的端部，

步骤3，工频信号互感器CT1、运行电流互感器CTA1、CTB1、CTC1、运行电压互感器PTA1、PTB1、PTC1，及工频信号互感器CT2、运行电流互感器CTA2、CTB2、CTC2、电压互感器PTA1、PTB1、PTC1，分别通过信号线缆连接至对应的第一现场监测单元和第二现场监测单元，

步骤4，第一A/D采样单元对输入的工频信号互感器CT1、运行电流互感器CTA1、CTB1、CTC1和运行电压互感器PTA1、PTB1、PTC1值进行采样，并转化为数字值：Ia1、Ib1、Ic1、Ua1、Ub1、Uc1，并通过第一数据传输单元传输至数据分析单元；第二A/D采样单元对输入的工频信号互感器CT2、运行电流互感器CTA2、CTB2、CTC2和运行电压互感器PTA2、PTB2、PTC2值进行采样，并转化为数字值：Ia2、Ib2、Ic3、Ua2、Ub2、Uc2，并通过第二数据传输单元传输至数据分析单元，

步骤5，设定经验阈值为Imax，当A相线路发生短路故障时，在故障发生瞬间，通过电流互感器CTA1与工频信号互感器CT1的值，计算出架空线段一端的相位偏差

通过电流互感器CTA2与工频信号互感器CT2的值，计算出电缆线段一端的相位偏差

步骤6，根据相位偏差

计算线路两端经过校正的电压和电流信号：

步骤7，假设线路全长为1，架空线段和电缆线段接头位置与架空线段的端头距离为x，短路故障位置与架空线段的端头距离为f，根据故障线路的电气模型，分别根据线路两端的数据，计算故障点位置的电压值Uf1和Uf2，

根据架空线段端参数计算：Uf1＝Ua1′coshγf-ZIa1′sinhγf，根据电缆线段端参数计算：

Uf2＝Ua2′coshγ(l-f)-ZIa2′sinhγ(l-f)，其中，Z为线路波阻抗，γ为线路传播常数，

步骤8，建立故障点位置电压等式：Uf1＝Uf2，

根据步骤7中计算公式可得：

Ua1′coshγf-ZIa1′sinhγf＝Ua2′coshγ(l-f)-ZIa2′sinhγ(l-f)，

步骤9，求解所述步骤8中的电压双曲方程，在区间[0，1]求得f的唯一解，从而获得故障点的位置f，

步骤10，对发生在B相线路和C相线路的短路故障，重复上述步骤5到步骤9的全过程，分别计算得到相应故障点的位置，并输出线路的故障位置。

所述步骤5中经验阈值Imax＝500A。

由于在架空线-电缆接头位置存在着一定的判断盲区，因此设定经验阈值T＝50m，当0＜f＜x-T时，确定故障位置发生在架空线段，当x-T≤f≤x+T时，确定故障位置发生在接头附近，此时不能准确判断故障点是在架空线段还是在电缆段，当x+T≤f≤1时，确定故障发生在电缆段。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：①提出了一种同时利用电压和电流信号进行计算的架空-电缆混合线路故障快速定位方法及装置；②对于现场环境复杂无法加装时钟同步系统的线路，或者线路长度过大无法铺设专用同步光缆的线路，提出了一种有效的故障快速定位解决方案；③有效对架空-电缆混合线路的故障进行实时监测，提高了电力系统混合线路运行的安全水平。该项技术可以将架空-电缆混合线路的短路故障恢复时间缩短到现有的50％，对于一个管辖100条架空-电缆混合线路的区域，年度节约工作量超500人日，节省检修费用支出超过50万元。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2位本发明数据传输的流程图。

图3位本发明中电流故障算法流程图。

图4为本发明中故障波形与基准工频信号的相位偏差示意图。

图5为本发明具体实施例中故障分析示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-5所示，本实施例架空-电缆混合线路故障快速定位装，包括用于定位架空-电缆混合线路、监测装置和数据分析单元，所述架空-电缆混合线路包括架空线段1、电缆线段2和架空-电缆结合部3，所述监测装置包括第一现场监测单元4和第二现场监测单元5，

所述架空线段1和电缆线段2均为包括A相线路、B相线路和C相线路的三相线路，架空线段1中三相线路分别标记为A1、B1、C1，电缆线段2中三相线路分别标记为A2、B2、C2，在所述架空线段1的三相线路A1、B1、C1上分别对应安装有电流互感器CTA1、CTB1、CTC1，在所述电缆线段2的三相线路A2、B2、C2上分别对应安装有电流互感器CTA2、CTB2、CTC2，在所述架空线段1的三相线路A1、B1、C1上分别对应安装有电压互感器PTA1、PTB1、PTC1，在所述电缆线段2的三相线路A2、B2、C2上分别对应安装有电压互感器PTA2、PTB2、PTC2，在架空线段1的A1相线路的端部安装有工频信号互感器CT1，在电缆线段2的A2相线路的端部安装有工频信号互感器CT2，

