CN111458597B - 一种基于雷击过电压相位传变特性的故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于雷击过电压相位传变特性的故障定位方法，通过在输配电线路上设置若干个电压监测传感器监测输配电线路的电压情况，利用信号发生器向输配电线路中注入脉冲信号，根据各个电压监测传感器所监测到雷击过电压信号相对于系统工频电压每周期的相位变化进行在线测距，当电压监测传感器判断出现雷击过电压情况时，将监测到的电压特征数据上传至后台定位主机，再通过雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位传变特性分析，定位雷击故障点位置。本发明利用雷击过电压相位传变特性实现雷击区间和雷击故障点的定位，定位精度更高、响应速度更快，能够缩短故障排查时间，减轻运维人员的运维负担，有效提升电网供电可靠性和智能化供电水平。

Description

一种基于雷击过电压相位传变特性的故障定位方法

技术领域

本发明涉及电力系统输配电线路雷电定位技术领域，尤其涉及一种基于雷击过电压相位传变特性的故障定位方法。

背景技术

输电线路作为电网系统的一个重要组成部分，随着智能电网建设的开展、近年来愈加受到关注与重视。在输电线路杆塔上装设各种状态监测设备是建设智能输电线路的基础性工作，目前各地电网建设也将其作为主要的发展方向。

雷电是危害电力系统安全的主要因素之一，雷电对输电线路安全运行危害极大，常常造成绝缘子闪络事故，雷击输配电线路是造成跳闸的主要原因之一。直击雷过电压是雷云直接击中配电线路、电力塔等电力设备的过电压形式。出现这种形式的原因是雷云本身极强的电流在借助电力设备传到地下后，产生落差很大的电压降，从而出现雷击过电压。特别是在山区郊外及交通不便的地区，给日常运维、查找故障增加了不少困难。雷电引起的过电压，叫做大气过电压。这种过电压危害相当大。大气过电压可分为直接雷过电压和感应雷过电压两种基本形式。雷电的电热效应会产生雷电过电压，引起击穿电气绝缘、绝缘子闪络、开关跳闸和线路停电现象。另外当雷电发生闪击时，由于雷电电流的变化速度极快，在雷电流的通道附近会产生一个巨大的感应电磁场，很容易对建筑物内的电力设备造成干扰，从而使周围的金属物件产生感应电流，继而产生大量热量引起火灾等灾害。

为了能够快速定位到配电线路上的雷击电压位置，提升供电可靠性，现有技术中已经提出了较多雷击过电压的定位方法。

一方面，现有技术公开了一种10kV配电线路雷击故障识别与定位方法，该方法通过在10kV配电线路中选择若干个雷击监测点，在雷击监测点所在的两个杆塔之间构建耦合地线，通过仿真方法获取各个监测点处地线感应电流幅值与雷电流幅值、雷击点距离的关系，构建定位数据库；采用高频电流监测装置获取避雷器或耦合地线在雷击时产生的感应电流，并远传到系统后台；并利用基于雷电电磁信号的雷电定位系统，获取故障时刻的雷电流幅值；将雷电流幅值导入定位数据库中，进行雷击位置模糊定位；根据雷击模糊定位、开关跳闸情况以及线路防雷性能，进行雷击故障位置模糊定位。但是该方法需要构建大量的数据库，操作起来太过复杂，并且对于雷击故障点的定位也不够精确。

另一方面，现有技术中也公开了一种基于准确测量电压的输电线路雷电故障定位方法，该方法通过获取输电线路上待测点的实时电压波形，根据所测电压波形来判断输电线路上待测点的当前电压是否为过电压，如果当前电压为过电压，则从所述输电线路上待测点的两侧分别选取若干个电压采集点，再根据若干个电压采集点的电压值以及位于所测输电线线路上待测点同侧的电压采集点之间的距离，计算得到输电线路电压衰减系数，最后根据所述输电线路电压衰减系数以及位于所述输电线路上待测点两侧的电压采集点之间的距离，计算后确定输电线路雷电故障的位置。但是该方法在确定雷击位置后仍需进行人工测量才能得到线路上各电压采集点位置间的距离，并未引入在线测距技术，耗时耗力，人力成本过高。

此外，现有技术还公开了一种应用卫星定位导航系统传送雷击位置信号的方法，该方法通过将若干已编号的传感器设于电杆、铁塔侧带电输电线路绝缘瓷瓶或带电避雷器或带电断路器或带电刀闸或带电配变上，传感器感应闪电雷击并产生感应电势，而传感器有一信号发送电路，信号发送电路经卫星定位导航系统与终端信号接收设备通讯连接，以确定雷击位置。但是该方法需经过卫星通讯以确定雷击位置，因此定位时间存在的误差及现有通讯水平的限制都会对故障的最终定位造成一定影响，故障定位的精度不够高。

