CN113341272A - 基于暂态量的配电网单相接地故障区段定位系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于暂态量的配电网单相接地故障区段定位系统，包括：主站系统层，用于故障信息解析，对变电站故障运行信息和馈线故障特征信息实现配电网单相接地故障定位；线路设备层，用于常规速断、过流保护、接地故障选线和线路故障选段，对接地选线、消弧线圈接地系统中就地切除接地故障，并进行单相接地故障诊断和信息波形上传；通信网络层，用于主站系统层和线路设备层之间的通信。本发明还提供基于暂态量的配电网单相接地故障区段定位方法。本发明通过在线监测终端结合配电自动化系统有效实现单相接地故障小区间定位；可缩短故障定位与查找时间，降低处理时间，提高处理效率，有利于电网设备维护，提高电网设备的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及电网配电技术领域，具体涉及基于暂态量的配电网单相接地故 障区段定位系统及方法。
背景技术
目前10千伏配电网主要采用中性点非有效接地运行方式，架空混合网逐年 增加，架空线绝缘化率较低，近几年运行统计表明10kV配网单相接地故障概率 高，导致约70％以上的非计划停电。然而单相接地故障电流较小，故障选线问题 尚未圆满解决，实现故障区域定位难度大。如果能够实现单相接地故障自愈， 则可以有效提高配电网的自动化水平、大大降低故障巡线的难度，并能够减少 单相接地故障引发相间短路的概率，减少停电损失、提高供电可靠性。
当前配电自动化系统的推广应用，为配电网单相接地故障区域定位创造了 有利条件；但是，目前配电自动化终端(二遥、三遥)一般都不具备有效的单 相接地故障信息检测与判别功能，配电自动化主站也不具备有效的单相接地故 障区域定位功能，而且我国配网地域宽广，各地区发展不平衡，为实现60％的配 网自动化覆盖率，需要采取差异化实施路线：1)充分发挥在线监测终端安装简 易、经济等特点提升覆盖率；2)充分发挥馈线自动化成套设备及馈线自动化建 设模式实现分层分界的就地故障定位与隔离；3)充分发挥配网自动化系统强大 的数据处理能力、多源数据信息，实现配电网单相接地故障区域定位与隔离。
单相接地故障的区域定位有三种实现方式：(1)后台根据收集到的健全线 和故障线各区域的电气量信息，确定故障区域；(2)根据故障线各区域上报的 单相接地位置判断信息，确定故障区域；(3)不依赖于通信的就地智能馈线自 动化定位。很明显，前一种方式需要通信的数据量大，对通信要求较高；第二 种方式需要通信的数据量小，对通信要求较低，第三种方式是第二种方式的有 益补充，可实现无后台参与的故障区域定位。如何实现配网自动化全覆盖，并 保证配电网供电可靠性对配电网的供电是非常重要的。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提供基于暂态量的配电网单相 接地故障区段定位系统及方法。通过具有单相接地故障诊断功能的在线监测终 端、馈线自动化成套设备、区段定位与隔离及复电主站系统功能模块，可以有 效提高配电网的自动化水平、大大降低故障巡线的难度，并能够减少单相接地 故障引发相间短路的概率，减少停电损失、提高供电可靠性。
本发明的技术方案是：
基于暂态量的配电网单相接地故障区段定位系统，包括：
主站系统层，用于故障信息解析，对变电站故障运行信息和馈线故障特征 信息实现配电网单相接地故障定位；
线路设备层，用于常规速断、过流保护、接地故障选线和线路故障选段， 对接地选线、消弧线圈接地系统中就地切除接地故障，并进行单相接地故障诊 断和信息波形上传；
通信网络层，用于主站系统层和线路设备层之间的通信。
作为本发明的进一步地技术方案为，所述线路设备层包括：
变电站出线开关，具备常规速断、过流保护功能，具备接地故障选线功能；
集中型FA配电终端，用于线路故障选段，实现隔离短路故障和切除接地故 障；
智能型馈线分界断路器，设置于大分支首端及长线路主线路后端，实现接 地选线、消弧线圈接地系统中就地切除接地故障；