所述电流互感器CTA1、CTB1、CTC1、电压互感器PTA1、PTB1、PTC1及工频信号互感器CT1的信号输出端均与第一现场监测单元4的信号采集端通过信号线缆相连；所述电流互感器CTA2、CTB2、CTC2、电压互感器PTA2、PTB2、PTC2及工频信号互感器CT2的信号输出端均与第二现场监测单元5的信号采集端通过信号线缆相连，

所述第一现场监测单元4和第二现场监测单元5均通过网络将监测数据传输至数据分析单元6，所述数据分析单元6对接收到的电流数据，电压数据，50HZ波形数据进行分析处理，判断线路是否发生短路故障，并在发生短路故障时，计算出故障发生的位置，并输出线路的故障位置。

作为优选，本实施例电流互感器CTA1、CTB1、CTC1、CTA2、CTB2、CTC2的变比为200:1，并输出0～1A的信号给对应的A/D采样单元，对频率为50HZ的电流波形进行测量，并对能够正弦波信号进行准确还原，A/D采样单元是对相应的工频信号互感器CT、运行电流互感器、运行电流互感器获取到的模拟值进行采样，并转换为14bit的数字信号。

作为进一步优选，本实施例第一现场监测单元4包括第一A/D采样单元41和第一数据传输单元42，所述第一A/D采样单元41对输入的工频信号互感器CT1、运行电流互感器CTA1、CTB1、CTC1和运行电压互感器PTA1、PTB1、PTC1值进行采样，并转化为数字值，并通过第一数据传输单元42，将第一A/D采样单元41输出的电流数据，电压数据，50HZ波形数据通过网络传输至数据分析单元6。

作为进一步优选，本实施例第二现场监测单元5包括第二A/D采样单元51和第二数据传输单元52，所述第二A/D采样单元51对输入的工频信号互感器CT2、运行电流互感器CTA2、CTB2、CTC2和运行电压互感器PTA2、PTB2、PTC2值进行采样，并转化为数字值，并通过第二数据传输单元52，将第二A/D采样单元51输出的电流数据，电压数据，50HZ波形数据通过网络传输至数据分析单元6。

作为更进一步优选，本实施例工频信号互感器CT1通过相位波形对其监测的架空线段1故障瞬间的运行电流和运行电压信号经行相位校准，以达到信号同步；所述工频信号互感器CT2通过相位波形对其监测的电缆线段2故障瞬间的运行电流和运行电压信号经行相位校准，以达到信号同步。

一种架空-电缆混合线路故障快速定位装的定位方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，在所述架空线段1的三相线路A1、B1、C1上分别对应安装有电流互感器CTA1、CTB1、CTC1、电压互感器PTA1、PTB1、PTC1，在所述电缆线段2的三相线路A2、B2、C2上分别对应安装有电流互感器CTA2、CTB2、CTC2、电压互感器PTA1、PTB1、PTC1，在电缆线段2的A2相线路的端部安装有工频信号互感器CT2，

步骤2，分别将工频信号互感器CT1、CT2安装在架空线段1的A1相线路的端部和电缆线段2的A2相线路的端部，

步骤3，工频信号互感器CT1、运行电流互感器CTA1、CTB1、CTC1、运行电压互感器PTA1、PTB1、PTC1，及工频信号互感器CT2、运行电流互感器CTA2、CTB2、CTC2、电压互感器PTA1、PTB1、PTC1，分别通过信号线缆连接至对应的第一现场监测单元4和第二现场监测单元5，

步骤4，第一A/D采样单元41对输入的工频信号互感器CT1(工频信号互感器CT1的信号波形通常为50hz的正弦波)运行电流互感器CTA1、CTB1、CTC1和运行电压互感器PTA1、PTB1、PTC1值进行采样，并转化为数字值：Ia1、Ib1、Ic1、Ua1、Ub1、Uc1，并通过第一数据传输单元42传输至数据分析单元6；第二A/D采样单元51对输入的工频信号互感器CT2、运行电流互感器CTA2、CTB2、CTC2和运行电压互感器PTA2、PTB2、PTC2值进行采样，并转化为数字值：Ia2、Ib2、Ic3、Ua2、Ub2、Uc2，并通过第二数据传输单元52传输至数据分析单元6，