因此，提出一种雷击故障定位更具有针对性、有效性，提高故障定位的精度，提高配电线路检修效率的雷击故障定位的方法成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种基于雷击过电压相位传变特性的故障定位方法，以解决现有技术中对雷击故障的定位不够有效，人力成本消耗过大，定位故障的精度较低，配电线路检修效率过低的问题。

一种基于雷击过电压相位传变特性的故障定位方法，所述方法通过在输配电线路上设置若干个电压监测传感器监测所述输配电线路的电压情况，利用信号发生器向所述输配电线路中注入脉冲信号，根据各个所述电压监测传感器所监测到雷击过电压信号相对于系统工频电压每周期的相位变化进行在线测距，当所述电压监测传感器判断出现雷击过电压情况时，将监测到的电压特征数据上传至后台定位主机，再通过所述雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位传变特性分析，定位雷击故障点位置；所述方法具体包括以下步骤：

在所述输配电线路上设置若干个所述电压监测传感器，实时监测所述输配电线路的电压情况；

在所述输配电线路上选取一个安装有所述电压监测传感器的位置作为测距基准位置，记为位置2，所述位置2左右两侧相邻的两个所述电压监测传感器分别记为位置1和位置3，利用所述信号发生器向所述输配电线路的位置2处注入脉冲信号；

采集位置1、位置2、位置3以及剩余每一个所述电压监测传感器的电压特征数据，并上传至所述后台定位主机；

所述后台主机对接收到的所述电压特征数据进行分析，提取位置1、位置2以及位置3处所监测到的脉冲信号对应的系统工频电压每周期的相位，分别记为

计算并记录位置2与位置1的脉冲信号相对于系统工频电压的相位差

和距离L₂₁，位置2与位置3的脉冲信号相对于系统工频电压的相位差

和距离L₂₃；

重复上述步骤，计算并记录所述输配电线路上所有区段的脉冲信号相对于系统工频电压的相位差和距离；

当所述电压监测传感器判断所述输配电线路出现雷击情况时，若干个所述电压监测传感器均自动记录下电压特征数据并上传至所述后台定位主机，所述后台定位主机进行分析处理后，提取每一个所述电压监测传感器所监测到的所述雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位；

筛选出所述雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位相对最小的三个所述电压监测传感器，若筛选出的三个所述电压监测传感器安装在同一所述输配电线路的相邻位置，则判断该所述输配电线路为雷击线路，雷击点处于筛选出的三个所述电压监测传感器之间；否则，认为该所述输配电线路未出现雷击故障；

比较所述雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位与所述脉冲信号对应的系统工频电压的相位在相同区段的相位差，判断雷击点所在区段；

计算雷击点距离其两侧所述电压监测传感器的距离，判断雷击点的准确位置。

上述技术方案中，电压监测传感器至少包括电压分压器、电压信号采样模块、电源模块以及通讯模块，电压信号采样模块用于采集电压特征数据，通讯模块用于与后台主机系统进行通信，可以为4G信号、5G信号、WiFi信号、光纤通讯等通讯方式。

采用上述技术方案，利用电压监测传感器监测采集电压特征数据以及后台主机系统对采集到的电压特征进行分析处理，得出每个区段在脉冲信号相对于系统工频电压的相位差以及每个区段在雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位差，比较监测到的雷击过电压信号的相位最小的一个电压监测传感器以及与其相邻的两个电压监测传感器与该电压监测传感器之间的相位差与脉冲信号在该区段相对于系统工频电压的相位差，判断发生雷击故障点的具体位置，故障定位的精确性更高。

可选的，所述位置2与位置1的脉冲信号相对于系统工频电压的相位差

以及所述位置2与位置3的脉冲信号相对于系统工频电压的相位差

的计算方式如下：

可选的，所述位置2与位置1的距离L₂₁以及位置2与位置3的距离L₂₃的计算方式如下：

其中，V为雷击过电压信号在输配电线路中传播的速度，V＝3×10⁸m/s。

可选的，所述判断雷击点的区段过程如下：

记位置2处的所述电压监测传感器监测到的雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位最小，最小相位记为

位置2两侧相邻的两个所述电压监测传感器的位置分别记为位置1和位置3，位置1和位置3的相位分别记为

计算位置2与位置1的雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位差

以及位置2与位置3的雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位差

比较所述雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位与所述脉冲信号对应的系统工频电压的相位，即若

