CN112526293A - 一种配电线路在线故障监测装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种配电线路在线故障监测装置、系统和方法，基于检测装置实现对配电线路的特征检测，利用至少一个检测装置和上位机组成系统，能够实现对故障点的位置计算，从而克服了传统配电线路故障检测装置安装复杂且需要断电安装，检测准确率较低的弊端。

Description

一种配电线路在线故障监测装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及一种配电线路在线故障监测装置、系统及方法，基于行波原理，对10kV架空线路进行在线故障监测，准确发现故障信息并进行故障定位。

背景技术

现有10kV架空线路的故障监测设备主要有FTU(馈线终端)、暂态录波型故障指示器等。

FTU主要用于架空线路保护，配合柱上断路器、负荷开关、配网自动化主站等，对线路进行综合保护分合闸，其可监测线路工频电流、电压，可对对应开关进行分合闸操作。一般出现故障后，可通过后台数据及重合闸状态判断出架空线故障区段。

暂态录波型故障指示器是目前针对架空线路设计开发的在线故障监测设备，通常需要全线路安装，即10kV线路从变电站出线上杆至末端，以及所有分支线路，安装数量巨大。主要采集架空线路的暂态电流信号，通过后台数据分析判断出架空线故障线路及某2个故障指示器之间区域。

以上两种方案均存在问题，FTU使用中主要问题如下：

1.以保护功能为主，故障监测功能较弱；

2.采集信号均为工频信号，无法判断出接地故障等；

3.只能通过后台全线路FTU和开关状态，及重合闸成功与否进行人工分析故障区段。

暂态录波型故障指示器使用中主要的问题如下：

1.只能采集2kHz以下的线路暂态信号，接地故障的判断准确率低于60％。

2.全线路安装，数量巨大，一般单条线路需安装几十套故障指示器。

3.10kV线路电流低于3.5A时，故障指示器只能低功耗工作，不能捕捉故障信息。

4.需要通过线路上全部的故障指示器进行综合数据分析，方可计算出故障区域(即2故障指示器之间区域)。

本发明与传统的故障监测方案相比，只需要在线路起始点和末端安装设备，即可实时捕获线路上全部故障信息，并可准确计算出故障点位置。在安装过程中无需停电，安装方式简单易操作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种配电线路在线故障监测装置、系统及方法。

配电线路在线故障监测装置的具体方案如下：

一种配电线路在线故障监测装置，包括传感器和故障监测终端，所述传感器和故障监测终端相连，向故障监测终端发送信号；所述故障监测终端包括信号调理转换模块、判断模块、分析模块、电源管理模块和通信模块，其中：

所述信号调理转换模块用于对来自传感器的信号进行调理和/或转换；

所述判断模块用于判断经过调理和/或转换后的信号是否需要进行分析；

所述分析模块用于采集被判断模块判断为需要分析的信号并分析所述需要分析的信号；

所述通信模块用于和上位机建立通信连接和获取授时信息；

所述电源管理模块用于向其他模块分配电能和供电；

其特征在于，所述传感器被集成于绝缘柱内，包括用于感应架空线缆产生的磁场的感应线圈。

进一步的，所述绝缘柱为空心结构，在绝缘柱外侧接近架空线缆的部分具有安装凹槽，所述安装凹槽用于卡合或固定架空线缆；在绝缘柱内侧靠近所述安装凹槽的部分安装有感应线圈。

进一步的，每个配电线路在线故障监测装置可以匹配多个传感器。

进一步的，所述信号调理转换模块包括信号滤波电路和模/数转换电路。

进一步的，所述信号滤波电路为贝塞尔6阶有源带通滤波器。

进一步的，所述判断模块读取信号调理转换模块输出的信号，当所述信号超出设定阈值时，判定信号需要输入分析模块进行分析。

配电线路在线故障监测系统的具体方案如下：

一种配电线路在线故障监测系统，包括至少两个前述记载的配电线路在线故障监测装置和上位机，所述上位机基于分析模块的分析结果，计算故障点位置。

进一步的，所述上位机使用行波测距的方式计算故障点位置。

进一步的，所述配电线路在线故障监测系统中使用相同的授时信息。

配电线路在线故障监测方法的具体方案如下：

一种配电线路在线故障监测方法，其特征在于，包含如下步骤：

S1：检测并提取配电线路线缆磁场变化情况的信号；

S2：对磁场变化信号进行调理和/或转换；

S3：对调理和/或转换后的信号值进行监控，如超过设定的阈值，则进行分析，否则，继续对调理和/或转换后的信号进行监控；

S4：读取需要进行分析的信号波形并进行对比判断，如判断为故障特征波形，则将故障特征波形上传至上位机进行故障位置计算。

使用上述的配电线路在线故障监测设备、系统和方法，能够在简单施工且不停电条件下进行部署系统，对线路故障进行迅速、高准确率的监测并定位故障点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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传感器结构示意图；