步骤5，根据已有的大量故障案例，结合实验室数据仿真验证，设定经验阈值为Imax，当A相线路发生短路故障时，在故障发生瞬间，通过电流互感器CTA1与工频信号互感器CT1的值，计算出架空线段1一端的相位偏差

通过电流互感器CTA2与工频信号互感器CT2的值，计算出电缆线段2一端的相位偏差

步骤6，根据相位偏差

计算线路两端经过校正的电压和电流信号：

步骤7，假设线路全长为l，架空线段1和电缆线段2接头位置与架空线段1的端头距离为x，短路故障位置与架空线段1的端头距离为f，根据故障线路的电气模型，分别根据线路两端的数据，计算故障点位置的电压值Uf1和Uf2，

根据架空线段1端参数计算：Uf1＝Ua1′coshγf-ZIa1′sinhγf，

根据电缆线段2端参数计算：

Uf2＝Ua2′coshγ(l-f)-ZIa2′sinhγ(l-f)，其中，Z为线路波阻抗，γ为线路传播常数，

步骤8，建立故障点位置电压等式：Uf1＝Uf2，

根据步骤7中计算公式可得：

Ua1′coshγf-ZIa1′sinhγf＝Ua2′coshγ(l-f)-ZIa2′sinhγ(l-f)，

步骤9，求解所述步骤8中的电压双曲方程，在区间[0，1]求得f的唯一解，从而获得故障点的位置f，

步骤10，对发生在B相线路和C相线路的短路故障，重复上述步骤5到步骤9的全过程，分别计算得到相应故障点的位置，并输出线路的故障位置。

本实施例可以通过以太网、串口等方式输出可能的三种线路故障位置(架空线段1、电缆线段2、架空-电缆结合部3附近)信息。

作为进一步优选，本实施例步骤5中经验阈值Imax＝500A。

本实施例由于在架空线-电缆接头位置存在着一定的判断盲区，因此设定经验阈值T＝50m，当0＜f＜x-T时，确定故障位置发生在架空线段，当x-T≤f≤x+T时，确定故障位置发生在接头附近，此时不能准确判断故障点是在架空线段还是在电缆段，当x+T≤f≤1时，确定故障发生在电缆段。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种架空-电缆混合线路故障快速定位装的定位方法，其特征在于，包括用于定位架空-电缆混合线路、监测装置和数据分析单元，所述架空-电缆混合线路包括架空线段(1)、电缆线段(2)和架空-电缆结合部(3)，所述监测装置包括第一现场监测单元(4)和第二现场监测单元(5)，

所述架空线段(1)和电缆线段(2)均为包括A相线路、B相线路和C相线路的三相线路，架空线段(1)中三相线路分别标记为A1、B1、C1，电缆线段(2)中三相线路分别标记为A2、B2、C2，在所述架空线段(1)的三相线路A1、B1、C1上分别对应安装有电流互感器CTA1、CTB1、CTC1，在所述电缆线段(2)的三相线路A2、B2、C2上分别对应安装有电流互感器CTA2、CTB2、CTC2，在所述架空线段(1)的三相线路A1、B1、C1上分别对应安装有电压互感器PTA1、PTB1、PTC1，在所述电缆线段(2)的三相线路A2、B2、C2上分别对应安装有电压互感器PTA2、PTB2、PTC2，在架空线段(1)的A1相线路的端部安装有工频信号互感器CT1，在电缆线段(2)的A2相线路的端部安装有工频信号互感器CT2，

所述电流互感器CTA1、CTB1、CTC1、电压互感器PTA1、PTB1、PTC1及工频信号互感器CT1的信号输出端均与第一现场监测单元(4)的信号采集端通过信号线缆相连；所述电流互感器CTA2、CTB2、CTC2、电压互感器PTA2、PTB2、PTC2及工频信号互感器CT2的信号输出端均与第二现场监测单元(5)的信号采集端通过信号线缆相连，

所述第一现场监测单元(4)和第二现场监测单元(5)均通过网络将监测数据传输至数据分析单元(6)，所述数据分析单元(6)对接收到的电流数据，电压数据，50HZ波形数据进行分析处理，判断线路是否发生短路故障，并在发生短路故障时，计算出故障发生的位置，并输出线路的故障位置；

所述工频信号互感器CT1通过相位波形对其监测的架空线段(1)故障瞬间的运行电流和运行电压信号经行相位校准，以达到信号同步；所述工频信号互感器CT2通过相位波形对其监测的电缆线段(2)故障瞬间的运行电流和运行电压信号经行相位校准，以达到信号同步；