则雷击点位于位置2和位置1之间；反之，雷击点位于位置2和位置3之间。

可选的，所述

与所述

的计算方法相同。

可选的，所述计算雷击点距离其一侧的所述电压监测传感器的距离计算方式如下：

记雷击点为o，若雷击点位于位置2与位置1之间，则

即

L_o2＝L₂₁-L_o1，

其中，L₂₁为位置2与位置1之间的距离，L_o1为雷击点o与位置1之间的距离，L_o2为雷击点o与位置2之间的距离，V为雷击过电压信号在输配电线路中传播的速度，V＝3×10⁸m/s，

分别为位置1、位置2以及位置3处的所述电压监测传感器监测到的雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位。

可选的，所述计算雷击点距离其另一侧的所述电压监测传感器的距离计算方式如下：

记雷击点为o，若雷击点位于位置2与位置3之间，则

即

L_o2＝L₂₃-L_o3，

其中，L₂₃为位置2与位置3之间的距离，L_o2为雷击点o与位置2之间的距离，L_o3为雷击点o与位置3之间的距离。

可选的，所述判断输配电线路出现雷击故障情况通过所述电压监测传感器在一个电压监测周期内所监测到的过电压幅值是否超过系统额定电压幅值的2倍，若超过，则判断出现雷击故障情况。

可选的，所述输配电线路出现雷击故障情况时，所述电压监测传感器开始记录该监测周期内的电压特征数据。

本发明的一种基于雷击过电压相位传变特性的故障定位方法，相较于现有技术而言，具有如下有益效果：

(1)本发明通过分布式电压监测传感器监测三相输配电线路上的电压情况，当出现雷击过电压情况时，可将监测获得的电压特征数据上传至后台定位主机，利用雷击过电压相位传变特性规律实现累计区间和雷击点位置的精确定位。

(2)本发明以监测雷击过电压信号相对于系统工频电压每周期的相位为依据进行在线测距和故障定位，可避免由于不同装置之间时钟不统一造成的误差，故障定位精度更高，响应速度更快，缩短了故障排查时间，极大地减轻了运维人员的运维作业负担，有效提升了电网的供电可靠性和智能化水平。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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为本发明注入脉冲信号的整体结构示意图；

图2为本发明注入脉冲信号测量基准值的原理示意图；

图3为本发明发生雷击故障的整体结构示意图；

图4为本发明雷击点位于位置2与位置3之间的原理示意图；

图5为本发明实现过程的流程图。

具体实施方式

参见图1至图5，以输配电线路上存在雷击过电压情况为前提，本发明提供一种基于雷击过电压相位传变特性的故障定位方法，所述方法通过在输配电线路上设置若干个电压监测传感器监测所述输配电线路的电压情况，利用信号发生器向所述输配电线路中注入脉冲信号，根据各个所述电压监测传感器所监测到雷击过电压信号相对于系统工频电压每周期的相位变化进行在线测距，当所述电压监测传感器判断出现雷击过电压情况时，将监测到的电压特征数据上传至后台定位主机，再通过所述雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位传变特性分析，定位雷击故障点位置；所述方法具体包括以下步骤：

在所述输配电线路上设置若干个所述电压监测传感器，实时监测所述输配电线路的电压情况；

在所述输配电线路上选取一个安装有所述电压监测传感器的位置作为测距基准位置，记为位置2，所述位置2左右两侧相邻的两个所述电压监测传感器分别记为位置1和位置3，利用所述信号发生器向所述输配电线路的位置2处注入脉冲信号；

采集位置1、位置2、位置3以及剩余每一个所述电压监测传感器的电压特征数据，并上传至所述后台定位主机；

所述后台主机对接收到的所述电压特征数据进行分析，提取位置1、位置2以及位置3处所监测到的脉冲信号对应的系统工频电压每周期的相位，分别记为

计算并记录位置2与位置1的脉冲信号相对于系统工频电压的相位差

和距离L₂₁，位置2与位置3的脉冲信号相对于系统工频电压的相位差

和距离L₂₃；

重复上述步骤，计算并记录所述输配电线路上所有区段的脉冲信号相对于系统工频电压的相位差和距离；

当所述电压监测传感器判断所述输配电线路出现雷击情况时，若干个所述电压监测传感器均自动记录下电压特征数据并上传至所述后台定位主机，所述后台定位主机进行分析处理后，提取每一个所述电压监测传感器所监测到的所述雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位；