在线监测终端，设置于主干线和分支线各二遥节点，具备单相接地故障诊 断功能和信息波形上传功能。
作为本发明的进一步技术方案为，所述在线监测终端包括：
探头，设置于架空线路上，通过电流感应取电，实时高频采集电流、识别 相间短路、单相接地故障并翻牌指示；
通信终端，安装于杆塔上，用于对探头的管理，包括探头的心跳、对时、 数据召唤、数据转发以及本地故障数据的存储；
所述探头通过短距离无线通信模块与通信终端连接，所述通信终端通过无 线GPRS/3G/4G/5G通信方式与主站系统通信。
进一步地，所述通信终端采用太阳能电池板供电，通过蓄电池作为辅助电 源。
进一步地，所述通信终端采用高压电容分压取电，通过超级电容模组作为 辅助电源。
本发明还提供基于暂态量的配电网单相接地故障区段定位方法，包括以下 步骤：
接收配电终端的检测信息并进行分析完成故障定位；
控制故障定位的开关节点进行故障隔离；
根据配电网的运行状态和约束条件生成网络重构方案；
根据网络重构方案进行故障隔离并恢复供电。
作为本发明的进一步技术方案为，所述接收配电终端的检测信息并进行分 析完成故障定位，具体包括：所述配电终端为具有单相接地故障就地诊断功能 和录波功能的馈线分段开关、分支分界开关、联络开关配套终端和在线监测终 端；
配电终端上传故障状态信息和故障波形；
根据上传的故障状态信息和故障波形进行故障小区间化定位；
在配调工作站上自动推图，基于地理背景图显示地理沿布图故障发生区段， 同步支持故障发生区段正交图显示，并通过详细列表显示故障发生及定位信息；
收集故障波形，进行离线式群比辅助判决，确认和修正定位区间。
作为本发明的进一步技术方案为，配电终端上传故障状态信息和故障波形； 具体为，基于单相电压、电流暂态参数模型识别法，当发生单相接地故障时， 所有的线路故障相相电压突变量ΔU变化趋势一致，且故障线路故障前端的相电 流突变量ΔIF1和故障点下游故障相的相电流突变量ΔIF2以及非故障线路各相相 电流突变量相反，利用C＝ΔI/(dΔU/dt)，判断电容的正负可识别故障点。
作为本发明的进一步技术方案为，所述控制故障定位的开关节点进行故障 隔离；具体包括：
根据当前故障性质、故障线路运行负荷情况、自动化节点配置情况，实现 故障区段隔离；具体分为：对于瞬时故障，不启动故障处理，只报警和记录相 关事项；对于永久性故障，进行相应策略研判后启动处理程序，系统根据故障 定位结果及现场开关类型确定隔离方案。
作为本发明的进一步技术方案为，所述根据网络重构方案进行故障隔离并 恢复供电，具体包括：故障区段隔离后，主站系统自动编制负荷转移策略；负 荷侧转供电时，系统启动转供电模块，对配电网进行短期负荷预测及拓扑分析， 对非故障区段实施转供电操作。
本发明的有益效果为：
本发明采用基于单相网络模型识别的配电网单相接地故障判别法，具有不 受电网结构、运行方式、中性点接地方式、过渡电阻等因素影响的优点；通过 在线监测终端结合配电自动化系统有效实现单相接地故障小区间定位；
通过相电流和合成零序电流识别方法，解决了现场改造无需安装零序PT； 进一步提升了配网自动化规模。
本发明可以实现通信健全和不健全的单相接地故障定位与隔离方案，分别适 用于A、B区，C/D区。
本发明可减少停电时间和停电区间，提高供电可靠性在采用在线监测终端、 智能成套设备与主站配合可以实现对故障区段的定位、隔离、恢复供电功能， 保证非故障区段的正常供电。
本发明可缩短故障定位与查找时间，降低处理时间，提高处理效率，有利 于电网设备维护，故障发生后，人工拉闸有可能对健全线路进行停电再来电， 每一次开关的断开和闭合都会对电网造成冲击，容易产生操作过电压和谐振过 电压，频繁的开关操作也会减少开关实用寿命。
本发明可以快速准确的故障选线和定位技术有利于维护电网设备，提高电 网设备的使用寿命。
附图说明
图1为本发明提出的基于暂态量的配电网单相接地故障区段定位系统结构 图；
图2为本发明提出的在线监测终端结构图；
图3为本发明提出的基于暂态量的配电网单相接地故障区段定位方法流程 图；
图4为本发明提出的故障时刻三相电压暂态波形图，
