CN113484659B - 一种基于相电压变化信息的10kV配电线路单相断线故障方向检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相电压变化信息的10kV配电线路单相断线故障方向检测方法及装置，该方法利用配电线路上已安装的FTU、故障指示器或者配变监测终端等配网终端平台，实时记录线路检测点处相电压的幅值和相对相位，进一步对相邻两个时刻下检测点的数据进行比较和计算，判定其计算值是否满足本专利提出的判据区间，从而确定断线点位于检测点的上游或者下游。本发明是对现有配电系统接地故障检测手段的补充，配合多检测点之间的互相通讯可以实现故障的精确定位，其实现过程利用现有的故障检测平台，成本低、适用面广，实用性强。

Description

一种基于相电压变化信息的10kV配电线路单相断线故障方向 检测方法及装置

技术领域

本发明属于配电网继电保护技术领域。特别涉及一种基于相电压变化信息的10kV配电线路单相断线故障方向检测方法。

背景技术

随着绝缘导线的应用，配网的断线故障呈现多发趋势。但是现有的断线故障检测手段有限，难以实现故障的及时诊断，故障线路难以及时切除，造成一定的火灾风险。

单相断线故障发生后，当断口处两侧导线均坠地，其电压稳态特征与其发生单相接地故障时类似，因此传统的小电流接地故障诊断方法在此也可适用，而断口处仅有一侧接地或者不接地时，由于坠地点处受当地土壤电阻率等特征的影响，过渡电阻的数值跨度从零到数十千欧均有可能，因此故障电流往往相当微弱，以电流保护为主的继电保护装置拒动的情况时有发生。

中性点运行方式、断线位置、负载阻抗的分布等系统条件改变，故障的电气量特征也有所区别。现有的单相断线诊断手段，有的需要依赖负荷监测仪等附加设备，有的仅能诊断出断口处不接地故障，尚且没有一种方法能及时可靠的诊断出单相断线故障的所有类型。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一方面的目的是提供一种基于相电压变化信息的10kV配电线路单相断线故障方向检测方法。用于克服现有的配电保护装置对于单相断线故障诊断难的问题。

本发明的第一方面的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于相电压变化信息的10kV配电线路单相断线故障方向检测方法，包括步骤如下：

步骤S1：首先定义相邻两个时刻t₁、t₂，获取在此相邻两个时刻下配电线路在检测点处的相电压相位信息；

步骤S2：将所获得的检测点处相电压相位信息，计算在任一时刻下的三相电压相位关系，θ_AB、θ_BC和θ_CA代表分别代表两相电压之间的夹角；

步骤S3：计算得到检测点在t₁、t₂两时刻下相电压相角变化量：

步骤S4：计算检测点每一时刻下θ_AB、θ_BC和θ_CA的值，若某一时刻数据符合判据1，则认为此时刻为t₂时刻，进一步地，将t₂时刻下与前一时刻t₁下进行θ_tX的比较计算，若其满足判据2，则认为该配电线路X相发生单相断线故障，且故障点位置位于检测点上游，若均不满足检测判据2，则认为该检测点上游在t₁、t₂时间段内无单相断线故障发生。

进一步，所述步骤S1具体包括：

步骤S1：定义|U_x|∠θ_x为检测点在每一个采样周期下相电压的幅值、相位信息，X取为A、B、C，代表三相(若角度θ_X的检测值为负值，则自动加360°，即θ_X＝θ_X+360)，定义相邻两个时刻t₁、t₂，获取在此相邻两个时刻下配电线路在检测点处的相电压相位信息，t₁时刻下检测点处相电压为|U_1X|∠θ_1X，其中X分别可取为A、B、C，则|U_1A|∠θ_1A，|U_1B|∠θ_1B，|U_1C|∠θ_1C，分别A相、B相和C相在t₁时刻下的相电压相对相位，同理，t₂时刻下检测点处相电压为|U_2X|∠θ_2X,|U_2A|∠θ_2A，|U_2B|∠θ_2B，|U_2C|∠θ_2C，分别表示A相、B相和C相在t₂时刻的相电压相对相位，t₁、t₂时刻间隔m个周波，m为大于等于2的正整数。