筛选出所述雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位相对最小的三个所述电压监测传感器，若筛选出的三个所述电压监测传感器安装在同一所述输配电线路的相邻位置，则判断该所述输配电线路为雷击线路，雷击点处于筛选出的三个所述电压监测传感器之间；否则，认为该所述输配电线路未出现雷击故障；

比较所述雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位与所述脉冲信号对应的系统工频电压的相位在相同区段的相位差，判断雷击点所在区段；

计算雷击点距离其两侧所述电压监测传感器的距离，判断雷击点的准确位置。

上述技术方案中，电压监测传感器至少包括电压分压器、电压信号采样模块、电源模块以及通讯模块，电压信号采样模块用于采集电压特征数据，通讯模块用于与后台主机系统进行通信，可以为4G信号、5G信号、WiFi信号、光纤通讯等通讯方式。

采用上述技术方案，利用电压监测传感器监测采集电压特征数据以及后台主机系统对采集到的电压特征进行分析处理，得出每个区段在脉冲信号相对于系统工频电压的相位差以及每个区段在雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位差，比较监测到的雷击过电压信号的相位最小的一个电压监测传感器以及与其相邻的两个电压监测传感器与该电压监测传感器之间的相位差与脉冲信号在该区段相对于系统工频电压的相位差，判断发生雷击故障点的具体位置，故障定位的精确性更高。

在上述实施方式的基础上，进一步地，参见图1和图2，所述位置2与位置1的脉冲信号相对于系统工频电压的相位差

以及所述位置2与位置3的脉冲信号相对于系统工频电压的相位差

的计算方式如下：

在上述实施方式的基础上，进一步地，所述位置2与位置1的距离L₂₁以及位置2与位置3的距离L₂₃的计算方式如下：

其中，V为雷击过电压信号在输配电线路中传播的速度，V＝3×10⁸m/s。

在上述实施方式的基础上，进一步地，所述判断雷击点的区段过程如下：

记位置2处的所述电压监测传感器监测到的雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位最小，最小相位记为

位置2两侧相邻的两个所述电压监测传感器的位置分别记为位置1和位置3，位置1和位置3的相位分别记为

计算位置2与位置1的雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位差

以及位置2与位置3的雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位差

比较所述雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位与所述脉冲信号对应的系统工频电压的相位，即若

则雷击点位于位置2和位置1之间；反之，雷击点位于位置2和位置3之间。

在上述实施方式的基础上，进一步地，所述

与所述

的计算方法相同。

在上述实施方式的基础上，进一步地，所述计算雷击点距离其一侧的所述电压监测传感器的距离计算方式如下：

记雷击点为o，若雷击点位于位置2与位置1之间，则

即

L_o2＝L₂₁-L_o1，

其中，L₂₁为位置2与位置1之间的距离，L_o1为雷击点o与位置1之间的距离，L_o2为雷击点o与位置2之间的距离，V为雷击过电压信号在输配电线路中传播的速度，V＝3×10⁸m/s，

分别为位置1、位置2以及位置3处的所述电压监测传感器监测到的雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位。

在上述实施方式的基础上，进一步地，所述计算雷击点距离其另一侧的所述电压监测传感器的距离计算方式如下：

参见图3和图4，记雷击点为o，若雷击点位于位置2与位置3之间，则

即

L_o2＝L₂₃-L_o3，

其中，L₂₃为位置2与位置3之间的距离，L_o2为雷击点o与位置2之间的距离，L_o3为雷击点o与位置3之间的距离。

在上述实施方式的基础上，进一步地，所述判断输配电线路出现雷击故障情况通过所述电压监测传感器在一个电压监测周期内所监测到的过电压幅值是否超过系统额定电压幅值的2倍，若超过，则判断出现雷击故障情况。

在上述实施方式的基础上，进一步地，所述输配电线路出现雷击故障情况时，所述电压监测传感器开始记录该监测周期内的电压特征数据。

本发明提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本发明总的构思下的几个示例，并不构成本发明保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本发明方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于雷击过电压相位传变特性的故障定位方法，其特征在于,所述方法包括以下步骤：

在输配电线路上设置若干个电压监测传感器，实时监测所述输配电线路的电压情况；

在所述输配电线路上选取一个安装有所述电压监测传感器的位置作为测距基准位置，记为位置2，所述位置2左右两侧相邻的两个所述电压监测传感器分别记为位置1和位置3，利用信号发生器向所述输配电线路的位置2处注入脉冲信号；