图5为本发明提出的故障时刻三相电流暂态波形图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进 行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描 述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实 施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例， 均属于本发明保护的范围。
参见图1，为本发明提出的基于暂态量的配电网单相接地故障区段定位系统 结构图；
如图1所示，基于暂态量的配电网单相接地故障区段定位系统，包括：
主站系统层，用于故障信息解析，对变电站故障运行信息和馈线故障特征 信息实现配电网单相接地故障定位；
线路设备层，用于常规速断、过流保护、接地故障选线和线路故障选段， 对接地选线、消弧线圈接地系统中就地切除接地故障，并进行单相接地故障诊 断和信息波形上传；
通信网络层，用于主站系统层和线路设备层之间的通信。
其中，所述线路设备层包括：
变电站出线开关CB，具备常规速断、过流保护功能，具备接地故障选线功 能；
集中型FA配电终端及在线监测终端，用于线路故障选段，实现隔离短路故 障和切除接地故障；
智能型馈线分界断路器FB，设置于大分支首端及长线路主线路后端，实现 接地选线、消弧线圈接地系统中就地切除接地故障；
在线监测终端FDK，设置于主干线和分支线各二遥节点，具备单相接地故障 诊断功能和信息波形上传功能。
本发明整体系统架构主要由配电主站系统层、通信网络层、线路设备层组 成：系统通过对配电终端(含馈线分段开关、分支分界开关、联络开关配套终 端、在线监测终端)上送的信息进行分析，完成故障定位；依据自动化开关节 点完成故障隔离；根据配电网的运行状态和必要的约束判断条件生成网络重构 方案，调度人员可根据实际条件选择手动、半自动或自动方式进行故障隔离并 恢复供电。
主站系统层具有故障信息解析功能，能够综合变电站10kV故障运行信息、 馈线故障特征信息，实现基于配电自动化系统的配电网单相接地故障定位。通 信网络层采用无线方式构建通信网络。馈线终端FTU具备以太网口和串口，支 持IEC60870-5-101/104等标准规约。线路设备层主要包括以下四种类型核心 设备：①变电站出线开关CB，具备常规速断、过流保护等功能，通过改造后具 备接地故障选线功能。②集中型FA配电终端、在线监测终端，用于线路故障选 段，主要实现隔离短路故障和切除接地故障。③智能型馈线分界断路器FB，一 般用于大分支首端、或长线路主线路后端，主要实现接地选线、消弧线圈接地 系统中就地切除接地故障。④在线监测终端FDK，安装于主干线和分支线各二遥 节点，具备单相接地故障诊断功能和信息波形上传功能。
参见图2，所述在线监测终端包括：
探头，设置于架空线路上，通过电流感应取电，实时高频采集电流、识别 相间短路、单相接地故障并翻牌指示；
通信终端，安装于杆塔上，用于对探头的管理，包括探头的心跳、对时、 数据召唤、数据转发以及本地故障数据的存储；
所述探头通过短距离无线通信模块与通信终端连接，所述通信终端通过无 线GPRS/3G/4G/5G通信方式与主站系统通信。
本发明实施例中，通信终端采用太阳能电池板供电，通过蓄电池作为辅助 电源。或者通信终端采用高压电容分压取电，通过超级电容模组作为辅助电源。
在线监测终端由两部分组成：3只智能探头和1台配电线路状态在线监测终 端(主体)，两者通过短距无线通信互联。探头安装于10kV架空线路，电流感 应取电；实时高频采集电流、电场；识别相间短路、单相接地故障并翻牌指示； 通过短距无线通信与通信终端互联。通信终端安装于杆或塔，采用太阳能电池 板或高压电容分压取电，以蓄电池或超级电容模组作为后备电源，通信终端通 信管理探头：心跳、对时、数据召唤、数据转发；本地故障数据存储(故障事件 记录和故障时刻录波数据记录)；通过无线GPRS/3G通信。
参见图3，本发明还提供一种基于暂态量的配电网单相接地故障区段定位方 法，包括以下步骤：
步骤201，接收配电终端的检测信息并进行分析完成故障定位；
