CN110988600B - 一种配电网断线故障区间定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种配电网断线故障区间定位方法。本发明通过在线路分段部署故障监测单元测量线路电流和线路电场，识别断线所在线路分支和相别；通过在线路及分支首端部署故障监测集中器，收集断线所在线路的故障监测单元传回的电场相位角，比较各相邻监测点电场相角差，识别断线点所在区间，进一步缩小断线查找范围。本发明无需进行复杂的潮流计算和电压测量，仅依据电流和电场进行断线故障识别和区间定位，成本低且现场应用简单可靠。

Description

一种配电网断线故障区间定位方法

技术领域

本发明属于电力系统及其自动化中的输配电技术领域，特别是涉及一种配电网断线故障区间定位方法。

背景技术

配电网一般指的是35kV及以下电压等级的电力网络，用于向各类负荷和配变电站供电。由于配电网分布区域广、拓扑较主网复杂、运行环境较为恶劣，并由于其容易受雷击、机械外力作用以及重、过载等影响导致断线，断线后导致停电及次生灾害，故配电网的断线故障需及时抢修。

在现有对电网故障定位的技术中，主要针对的故障类型为接地和短路故障，常见的方法有阻抗法和行波法，而对于断线故障的研究较少。在专利《[CN102707194]一种配电网断线故障定位方法》中主要通过在配电网各节点部署智能体获取电网中各节点的电压、电流和导线应力等信息，通过潮流分析模拟不同节点间断线故障时的电压和潮流特征并建立匹配方法库，与实际发生断线时的电压和潮流特性进行匹配，从而识别断线所在的线路区段。该技术实现了断路故障的节点间区段定位。然而该方法随着配网的运行方式变化、线路改造，规则库需要重新进行制定维护，且需要在各端点部署智能体监测电流、电压和应力信息，对电压的监测需要考虑绝缘问题，成本较大无法大规模部署，因而对于较长的配电分支路，难以进一步缩小故障查找范围。在专利《[CN 106997016]一种低压配电线路断线故障识别方法及装置》中，对预设的两个采样点的三相电流及泄漏电流进行采样和提取幅值和相角，以及电流整定值以判定是否满足三相主干线保护来推断发生断路的相线，从而确定是否需要保护装置动作。该方法可识别分支断线故障，但无法进一步进行定位。

发明内容

针对现有技术的存在无法对断线故障进行小区段定位、部署成本大等不足，本发明提供了一种配电网断线故障区间定位方法及系统，用于实现配电线路断线故障的识别和区间定位。

一种配电网断线故障区间定位方法，利用配电线路在运行时发生断线故障后，所在的线路断线对应相无法形成回路，导致该线路对应相的电流为0，从而准确判断断线故障所在的线路和相别；同时，因断线两侧的线无直接电气连接，通过末端变压器或负荷产生间接电气连接或断开，从而造成断线两侧电压相位差。更进一步，断线两侧线路电压所引起的工频电场也存在相角差，故通过测量线路工频电场，计算其相角偏移，分析各监测点的电场相角差，即可进一步缩小断线点所在区域。

本发明方法所应用的系统的技术方案为一种配电网断线故障区间定位系统，由多个故障监测单元和故障监测集中器组成。

进一步地，所述故障监测单元由：感应取电模块、储能模块、电流传感模块、电场传感模块、故障识别模块、通信模块组成；所述储能模块与所述感应取电模块连接；所述感应取电模块分别与所述的电流传感模块、电场传感模块、故障识别模块、通信模块依次连接，为其余各模块供电；所述故障识别模块分别与所述的电流传感模块、电场传感模块、通信模块依次连接，由故障识别模块协调各模块运行。

作为优选，所述感应取电模块用于获取线路感应电流从而为装置提供电能；

作为优选，所述储能模块用于断线时持续为模块提供电能；

作为优选，所述电流传感模块用于获取线路电流信号送给故障识别模块作进一步处理；

作为优选，所述电场传感模块用于获取线路工频电场信号送给故障识别模块作进一步处理；

作为优选，所述故障识别模块实现电流和工频电场的信号的AD采集、断路故障的识别以及工频电场相角偏移的计算；

作为优选，所述通信模块用于与故障检测集中器实现短距无线组网通信，把断路故障识别模块的识别结果以及电场相角偏移传输至故障检测集中器。

进一步地，所述故障监测集中器由供电模块、断路故障识别模块、远程通信模块、本地通信模块所组成；所述供电模块分别与所述的断路故障识别模块、远程通信模块、本地通信模块依次连接；所述断路故障识别模块分别与所述的远程通信模块、本地通信模块依次连接,由断路故障识别模块协调各模块工作。