图2传感器使用状态示意图；

图3本发明的一个实施例中，感应线圈的结构示意图及其对应的电路图；

图4本发明的一个实施例中，第一级调理电路示意图；

图5本发明的一个实施例中，第二级调理电路示意图；

图6本发明的一个实施例中，第三级调理电路示意图；

图7本发明的一个实施例中，配电线路在线故障监测装置的安装示意图；

图8本发明的一个实施例中，配电线路在线故障监测装置的构成示意图；

图9行波测距原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明所提供技术方案的具体实施方式进行清楚、完整地描述，显然，所描述的多个具体实施方式和举例说明并非实施本发明所提供技术方案的全部方式。基于以下所描述的具体实施方式和举例说明，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方式，都属于本发明要求保护的范围。

实施例1：

如图3所示，在本发明的一个实施例中，传感器是一个无源设备，包括一个带有铁芯的线圈。当架空线路中的交变磁场由于故障而发生改变时，根据法拉第电磁感应定律，线圈中会产生感应电流I_(t)，感应电流I_(t)在回路中流经电阻Rc时会产生输出电流U_out。

如图1所示，本实施例中，传感器外壳类似于普通的绝缘瓶形状。传感器外壳顶部具有一个的截面为倒梯形的安装凹槽。传感器内部具有一个空腔，空腔内部的空间用于安装承载有线圈的电路板。电路板的输出通过同轴电缆引导至传感器的下部，被输送到监测设备内。

如图2所示，在安装传感器时，把10kV架空线的每一相线缆卡合在传感器顶部的安装凹槽内。由于传感器内部具有感应线圈，因此传感器能够在线缆周边电磁场发生变化时产生感应电压。

如图7所示，在本实施例中，所述配电线路在线故障监测系统中对两路3相10kV架空线进行了监测。在线路的两个端点处，分别安装了一个在线故障监测设备，每个在线故障监测设备分别监测线路中包含的两路3相的故障情况。具体接线方式为，每个传感器分别监测10kV架空线路中的1相。两路3相线路共需6个传感器。

如图8所示，在本实施例中，两路10kV架空线中，6条线缆分别被标记为A1、B1、C1和A2、B2和C2，每条线缆都对应一个传感器。

在本实施例中，信号调理转换模块包括了滤波调理部分和模/数转换部分。如图4-图6所示，三级电路组成了一个贝塞尔6阶有源带通滤波器。在本实施例中，滤波器电路选用了LMV612系列运放，中心频率为2.5MHz，通频带宽度4.75MHz。

在实际使用中，也可以根据电路调理的需求，使用其他系列的运放使用；实际使用的通频带宽度可以设置在500kHz-5MHz之间。本实施例中，为了保证信号完整性，模/数转换部分的采样频率选择为25MHz。

在本实施例中，6个传感器信号分别通过6组贝塞尔6阶有源带通滤波器后，被送入模/数转换电路中，被输出为包含有6路数据的一组数据。

在本实施例中，所述判断模块选用了FPGA。在FPGA中，采用简单阈值判读的逻辑对数据进行简单判断。即，设置一个数据阈值，当连续8个采样周期中，每组6个采样数据都超过设置的阈值后，判断感应信号出现了异常，否则，判断感应信号正常。

当判断感应信号异常时，则从异常点时刻开始，提取6路信号中的前50组和后200组数据，并将所提取的数据传送至分析模块中。

本实施例中，通信模块中包含了一个4G无线通信模块和一个GPS模块。所述4G无线通信模块和GPS模块均为市售模块，因此具体原理不再进行赘述。

本实施例中，分析模块选用了ARM。ARM主要通过GPS模块获取授时信号。接收到的授时信号会在ARM中校验，保证线路上两个故障检测装置收取到的时间信号差值小于20ns。如果时间信号差值超过20ns，则ARM自动进行重新授时。