步骤202，控制故障定位的开关节点进行故障隔离；
步骤203，根据配电网的运行状态和约束条件生成网络重构方案；
步骤204，根据网络重构方案进行故障隔离并恢复供电。
在步骤201中，接收配电终端的检测信息并进行分析完成故障定位，具体 包括：所述配电终端包括具有单相接地故障就地诊断功能和录波功能的馈线分 段开关、分支分界开关、联络开关配套终端和在线监测终端；
当发生单相接地故障时，配电终端上传故障状态信息和故障波形；
根据上传的故障状态信息和故障波形进行故障小区间化定位；
在配调工作站上自动推图，基于地理背景图显示地理沿布图故障发生区段， 同步支持故障发生区段正交图显示，并通过详细列表显示故障发生及定位信息；
收集故障波形，进行离线式群比辅助判决，确认和修正定位区间。
本发明实施例中，对于配电网单相接地故障定位通过配电网的裤馈线继电 保护，依断路器关系对整个网络进行拓扑分解，从而构成线路网络的关系矩阵 作为判别算法，可采用矩阵算法、频域分析及特征向量法、蚁群算法及概率算 法，根据故障状态信息和开关状态，及配电网络结构信息上传至主站系统进行 故障定位。
在步骤202中，控制故障定位的开关节点进行故障隔离；具体包括：
根据当前故障性质、故障线路运行负荷情况、自动化节点配置情况，实现 故障区段隔离；具体分为：对于瞬时故障，不启动故障处理，只报警和记录相 关事项；对于永久性故障，进行相应策略研判后启动处理程序，系统根据故障 定位结果及现场开关类型确定隔离方案。
小区间化故障定位后，配电自动化系统根据当前故障性质、故障线路运行 负荷情况、自动化节点配置情况，有序有条件地实现故障区段隔离：1)对于瞬 时故障，则不启动故障处理，只报警和记录相关事项。2)对于永久性故障，进 行相应策略研判后启动处理程序，系统根据故障定位结果及现场开关类型确定 隔离方案，如果被前后两个分段开关隔离的故障区间内设有故障指示器，则停 电区间仍为两个配电开关之间，但故障区间可以定位于配电开关和故障指示器 间，并支持绿色停电区间、黄色故障区间拓扑着色。
在步骤204中，根据网络重构方案进行故障隔离并恢复供电，具体包括：
故障区段隔离后，主站系统自动编制负荷转移策略。非故障区段恢复供电 故障处理过程可选择自动方式或人机交互方式进行，执行过程中允许单步执行， 也可在连续执行时人工暂停执行。如果涉及负荷侧转供电，则系统启动转供电 模块，对配电网进行短期负荷预测及拓扑分析，对非故障区段实施转供电操作。
本发明通过对配电终端上送的配电网运行信息，研判故障类型，对故障信 息的统计、分析与管理。
当发生单相接地故障时，配电终端上传故障状态信息和故障波形；具体为， 基于单相电压、电流暂态参数模型识别法，当发生单相接地故障时，所有的线 路故障相相电压突变量ΔU变化趋势一致，且故障线路故障前端的相电流突变量 ΔIF1和故障点下游故障相的相电流突变量ΔIF2以及非故障线路各相相电流突变 量相反，利用C＝ΔI/(dΔU/dt)，判断电容的正负可识别故障点。
参见图,4和图5，其中图4故障时刻三相电压暂态波形图，图5故障时刻三 相电流暂态波形图。
本发明配电网系统分析与仿真技术，利用已有的系统分析软件RTDS构建 10kV配电网定型网架，并开展单相接地故障不同时刻、不同过渡电阻下仿真研 究，验证研究方法的准确性和对技术方案进行校核。
配电系统集成化、自动化、智能化控制技术，充分利用网络优势，结合计 算机控制，实现系统的智能化，能够对配电网络的智能化监控管理，对配电网 的各区段自动化设备远程控制与检测诊断，提高整个配电系统的供电可靠性、 管理水平和工作效率。将传统技术和装置与新的控制系统和数据平台组合起来， 构成一个先进的系统，充分解决配电网的单相接地故障定位、隔离、复电的要 求。
以上对本发明进行了详细介绍，但是本发明不限于上述实施方式，在本领 域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做 出各种变化。不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当 理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。