作为优选，所述供电模块为故障监测集中器提供电源；

作为优选，所述断路故障识别模块用于执行断路故障区间的识别判断；

作为优选，所述远程通信模块用于将断路故障识别结果传输至控制中心；

作为优选，所述本地通信模块用于与多个故障监测单元组网，获取故障监测单元上报的电场相角偏移信息。

本发明方法的技术方案为一种配电网断线故障区间定位方法，包含以下步骤：

步骤1：在配电线路及其分支线路从源端到负荷端按一定长度进行分段，每段的首端分别编号为k，k∈[1,N]，并在相应段首端处A、B、C三相线路分别部署故障监测单元k_a,k_b,k_c,，在配电线路或其分支首端一处部署故障监测集中器,形成一个故障监测集中器多个故障监测单元的一对多工作模式；

步骤2：监测线路电流以识别是否发生断路故障。各故障监测单元持续监测线路A、B、C各相电流i_A(t)、i_B(t)、i_C(t)，当其中某相电流i(t)小于线路泄漏电流I_ε时，可认为该相实际电流为0，判定为配电线路对应该相发生断路故障，记录该时刻为t₀并执行步骤3对断路故障相进一步分段识别，否则继续执行步骤2持续监测线路各相电流；

步骤3：通过故障监测单元中电场传感器测量并计算电场信号相角偏移。断路故障相中各分段首端的故障监测单元均依照步骤2故障判断条件于t₀时刻同步启动电场信号AD采集。令故障监测单元k记录交变电场相对于时刻t₀起的电场信号的M个AD采样序列E_k(n)＝{E_k1,E_k2,…E_kM},使用快速傅里叶变换(FFT)将E_k(n)转换为频域序列，取基波分量的相角θ_k作为线路工频电场相角偏移值，并发送至故障监测集中器；

步骤4：断路故障分段识别。故障监测集中器接收断路所在线路相别中的第k故障监测单元上报的电场相角偏移θ_k，k∈[1,N]，计算任意相邻两个故障监测单元k,k-1的电场相角差的绝对值分别为δ_j-1,j：

δ_j-1,j＝|θ_k-θ_k-1|，k∈[2,N]

当相角的差绝对值δ_j-1,j超出设定阈值δ_E时，即可判定端点j-1,j之间的区间为断线故障所在区间。

本发明的有益效果是：

简单可靠。本发明提供的配电网断线故障区间定位方法及系统，直接对线路电流进行监测用于判断线路是否断线，对电场相角进行监测，反映断线点所在区间，不需要进行复杂的潮流变化，不受配网运行方式、潮流变化和线路参数影响，简单可靠。

成本较低、易于大规模部署。本发明所采用的故障监测单元不需要使用PT测量电压，仅测量线路电流和电场，避免了绝缘接地问题，大大降低了实现成本，也使现场易于安装。

准确性。本发明中对线路分段没有限制性要求，可以根据需巡检和现场需求灵活采用不同的分段长度，以适应不同的区间要求，提高了准确性。

附图说明

图1：是本发明涉及的实施方式示意图；

图2：是本发明涉及的故障监测单元组成框图；

图3：是本发明涉及的故障监测集中器组成框图；

图4：是本发明方法流程示意图。

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做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所示是本发明涉及的实施方式示意图，本发明方法所应用的系统的技术方案为一种配电网断线故障区间定位系统，由多个故障监测单元和故障监测集中器组成。

故障监测单元的实现案例如图3所示，所述故障监测单元由：感应取电模块、储能模块、电流传感模块、电场传感模块、故障识别模块、通信模块组成；所述故障监测单元由：感应取电模块、储能模块、电流传感模块、电场传感模块、故障识别模块、通信模块组成；所述储能模块与所述感应取电模块连接形成供电模块；所述供电模块分别与所述的电流传感模块、电场传感模块、故障识别模块、通信模块依次连接；所述故障识别模块分别与所述的电流传感模块、电场传感模块、通信模块依次连接，由所述故障识别模块协调各模块运行。