ARM收到正确的授时信号后，根据采样周期，在每一组6路数据上加入时间标，通过4G模块上传至上位机。

在本实施例中，上位机根据行波测距的方式进行故障点的计算，行波测距原理如图9所示。设两个故障监测装置分别位于图中的M点和N点，T_M和T_N分别是M点和N点接收到波头的时间，则可按照下列公式计算故障点到M点和N点的距离：

D_MF＝[L+v(T_M-T_N)]/2

D_NF＝[L-v(T_M-T_N)]/2

其中，L为线路总长度，v为速度常数270m/μs，D_NF和D_MF分别为N点和M点至故障点的距离。

本实施例中，产生行波、监测行波的方式与现有技术相同，故具体方法不再赘述。

本实施例中，使用了太阳能电池板作为电源。所述太阳能电池板采集到的电力被送入电源管理模块，电源管理模块根据设备用电需求，将一部分电力送至系统中，供系统运行使用；另一部分电力被送至配套蓄电池中进行存储。当太阳能功率不够供应系统运行使用时，电源管理模块从蓄电池中提取电力，经变换后供系统运行使用。

实施例2：

本实施例中，所述配电线路在线故障监测系统采用与实施例1中基本相同的工作方式和配置，但系统中仅有一个故障监测装置。当故障监测装置以实施例1中的工作方式监测到线路故障后，将故障波形和时间标上报至上位机，上位机采用单侧行波测距方式计算故障点的位置。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种配电线路在线故障监测装置，包括传感器和故障监测终端，所述传感器和故障监测终端相连，向故障监测终端发送信号；所述故障监测终端包括信号调理转换模块、判断模块、分析模块、电源管理模块和通信模块，其中：

所述信号调理转换模块用于对来自传感器的信号进行调理和/或转换；

所述判断模块用于判断经过调理和/或转换后的信号是否需要进行分析；

所述分析模块用于采集被判断模块判断为需要分析的信号并分析所述需要分析的信号；

所述通信模块用于和上位机建立通信连接和获取授时信息；

所述电源管理模块用于向其他模块分配电能和供电；

其特征在于，所述传感器被集成于绝缘柱内，包括用于感应架空线缆产生的磁场的感应线圈。

2.根据权利要求1所述的配电线路在线故障监测装置，其特征在于，所述绝缘柱为空心结构，在绝缘柱外侧接近架空线缆的部分具有安装凹槽，所述安装凹槽用于卡合或固定架空线缆；在绝缘柱内侧靠近所述安装凹槽的部分安装有感应线圈。

3.根据权利要求2所述的配电线路在线故障监测装置，其特征在于，每个配电线路在线故障监测装置可以匹配多个传感器。

4.根据权利要求1所述的配电线路在线故障监测装置，其特征在于，所述信号调理转换模块包括信号滤波电路和模/数转换电路。

5.根据权利要求4所述的配电线路在线故障监测装置，其特征在于，所述信号滤波电路为贝塞尔6阶有源带通滤波器。

6.根据权利要求5所述的配电线路在线故障监测装置，其特征在于，所述判断模块读取信号调理转换模块输出的信号，当所述信号超出设定阈值时，判定信号需要输入分析模块进行分析。

7.一种配电线路在线故障监测系统，包括至少一个权利要求1-6中任意一条记载的配电线路在线故障监测装置和至少一个上位机，所述上位机基于分析模块的分析结果，计算故障点位置。

8.根据权利要求7所述的配电线路在线故障监测系统，其特征在于，所述上位机使用行波测距的方式计算故障点位置。

9.根据权利要求8所述的配电线路在线故障监测系统，其特征在于，所述配电线路在线故障监测系统中使用相同的授时信息。

10.一种配电线路在线故障监测方法，其特征在于，包含如下步骤：

S1：检测并提取配电线路线缆磁场变化情况的信号；

S2：对磁场变化信号进行调理和/或转换；

S3：对调理和/或转换后的信号值进行监控，如超过设定的阈值，则进行分析，否则，继续对调理和/或转换后的信号进行监控；

S4：读取需要进行分析的信号波形并进行对比判断，如判断为故障特征波形，则将故障特征波形上传至上位机进行故障位置计算。

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