CN116106675A - 一种基于分布式智能终端的配电线路故障定位监测平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于分布式智能终端的配电线路故障定位监测平台，属于配电网故障定位技术领域。一种基于分布式智能终端的配电线路故障定位监测平台，包括监测平台，与所述监测平台连接的汇集系统，与所述汇集系统连接的采集系统，所述汇集系统包括若干个汇集集成，所述采集系统包括若干个采集集成，采用分布式的结构布局便于扩展连接，适用于不同的样本监测量，利用无线传输数据，降低铺设及维护成本，优化供电、检测的设计导向，使故障定位监测平台具备良好的综合性能。

Description

一种基于分布式智能终端的配电线路故障定位监测平台

技术领域

本发明属于配电网故障定位技术领域，具体涉及一种基于分布式智能终端的配电线路故障定位监测平台。

背景技术

智能配电网作为智能电网建设的重要环节，面临着在发生线路故障，特别是小电流接地故障时，如何快速、准确地定位故障区段的巨大难题。现有配网自动化、馈线自动化和传统故障定位技术存在投资大、需要停电施工、准确率低等一系列问题。而且各地城市规模正处于快速发展期，对电能质量以及供电可靠性有了更高的要求。入地电缆是目前城市最普遍的配电线路，线路走廊范围宽且地形复杂，运维工作相对比较复杂，线路易发生短路、接地等各种故障。

经济的发展与人民生活品质的提高对配电网建设提出了更高的要求，配网自动化则是提高配电网管理水平和提高供电可靠性的最重要手段之一。我国配电网错综复杂，容易发生故障,尤其是接地故障，由于其隐性特性，很难查找。有时不得不通过拉分段开关并试送电确定故障所在区域，对线路、设备运行的安全性极为不利。

基于上述问题，由于不能够快速准确定位故障所在线路位置，故障排查既耗时又浪费人力物力，投资浪费巨大。在与配电运维专业人员实际调研中发现，查找某些非典型故障点时，甚至会耗费一两个昼夜的时间来发现故障原因与位置。所以，提出智能化配电网线路故障定位监测系统，通过对线路电流的精确测量及高速录波，可精确检测线路故障类型，并快速定位故障区段，从而缩短线路故障的响应和处理时间，提高供电可靠性。为了防止出现单相接地短路等常见故障，就必须能够快速的对故障发生位置进行定位，并及时进行故障隔离处理。这样才能够保障电力系统长期稳定的运行。因此，为了提高我国配电网络的可靠性，进一步加强我国电力系统的性能，就必须加强配电网故障检修。特别是在“节能、清洁、安全”的理念下，我国电力工业需要积极转变粗放式发展的观选。

如专利CN 110907748 A、侧重于对故障定位的数据分析，但对于实时数据采集及传输方式并未作出改善，仍然采用通讯数据传输协议，对数据带宽有限、监测点不断增多的发展趋势看来，容易造成装置响应缓慢、卡机、数据识别错误。专利CN 106154113 B，需要通过断路器进行接入安装复杂，靠近高压电力设备的作业集成容易受到电磁干扰，精准度不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种实现分布式结构、无线数据传输、对故障进行快速定位识别的一种基于分布式智能终端的配电线路故障定位监测平台。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于分布式智能终端的配电线路故障定位监测平台，包括监测平台，与所述监测平台连接的汇集系统，与所述汇集系统连接的采集系统，所述汇集系统包括若干个汇集集成，所述采集系统包括若干个采集集成，

所述监测平台包括无线基站、与所述无线基站连接的服务器，

所述汇集集成包括融合型电源模块、数据处理器、GPS时钟、远程无线交互模块、短距离无线数据传输单元A、LED灯，

所述采集集成包括电子式电流互感器、锂亚电池、短距离信号发送单元B。

所述无线基站上设置基于2G/3G/4G/5G无线网络的电力VPN专网与所述汇集集成上的所述远程无线交互模块建立远距离无线连接，

所述服务器具有配电网内量测信息的采集监测、网络内故障监测与故障分析的功能，

所述监测平台通过所述远程无线交互模块或所述短距离无线数据传输单元A实现对所述汇集集成的远程效验和所述数据处理器内程序的升级、维护。

所述汇集集成外设置保护外壳，所述保护外壳表层喷涂喷防腐蚀喷漆，所述汇集集成位于所述采集集成的上所述短距离信号发送单元B的信号覆盖范围内，所述汇集集成利用所述保护外壳固定在电线杆或建筑物的上。