所述感应取电模块用于获取线路感应电流从而为装置提供电能；

所述储能模块采用法拉电容模组10V10F实现，用于断线时持续为模块提供电能；

所述电流传感模块使用柔性罗氏线圈实现，用于获取线路电流信号送给故障识别模块作进一步处理；

所述电场传感模块使用刻录于印制电路板上的交变电场传感栅格来实现，用于获取线路工频电场信号送给故障识别模块作进一步处理；

所述故障识别模块采用STM32F103实现，实现电流和工频电场的信号的AD采集、断路故障的识别以及工频电场相角偏移的计算；

所述通信模块使用基于芯片Sx1278的LoRa模块实现，用于与故障检测集中器实现短距无线组网通信，把断路故障识别模块的识别结果以及电场相角偏移传输至故障检测集中器。

所述故障监测集中器的实现案例如图4所示，所述故障监测集中器由供电模块、断路故障识别模块、远程通信模块、本地通信模块所组成；所述供电模块分别与所述的断路故障识别模块、远程通信模块、本地通信模块依次连接，为各模块供电；所述断路故障识别模块分别与所述的远程通信模块、本地通信模块连接，由断路故障识别模块协调各模块工作。

所述供电模块采用太阳能板、控制器和锂电池组成，为故障监测集中器提供电源；

所述断路故障识别模块采用STM32F407的实现，用于执行断路故障区间的识别判断；

所述远程通信模块采用GPRS/CDMA/4G DTU模块实现，用于将断路故障识别结果传输至控制中心；

所述本地通信模块采用基于芯片Sx1278的LoRa模块实现，用于与多个故障监测单元组网，获取故障监测单元上报的电场相角偏移信息。

下面结合图1至图4，介绍本发明的具体实施方式为一种配电网断线故障区间定位方法，包含以下步骤：

步骤1：在配电线路及其分支线路从源端到负荷端按一定长度(比如200m)进行分成N(设线路长度为L米，则N＝L/200)段，每段的首端分别编号为k，k∈[1,N]，并在相应段首端处A、B、C三相线路分别部署故障监测单元k_a,k_b,k_c，在配电线路或其分支首端一处部署故障监测集中器,形成一个故障监测集中器多个故障监测单元的一对多工作模式；

步骤2：监测线路电流以识别是否发生断路故障。各故障监测单元持续监测线路A、B、C各相电流i_A(t)、i_B(t)、i_C(t)，当其中某相电流i(t)小于线路泄漏电流I_ε时，可认为该相实际电流为0，判定为配电线路对应该相发生断路故障，记录该时刻为t₀并执行步骤3对断路故障相进一步分段识别，否则继续执行步骤2持续监测线路各相电流；

在35kV配电线路中，I_ε取值为50mA；在10kV的配电网中，I_ε取值为20mA；在6kV以下的电缆中，I_ε取值为10mA。

步骤3：通过故障监测单元中电场传感器测量并计算电场信号相角偏移。断路故障相中各分段首端的故障监测单元均依照步骤2故障判断条件于t₀时刻同步启动电场信号AD采集。令故障监测单元k记录交变电场相对于时刻t₀起的电场信号的M个AD采样序列E_k(n)＝{E_k1,E_k2,…E_kM},采样频率为f_s,使用快速傅里叶变换(FFT)将E_k(n)转换为频域序列，取基波分量的相角θ_k作为线路工频电场相角偏移值，并发送至故障监测集中器；

由于国内工频标准频率为f＝50Hz，为使基波准确反应工频电场信号，根据FFT变换中频谱分辨率与采样频率之间的关系，f为基频，则采样频率f_s按以下关系计算：

f_s＝M×f

为便于FFT计算，M取值为1024，则采样频率f_s为5.12ksps。

步骤4：断路故障分段识别。故障监测集中器接收断路所在线路相别中的第k故障监测单元上报的电场相角偏移θ_k，k∈[1,N]，计算任意相邻两个故障监测单元k,k-1的电场相角差的绝对值分别为δ_j-1,j：

δ_j-1,j＝|θ_k-θ_k-1|，k∈[2,N]

当相角的差绝对值δ_j-1,j超出设定阈值δ_E时，即可判定端点j-1,j之间的区间为断线故障所在区间。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种配电网断线故障区间定位方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1：在配电线路及其分支线路从源端到负荷端按一定长度进行分段，设置故障监测单元以及故障监测集中器；