Claims (10)
1.基于暂态量的配电网单相接地故障区段定位系统，其特征在于，包括：
主站系统层，用于故障信息解析，对变电站故障运行信息和馈线故障特征信息实现配电网单相接地故障定位；
线路设备层，用于常规速断、过流保护、接地故障选线和线路故障选段，对接地选线、消弧线圈接地系统中就地切除接地故障，并进行单相接地故障诊断和信息波形上传；
通信网络层，用于主站系统层和线路设备层之间的通信。
2.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述线路设备层包括：
变电站出线开关，具备常规速断、过流保护功能，具备接地故障选线功能；
集中型配电终端，用于线路故障选段，实现隔离短路故障和切除接地故障；
智能型馈线分界断路器，设置于大分支首端及长线路主线路后端，实现接地选线、消弧线圈接地系统中就地切除接地故障；
在线监测终端，设置于主干线和分支线各二遥节点，具备单相接地故障诊断功能和信息波形上传功能。
3.根据权利要求2所述的定位系统，其特征在于，所述在线监测终端包括：
探头，设置于架空线路上，通过电流感应取电，实时高频采集电流、识别相间短路、单相接地故障并翻牌指示；
通信终端，安装于杆塔上，用于对探头的管理，包括探头的心跳、对时、数据召唤、数据转发以及本地故障数据的存储；
所述探头通过短距离无线通信模块与通信终端连接，所述通信终端通过无线GPRS/3G/4G/5G通信方式与主站系统通信。
4.根据权利要求4所述的定位系统，其特征在于，所述通信终端采用太阳能电池板供电，通过蓄电池作为辅助电源。
5.根据权利要求4所述的定位系统，其特征在于，所述通信终端采用高压电容分压取电，通过超级电容模组作为辅助电源。
6.基于暂态量的配电网单相接地故障区段定位方法，其特征在于，包括如权利要求1-5所述的基于暂态量的配电网单相接地故障区段定位系统，包括以下步骤：
接收配电终端的检测信息并进行分析完成故障定位；
控制故障定位的开关节点进行故障隔离；
根据配电网的运行状态和约束条件生成网络重构方案；
根据网络重构方案进行故障隔离并恢复供电。
7.根据权利要求6所述的定位方法，其特征在于，所述接收配电终端的检测信息并进行分析完成故障定位，具体包括：所述配电终端包括具有单相接地故障就地诊断功能和录波功能的馈线分段开关、分支分界开关、联络开关配套终端和在线监测终端；
配电终端上传故障状态信息和故障波形；
根据上传的故障状态信息和故障波形进行故障小区间化定位；
在配调工作站上自动推图，基于地理背景图显示地理沿布图故障发生区段，同步支持故障发生区段正交图显示，并通过详细列表显示故障发生及定位信息；
收集故障波形，进行离线式群比辅助判决，确认和修正定位区间。
8.根据权利要求7所述的定位方法，其特征在于，所述配电终端上传故障状态信息和故障波形；具体为，基于单相电压、电流暂态参数模型识别法，当发生单相接地故障时，所有的线路故障相相电压突变量ΔU变化趋势一致，且故障线路故障前端的相电流突变量ΔIF1和故障点下游故障相的相电流突变量ΔIF2以及非故障线路各相相电流突变量相反，利用C＝ΔI/(dΔU/dt)，判断电容的正负可识别故障点。
9.根据权利要求6所述的定位方法，其特征在于，所述控制故障定位的开关节点进行故障隔离；具体包括：
根据当前故障性质、故障线路运行负荷情况、自动化节点配置情况，实现故障区段隔离；具体分为：对于瞬时故障，不启动故障处理，只报警和记录相关事项；对于永久性故障，进行相应策略研判后启动处理程序，系统根据故障定位结果及现场开关类型确定隔离方案。
10.根据权利要求6所述的定位方法，其特征在于，根据网络重构方案进行故障隔离并恢复供电，具体包括：故障区段隔离后，主站系统自动编制负荷转移策略，非故障区段恢复供电故障处理；负荷侧转供电，系统启动转供电模块，对配电网进行短期负荷预测及拓扑分析，对非故障区段实施转供电操作。
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