进一步，所述步骤S2具体包括：

步骤S2：根据步骤S1所获得的检测点处相电压相位信息，计算在任一时刻下的三相电压相位关系：

θ_AB＝|θ_A-θ_B|，θ_BC＝|θ_B-θ_C|，θ_CA＝|θ_C-θ_A|；

θ_AB、θ_BC和θ_CA代表分别代表两相电压之间的夹角。

进一步，所述步骤S3具体包括：

步骤S3：根据S1所获得的检测点处相电压相位信息，计算得到检测点在t₁、t₂两时刻下相电压相角变化量：

θ_tX＝|θ_2X-θ_1X|；

θ_tX代表检测点在t₁、t₂两时刻的相电压角差的绝对值，θ_1X代表检测点在t₁时刻下的相电压相角，θ_2X代表检测点在t₂时刻下的相电压相角；

进一步，所述步骤S4中，检测判据1为：

(θ_AB∨θ_BC∨θ_CA)＜90°。

进一步，所述步骤S4中，检测判据2为：

θ_tX＞90°。

本发明的第二方面的目的是提供一种基于相电压变化信息的10kV配电线路单相断线故障方向检测装置，包括存储器、处理器及储存在存储器上并能够在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如前任一项所述的方法。

本发明的第三方面的目的是提供一种计算机可读存储介质，其上储存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前任一项所述的方法。

本发明的有益效果是：本发明通过比较检测点在不同时刻下的相电压的相序信息，根据预设的判据诊断单相断线故障的发生，判定故障方向并确定故障相，利用现有的配电终端，无须额外增加检测仪器，适用范围更广，实用性更强。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和前述的权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为单相断线故障诊断方向检测方法流程框图。

图2为本发明实施例提供的一种基于配网自动化系统的配网线路单相断线故障检测点示意图。

图3为本发明实施例检测系统中Q检测点处在t₁、t₂时刻下故障点F1的相电压仿真波形图。

图4为本发明实施例检测系统中Q检测点处在t₁、t₂时刻下故障点F2的相电压仿真波形图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本发明的一种基于相电压变化信息的10kV配电线路单相断线故障方向检测方法，包括：

步骤S1：首先定义相邻两个时刻t₁、t₂，获取在此相邻两个时刻下配电线路在检测点处的相电压相位信息；具体包括：

定义|U_x|∠θ_x为检测点在每一个采样周期下相电压的幅值、相位信息，X取为A、B、C，代表三相(若角度θ_X的检测值为负值，则自动加360°，即θ_X＝θ_X+360)，定义相邻两个时刻t₁、t₂，获取在此相邻两个时刻下配电线路在检测点处的相电压相位信息，t₁时刻下检测点处相电压为|U_1X|∠θ_1X，其中X分别可取为A、B、C，则|U_1A|∠θ_1A，|U_1B|∠θ_1B，|U_1C|∠θ_1C，分别A相、B相和C相在t₁时刻下的相电压相对相位，同理，t₂时刻下检测点处相电压为|U_2X|∠θ_2X,|U_2A|∠θ_2A，|U_2B|∠θ_2B，|U_2C|∠θ_2C，，分别表示A相、B相和C相在t₂时刻的相电压相对相位，t₁、t₂时刻间隔m个周波，m为大于等于2的正整数。

步骤S2：将所获得的检测点处相电压相位信息，计算在任一时刻下的三相电压相位关系，θ_AB、θ_BC和θ_CA代表分别代表两相电压之间的夹角；具体包括：

根据步骤S1所获得的检测点处相电压相位信息，计算在任一时刻下的三相电压相位关系：

θ_AB＝|θ_A-θ_B|，θ_BC＝|θ_B-θ_C|，θ_CA＝|θ_C-θ_A|；

θ_AB、θ_BC和θ_CA代表分别代表两相电压之间的夹角。

步骤S3：计算得到检测点在t₁、t₂两时刻下相电压相角变化量：具体包括：

步骤S3：根据S1所获得的检测点处相电压相位信息，计算得到检测点在t₁、t₂两时刻下相电压相角变化量：

θ_tX＝|θ_2X-θ_1X|；

θ_tX代表检测点在t₁、t₂两时刻的相电压角差的绝对值，θ_1X代表检测点在t₁时刻下的相电压相角，θ_2X代表检测点在t₂时刻下的相电压相角；

步骤S4：计算检测点每一时刻下θ_AB、θ_BC和θ_CA的值，若某一时刻数据符合判据1，则认为此时刻为t₂时刻，进一步地，将t₂时刻下与前一时刻t₁下进行θ_tX的比较计算，若其满足判据2，则认为该配电线路X相发生单相断线故障，且故障点位置位于检测点上游，若均不满足检测判据2，则认为该检测点上游在t₁、t₂时间段内无单相断线故障发生。