步骤2：监测线路电流以识别是否发生断路故障；

步骤2中所述监测线路电流以识别是否发生断路故障，具体为：

各故障监测单元持续监测线路A、B、C各相电流i_A(t)、i_B(t)、i_C(t)，当其中某相电流i(t)小于线路泄漏电流I_ε时，可认为所在支路该相实际电流为0，判定为配电线路对应该相发生断路故障，记录该时刻为t₀并执行步骤3对断路故障相进一步分段识别，否则继续执行步骤2持续监测线路各相电流；

步骤3：通过故障监测单元中电场传感器测量并计算电场信号相角偏移；

步骤3中所述通过故障监测单元中电场传感器测量并计算电场信号相角偏移，具体为：

断路故障相中各分段首端的故障监测单元均依照步骤2故障判断条件于t₀时刻同步启动电场信号AD采集；令故障监测单元k记录交变电场相对于时刻t₀起的电场信号的M个AD采样序列E_k(n)＝{E_k1,E_k2,…E_kM},使用快速傅里叶变换(FFT)将E_k(n)转换为频域序列，取基波分量的相角θ_k作为线路工频电场相角偏移值，并发送至故障监测集中器；

步骤4：断路故障分段识别；

步骤4中所述断路故障分段识别，具体为：

故障监测集中器接收断路所在线路相别中的第k故障监测单元上报的电场相角偏移θ_k，k∈[1,N]，计算任意相邻两个故障监测单元k,k-1的电场相角差的绝对值分别为δ_j-1,j：

δ_j-1,j＝|θ_k-θ_k-1|，k∈[2,N]

当相角的差绝对值δ_j-1,j超出设定阈值δ_E时，即可判定端点j-1,j之间的区间为断线故障所在区间。

2.根据权利要求1所述的配电网断线故障区间定位方法，其特征在于：

步骤1中所述设置故障监测单元以及故障监测集中器，具体为：

在配电线路及其分支线路从源端到负荷端按一定长度进行分段，每段的首端分别编号为k，k∈[1,N]，并在相应段首端处A、B、C三相线路分别部署故障监测单元k_a,k_b,k_c，在配电线路或其分支首端一处部署故障监测集中器,形成一个故障监测集中器多个故障监测单元的一对多工作模式。

3.一种运用于权利要求1所述的配电网断线故障区间定位方法的配电网断线故障区间定位系统，其特征在于，包括：多个故障监测单元和故障监测集中器。

4.根据权利要求3所述的配电网断线故障区间定位系统，其特征在于：

所述故障监测单元由：感应取电模块、储能模块、电流传感模块、电场传感模块、故障识别模块、通信模块组成；所述储能模块与所述感应取电模块连接形成供电模块；所述供电模块分别与所述的电流传感模块、电场传感模块、故障识别模块、通信模块连接；所述故障识别模块分别与所述的电流传感模块、电场传感模块、通信模块连接，由所述故障识别模块协调各模块运行；

所述感应取电模块用于获取线路感应电流从而为装置提供电能；

所述储能模块用于断线时持续为模块提供电能；

所述电流传感模块用于获取线路电流信号送给故障识别模块作进一步处理；

所述电场传感模块用于获取线路工频电场信号送给故障识别模块作进一步处理；

所述故障识别模块实现电流和工频电场的信号的AD采集、断路故障的识别以及工频电场相角偏移的计算；

所述通信模块用于与故障检测集中器实现短距无线组网通信，把断路故障识别模块的识别结果以及电场相角偏移传输至故障检测集中器。

5.根据权利要求3所述的配电网断线故障区间定位系统，其特征在于：

所述故障监测集中器由供电模块、断路故障识别模块、远程通信模块、本地通信模块所组成；所述供电模块分别与所述的断路故障识别模块、远程通信模块、本地通信模块连接，为各模块供电；所述断路故障识别模块分别与所述的远程通信模块、本地通信模块连接，由断路故障识别模块协调各模块工作；

所述供电模块为故障监测集中器提供电源；

所述断路故障识别模块用于执行断路故障区间的识别判断；

所述远程通信模块用于将断路故障识别结果传输至控制中心；

所述本地通信模块用于与多个故障监测单元组网，获取故障监测单元上报的电场相角偏移信息。

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