采集位置1、位置2、位置3以及剩余每一个所述电压监测传感器的电压特征数据，并上传至后台定位主机；

所述后台定位主机对接收到的所述电压特征数据进行分析，提取位置1、位置2以及位置3处所监测到的脉冲信号对应的系统工频电压每周期的相位，分别记为

计算并记录位置2与位置1的脉冲信号相对于系统工频电压的相位差

和距离L₂₁，位置2与位置3的脉冲信号相对于系统工频电压的相位差

和距离L₂₃；

重复上述步骤，计算并记录所述输配电线路上所有区段的脉冲信号相对于系统工频电压的相位差和距离；

当所述电压监测传感器判断所述输配电线路出现雷击情况时，若干个所述电压监测传感器均自动记录下电压特征数据并上传至所述后台定位主机，所述后台定位主机进行分析处理后，提取每一个所述电压监测传感器所监测到的雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位；

筛选出所述雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位相对最小的三个所述电压监测传感器，若筛选出的三个所述电压监测传感器安装在同一所述输配电线路的相邻位置，则判断该所述输配电线路为雷击线路，雷击点处于筛选出的三个所述电压监测传感器之间；否则，认为该所述输配电线路未出现雷击故障；

比较所述雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位与所述脉冲信号对应的系统工频电压的相位在相同区段的相位差，判断雷击点所在区段；

计算雷击点距离其两侧所述电压监测传感器的距离，判断雷击点的准确位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于雷击过电压相位传变特性的故障定位方法，其特征在于，所述位置2与位置1的脉冲信号相对于系统工频电压的相位差

以及所述位置2与位置3的脉冲信号相对于系统工频电压的相位差

的计算方式如下：

3.根据权利要求1所述的一种基于雷击过电压相位传变特性的故障定位方法，其特征在于，所述位置2与位置1的距离L₂₁以及位置2与位置3的距离L₂₃的计算方式如下：

其中，V为雷击过电压信号在输配电线路中传播的速度，V＝3×10⁸m/s。

4.根据权利要求1所述的一种基于雷击过电压相位传变特性的故障定位方法，其特征在于，所述判断雷击点的区段过程如下：

记位置2处的所述电压监测传感器监测到的雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位最小，最小相位记为

位置2两侧相邻的两个所述电压监测传感器的位置分别记为位置1和位置3，位置1和位置3的相位分别记为

计算位置2与位置1的雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位差

以及位置2与位置3的雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位差

比较所述雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位与所述脉冲信号对应的系统工频电压的相位，若

且

则雷击点位于位置2和位置1之间；若

且

则雷击点位于位置2和位置3之间。

5.根据权利要求4所述的一种基于雷击过电压相位传变特性的故障定位方法，其特征在于，所述

的计算公式如下：

6.根据权利要求1所述的一种基于雷击过电压相位传变特性的故障定位方法，其特征在于，所述计算雷击点距离其一侧的所述电压监测传感器的距离计算方式如下：

记雷击点为o，若雷击点位于位置2与位置1之间，则

L₂₁＝L_o1+L_o2，

即

L_o2＝L₂₁-L_o1，

其中，L₂₁为位置2与位置1之间的距离，L_o1为雷击点o与位置1之间的距离，L_o2为雷击点o与位置2之间的距离，V为雷击过电压信号在输配电线路中传播的速度，V＝3×10⁸m/s，

分别为位置1、位置2以及位置3处的所述电压监测传感器监测到的雷击过电压信号相对于系统工频电压的相位。

7.根据权利要求6所述的一种基于雷击过电压相位传变特性的故障定位方法，其特征在于，所述计算雷击点距离其另一侧的所述电压监测传感器的距离计算方式如下：

记雷击点为o，若雷击点位于位置2与位置3之间，则

L₂₃＝L_o3+L_o2，

即

L_o2＝L₂₃-L_o3，

其中，L₂₃为位置2与位置3之间的距离，L_o2为雷击点o与位置2之间的距离，L_o3为雷击点o与位置3之间的距离。

8.根据权利要求1所述的一种基于雷击过电压相位传变特性的故障定位方法，其特征在于，判断所述输配电线路出现雷击故障情况通过所述电压监测传感器在一个电压监测周期内所监测到的过电压幅值是否超过系统额定电压幅值的2倍，若超过，则判断出现雷击故障情况。

9.根据权利要求8所述的一种基于雷击过电压相位传变特性的故障定位方法，其特征在于，所述输配电线路出现雷击故障情况时，所述电压监测传感器开始记录该监测周期内的电压特征数据。

Images