本实施例中，检测判据1为：

(θ_AB∨θ_BC∨θ_CA)＜90°。

检测判据2为：

θ_tX＞90°。

具体实施例：图1～4是本发明的实例附图，下面结合附图1～4对本发明做进一步说明：

图2所示为与本发明相匹配10kV配电及相应的配变终端系统，所述系统包括三个部分：位于检测点的配变终端检测设备、主站、通信系统，检测设备与主站靠通信系统联系，配变终端判定故障方向及进行故障的选相，进一步把故障信息送到主站处理，主站实现故障的精确定位。开关K1、K2控制系统中性点接地方式。系统共有6条出线，分别为L1-L6，出线长度分别为3km，6km，9km，12km，15km，18km，监测终端Q位于故障线路距母线12km处。

假设A相断线，两个故障点F1、F2位于L6线路上，分别位于监测终端Q的上游和下游，位置为距母线10km、13km处。设系统架空线路的相关参数：Z₁＝(0.17+j0.38)Ω/km，b₁＝(j3.045)us/km，Z₀＝(0.23+j1.72)Ω/km，b₀＝(j1.884)us/km。故障线路负荷采用三角形连接方式，负荷阻抗不平衡度约为10％，设为|Z_AB|＝400Ω，|Z_AC|＝440Ω，|Z_BC|＝400Ω，利用此系统验证本发明方法的有效性。

本发明实施例过程结合附图1-图2说明，假设附图1系统中K2接通、K1断开，K3接地、K4均断开，系统工作方式为小电阻接地，断口处为电源侧接地，接地电阻200Ω，以此为例，参照图1，具体实施步骤如下：

步骤S1，流程开始，配电终端实时记录检测点处相电压的相位信息|U_x|∠θ_x，令θ_AB＝|θ_A-θ_B|，θ_BC＝|θ_B-θ_C|，θ_CA＝|θ_C-θ_A|，经相应运算后检测是否满足(θ_AB∨θ_BC∨θ_CA)＜90°判据1；

实例中，设置两故障点F1、F2，检测点Q位于两者之间，当F2点故障时，检测点Q在故障后时刻(采样时刻取为0.16s)三相电压数据为：|U_A|∠θ_A＝5448V∠-2.4°，|U_B|∠θ_B＝6012V∠236.5°，|U_C|∠θ_C＝5715V∠121.9°,断线故障前后系统仿真三相电压波形图如图3所示，经计算，不满足(θ_AB∨θ_BC∨θ_CA)＜90°这一条件，因此认为F2故障，此时Q点上游无单相断线故障发生；同理，F1故障时，检测点Q在故障后时刻三相电压数据为：|U_A|∠θ_A＝3202V∠185.6°，|U_B|∠θ_B＝6024V∠236.4°，|U_C|∠θ_C＝5693V∠121.9°，经计算，θ_AB＝50.8，θ_CA＝63.7，断线故障前后系统仿真三相电压波形图如图4所示，符合判据1，因此进入步骤二；

步骤S2，根据步骤一所获得的检测点处相电压相位信息，计算得到检测点在t₁、t₂两时刻下相电压相角变化量：θ_tX＝|θ_2X-θ_1X|，判断其是否满足判据2:180°＞θ_tX≥90°；

实例中，故障点位于F1，令检测点Q在故障后采样时间第0.16s(令其为t₂时刻)，采样值|U_2A|∠θ_2A＝3202V∠185.6°，|U_2B|∠θ_2B＝6024V∠236.4°，|U_2C|∠θ_2C＝5693V∠121.9°，则令其前一时刻t₁时刻0.04s，其三相采样值|U_1A|∠θ_1A＝5709V∠-1.8°，|U_1B|∠θ_1B＝5698V∠238.2°，|U_1C|∠θ_1C＝5698V∠118.4°，经计算，θ_tA＝172.6,符合判据2；

步骤S3，进一步地，θ_tX的值符合判据2，认为x相单相断线故障且故障点位于检测点上游，实例中故障点位于F1处时认为在t₁:t₂时刻内发生A相单相断线故障且故障点位于Q检测点上游，否则，则认为Q点上游处未发生单相断线故障；