所述汇集集成上的所述融合型电源模块包括太阳能电池板、CT在线取电、超级电容、可充电式电池、高性能处理器，所述CT在线取电作为主电源，所述超级电容与所述可充电式电池为备用电源，所述高性能处理器分别连接所述CT在线取电、所述超级电容、所述可充电式电池、所述太阳能电池板，所述高性能处理器控制所述主电源和所述备用电源之间的切换，所述太阳能电池板设在所述保护外壳外，所述太阳能电池板为所述高性能处理器供电，

所述数据处理器分别连接所述融合型电源模块、所述GPS时钟、所述远程无线交互模块、所述短距离无线数据传输单元A、所述LED灯，

所述汇集集成上的所述短距离无线数据传输单元A与所述采集集成上的所述短距离信号发送单元B建立星型拓扑结构的短距无线网络，

所述LED灯采用多种闪烁频率组合显示当前接收到的所述采集集成上发送的对应信息。

所述远程无线交互模块包括基于无线网络调制的PLC程控板、信号接收芯片、信号发送芯片、信号放大器，所述短距离无线传输单元A和所述短距离信号发送单元B包括蓝牙、红外传输器。

所述采集集成中的所述锂亚电池分别与所述电子式电流互感器、所述短距离信号发送单元B连接，

所述采集集成外设置防电外壳，所述防电外壳满足基于工业级设计IP67防护等级的设计要求，

所述防电外壳上设置挂载钩，所述采集集成利用所述防电外壳上设置的所述挂载钩将所述采集集成悬挂在需要检测的线路上。

进一步的，对比传统的配电线路故障定位监测机制，主要的研究方向是通过加装故障指示器短路探头，安装在单相电缆上，故障指示器接地探头安装在三相总线上。当线路发生短路或接地故障时，短路、接地故障指示器检测到故障信息，通过人工排检的方式，查看每只探头的翻牌情况。增加了检修恢复送电的时间和检修难度。参阅《配电线路故障原因及运维管控措施分析》、《10kV配电线路故障常见原因及防范措施》。

进一步的，我国配电网大多采用小电流接地（中性点不接地或经消弧线圈接地）方式，由于故障电流微弱、电弧不稳定等原因，单相接地故障可靠检测一直比较困难。虽然国内对小电流接地检测已经研究出许多检测技术，但实际使用效果均十分不理想。时至今日，有许多系统仍然采用手工拉路的方法查找故障线路且无法精确定位故障区段。

进一步的，对比传统设计，本发明采用数据采集、数据传输、数据处理间相互独立的三层多节点式设计布局，通过相互独立的远近距离数据传输网络为基础，构建立体化的无线数据传输平台包括远距离点对多的控制总线传输模式、近距离多对多的星型拓扑结构传输模式。

进一步的，在采用悬挂式数据采集端取代传统的故障指示器短路探头的基础上，利用电子式电流互感器、电场传感器技术，无线融合组网技术，多源取电电源系统等先进技术，实现从技术原理、传输模式、安全及稳定性的全面升级。

进一步的，智能化检测线路故障，杜绝误动拒动，基于精准识别的线路工况，可准确检测相间短路、单相接地等故障。借助强大的信号处理和微机运算能力，可自动确定故障电流报警动作值；可有效防止负荷波动、合闸励磁涌流等导致的误动、拒动；具有反时限动作特性，可最大限度配合变电站保护动作特性，避开瞬间扰动，确保动作正确。

进一步的，采集集成可提供丰富的运行信息，为主站平台提供线路电流、对地电场、故障状态、是否带电等工况信息，还可以提供线缆温度、取电功率、电池电压等辅助信息，帮助运行人员全面掌握线路运行状态。采集集成可利用绝缘操作杆带电安装、拆卸。挂线后即可自主运行，完全免维护设计。必要时可通过远程无线维护运行参数，更新故障判据或升级软件程序，方便灵活，提升工作效率。

进一步的，汇集集成可提供多样化的线路工况指示功能，采用超高亮的LED，提供360°全向可视的状态指示，并通过多种闪烁频率组合显示当前的线路工况。在线路故障消除恢复供电后，可自动复位；可定时自动复位故障状态或通过无线远程置位、复位。每一个汇集集成都是一个独立节点，汇集集成与采集集成，汇集集成与汇集集成，汇集集成与平台主站间都采用无线通讯方式。无线融合组网技术的应用扩大了覆盖范围，专网专用，有效提升抗干扰、抗跟踪能力，同时引入数字滤波功能，有效抑制远端干扰，提升数据传输可靠性。