该方法具体包括以下步骤：

步骤1，在所述架空线段(1)的三相线路A1、B1、C1上分别对应安装有电流互感器CTA1、CTB1、CTC1、电压互感器PTA1、PTB1、PTC1，在所述电缆线段(2)的三相线路A2、B2、C2上分别对应安装有电流互感器CTA2、CTB2、CTC2、电压互感器PTA1、PTB1、PTC1，在电缆线段(2)的A2相线路的端部安装有工频信号互感器CT2，

步骤2，分别将工频信号互感器CT1、CT2安装在架空线段(1)的A1相线路的端部和电缆线段(2)的A2相线路的端部，

步骤3，工频信号互感器CT1、运行电流互感器CTA1、CTB1、CTC1、运行电压互感器PTA1、PTB1、PTC1，及工频信号互感器CT2、运行电流互感器CTA2、CTB2、CTC2、电压互感器PTA1、PTB1、PTC1，分别通过信号线缆连接至对应的第一现场监测单元(4)和第二现场监测单元(5)，

步骤4，第一A/D采样单元(41)对输入的工频信号互感器CT1、运行电流互感器CTA1、CTB1、CTC1和运行电压互感器PTA1、PTB1、PTC1值进行采样，并转化为数字值：Ia1、Ib1、Ic1、Ua1、Ub1、Uc1，并通过第一数据传输单元(42)传输至数据分析单元(6)；第二A/D采样单元(51)对输入的工频信号互感器CT2、运行电流互感器CTA2、CTB2、CTC2和运行电压互感器PTA2、PTB2、PTC2值进行采样，并转化为数字值：Ia2、Ib2、Ic3、Ua2、Ub2、Uc2，并通过第二数据传输单元(52)传输至数据分析单元(6)，

步骤5，设定经验阈值为Imax，当A相线路发生短路故障时，在故障发生瞬间，通过电流互感器CTA1与工频信号互感器CT1的值，计算出架空线段(1)一端的相位偏差

通过电流互感器CTA2与工频信号互感器CT2的值，计算出电缆线段(2)一端的相位偏差

步骤6，根据相位偏差

计算线路两端经过校正的电压和电流信号：

步骤7，假设线路全长为l，架空线段(1)和电缆线段(2)接头位置与架空线段(1)的端头距离为x，短路故障位置与架空线段(1)的端头距离为f，根据故障线路的电气模型，分别根据线路两端的数据，计算故障点位置的电压值Uf1和Uf2，

根据架空线段(1)端参数计算：Uf1＝Ua1′coshγf-ZIa1′sinhγf，

根据电缆线段(2)端参数计算：

Uf2＝Ua2′coshγ(l-f)-ZIa2′sinhγ(l-f)，其中，Z为线路波阻抗，γ为线路传播常数，

步骤8，建立故障点位置电压等式：Uf1＝Uf2，

根据步骤7中计算公式可得：

Ua1′coshγf-ZIa1′sinhγf＝Ua2′coshγ(l-f)-ZIa2′sinhγ(l-f)，

步骤9，求解所述步骤8中的电压双曲方程，在区间[0，1]求得f的唯一解，从而获得故障点的位置f，

步骤10，对发生在B相线路和C相线路的短路故障，重复上述步骤5到步骤9的全过程，分别计算得到相应故障点的位置，并输出线路的故障位置。

2.根据权利要求1所述的架空-电缆混合线路故障快速定位装的定位方法，其特征在于，所述电流互感器CTA1、CTB1、CTC1、CTA2、CTB2、CTC2的变比为200:1。

3.根据权利要求1所述的架空-电缆混合线路故障快速定位装的定位方法，其特征在于，所述第一现场监测单元(4)包括第一A/D采样单元(41)和第一数据传输单元(42)，所述第一A/D采样单元(41)对输入的工频信号互感器CT1、运行电流互感器CTA1、CTB1、CTC1和运行电压互感器PTA1、PTB1、PTC1值进行采样，并转化为数字值，并通过第一数据传输单元(42)传输至数据分析单元(6)。

4.根据权利要求1所述的架空-电缆混合线路故障快速定位装的定位方法，其特征在于，所述第二现场监测单元(5)包括第二A/D采样单元(51)和第二数据传输单元(52)，所述第二A/D采样单元(51)对输入的工频信号互感器CT2、运行电流互感器CTA2、CTB2、CTC2和运行电压互感器PTA2、PTB2、PTC2值进行采样，并转化为数字值，并通过第二数据传输单元(52)传输至数据分析单元(6)。

5.根据权利要求1所述的架空-电缆混合线路故障快速定位装的定位方法，其特征在于，所述步骤5中经验阈值Imax＝500A。

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