步骤S4，配变终端判定故障信息后可上报主站，由主站进行多个配变终端信息综合判断，进一步地确定故障的准确位置。

若系统数据有所变化，不满足判据2，认为此线路在该时间段内于Q检测点上游无单相断线故障发生，系统将重复进行检测判据判定。

当系统接地方式或者导线坠地侧的条件改变时，其线电压的故障特征均满足本发明提出的判定规则。

主站收集到故障判定信息后，对继保装置发出动作命令，隔离故障区段以进行维修。

当故障位于其他位置时，与故障点位于Q上游段之间类似，不再赘述。

以上是单相断线故障发生后，利用不同时刻下相电压的相序信息来进行单相断线故障发生的判定并进行诊断故障方向的方法。主要解决配电线路发生单相断线故障时的方向诊断问题，不受中性点接地方式等系统条件的影响。利用现场已安装的配变终端测量出检测点在不同时刻下的相电压的相序变化为前提，需要终端设备能够精确对时，适应于不同接地方式下的配电线路，不需要附加新仪器，仅利用电压信息就可实现，适用性很强，是对现有检测方法很好的补充。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于相电压变化信息的10kV配电线路单相断线故障方向检测方法，其特征在于：所述方法包括：

步骤S1：首先定义相邻两个时刻t₁、t₂，获取在此相邻两个时刻下配电线路在检测点处的相电压相位信息；

步骤S2：将所获得的检测点处相电压相位信息，计算在任一时刻下的三相电压相位关系，θ_AB、θ_BC和θ_CA代表分别代表两相电压之间的夹角；

步骤S3：计算得到检测点在t₁、t₂两时刻下相电压相角变化量：

步骤S4：计算检测点每一时刻下θ_AB、θ_BC和θ_CA的值，若某一时刻数据符合判据1，则认为此时刻为t₂时刻，进一步地，将t₂时刻下与前一时刻t₁下进行θ_tX的比较计算，若其满足判据2，则认为该配电线路X相发生单相断线故障，且故障点位置位于检测点上游，若均不满足检测判据2，则认为该检测点上游在t₁、t₂时间段内无单相断线故障发生，θ_tX代表检测点在t₁、t₂两时刻的相电压角差的绝对值；

检测判据1为：(θ_AB∨θ_BC∨θ_CA)＜90°；

检测判据2为：θ_tX＞90°。

2.根据权利要求1所述的一种基于相电压变化信息的10kV配电线路单相断线故障方向检测方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括：

步骤S1：定义|U_x|∠θ_x为检测点在每一个采样周期下相电压的幅值、相位信息，X取为A、B、C，代表三相，若角度θ_X的检测值为负值，则自动加360°，即θ_X＝θ_X+360，定义相邻两个时刻t₁、t₂，获取在此相邻两个时刻下配电线路在检测点处的相电压相位信息，t₁时刻下检测点处相电压为|U_1X|∠θ_1X，其中X分别可取为A、B、C，则|U_1A|∠θ_1A，|U_1B|∠θ_1B，|U_1C|∠θ_1C，分别表示A相、B相和C相在t₁时刻下的相电压相对相位，同理，t₂时刻下检测点处相电压为|U_2X|∠θ_2X，|U_2A|∠θ_2A，|U_2B|∠θ_2B，|U_2C|∠θ_2C，分别表示A相、B相和C相在t₂时刻的相电压相对相位，t₁、t₂时刻间隔m个周波，m为大于等于2的正整数。

3.根据权利要求1所述的一种基于相电压变化信息的10kV配电线路单相断线故障方向检测方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括：

步骤S2：根据步骤S1所获得的检测点处相电压相位信息，计算在任一时刻下的三相电压相位关系：

θ_AB＝|θ_A-θ_B|，θ_BC＝|θ_B-θ_C|，θ_CA＝|θ_C-θ_A|；

θ_AB、θ_BC和θ_CA代表分别代表两相电压之间的夹角。

4.根据权利要求1所述的一种基于相电压变化信息的10kV配电线路单相断线故障方向检测方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括：

步骤S3：根据S1所获得的检测点处相电压相位信息，计算得到检测点在t₁、t₂两时刻下相电压相角变化量：

θ_tX＝|θ_2X-θ_1X|；

θ_tX代表检测点在t₁、t₂两时刻的相电压角差的绝对值，θ_1X代表检测点在t₁时刻下的相电压相角，θ_2X代表检测点在t₂时刻下的相电压相角。

5.一种基于相电压变化信息的10kV配电线路单相断线故障方向检测装置，包括存储器、处理器及储存在存储器上并能够在处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-4任一项所述的方法。

6.一种计算机可读存储介质，其上储存有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述的方法。

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