进一步的，采用可靠的工业设计，具备高等级的电磁兼容防护能力，极强的宽压宽温工作特性，外壳防护等级达到IP67，可抗8级台风和暴雨侵袭；结构件采用防腐蚀防锈处理，可抗盐雾腐蚀，确保苛刻环境下长期安全稳定运行。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

基于分布式智能终端的配电线路故障定位监测平台分为采集系统、汇集系统和监测平台三个部分，以远近双模式无线数据传输网络为基础，结合新型数据采集原理的电子式电流互感器，实现对线路故障的快速定位及检测。

监测平台以无线数据传输为基准，实现对汇集集成的远程管理。

优化汇集集成的供电、数据传输、显示、安装方式的结构设计，使其具备无线数据传输和数据实时反馈的双重功能，增强汇集集成的供电稳定性，结合远程数据传输和近距离星型拓扑结数据传输为一体，降低数据传输过程中的丢包率。

采集系统内部集成先进的电子式电流互感器，测量精度±1%，优化电场传感器设计，不受同杆架设多回线路影响，精确识别线路电压跌落与停电。智能触发线路电流、对地电场高速录波，捕获小电流接地故障瞬间暂态波形信号，实现对故障发生点的快速反馈、定位和识别检测。

采用分布式结构布局，确保对汇集系统和采集系统内基础集成的连接个数没有具体的数量要求，可以适应不同的采集节点及采集样本数量的具体要求。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

图1：本发明的原理示意图；

图2：本发明的连接结构示意图；

图3：本发明汇集集成的结构示意图；

图4：本发明太阳能电池板的结构示意图；

图5：本发明采集集成的结构示意图；

图6：本发明实施例3中输电导线横截面上的电磁场示意图；

图7：本发明实施例3中输电导线方向横截面上的电磁场示意图；

图8：本发明实施例3中磁电转换器的原理框图；

图9：本发明实施例3的电路原理图；

图10：本发明实施例4中性点不接地系统的简单示意图；

图11：本发明实施例4中暂态录波中的暂态信号示意图；

图12：本发明实施例4中单相接地后的电压向量关系示意图；

其中监测平台－1、汇集集成－2、太阳能电池板－3、采集集成－4。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附图进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。

实施例1

如图1－5所示，本实施例提供一种基于分布式智能终端的配电线路故障定位监测平台1，包括监测平台1，与所述监测平台1连接的汇集系统，与所述汇集系统连接的采集系统，所述汇集系统包括若干个汇集集成2，所述采集系统包括若干个采集集成4，

所述监测平台1包括无线基站、与所述无线基站连接的服务器，

所述汇集集成2包括融合型电源模块、数据处理器、GPS时钟、远程无线交互模块、短距离无线数据传输单元A、LED灯，

所述采集集成4包括电子式电流互感器、锂亚电池、短距离信号发送单元B。

所述无线基站上设置基于2G/3G/4G/5G无线网络的电力VPN专网与所述汇集集成2上的所述远程无线交互模块建立远距离无线连接，

所述服务器具有配电网内量测信息的采集监测、网络内故障监测与故障分析的功能，

所述监测平台1通过所述远程无线交互模块或所述短距离无线数据传输单元A实现对所述汇集集成2的远程效验和所述数据处理器内程序的升级、维护。

所述汇集集成2外设置保护外壳，所述保护外壳表层喷涂喷防腐蚀喷漆，所述汇集集成2位于所述采集集成4的上所述短距离信号发送单元B的信号覆盖范围内，所述汇集集成2利用所述保护外壳固定在电线杆或建筑物的上。

所述汇集集成2上的所述融合型电源模块包括太阳能电池板3、CT在线取电、超级电容、可充电式电池、高性能处理器，所述CT在线取电作为主电源，所述超级电容与所述可充电式电池为备用电源，所述高性能处理器分别连接所述CT在线取电、所述超级电容、所述可充电式电池、所述太阳能电池板3，所述高性能处理器控制所述主电源和所述备用电源之间的切换，所述太阳能电池板3设在所述保护外壳外，所述太阳能电池板3为所述高性能处理器供电，

所述数据处理器分别连接所述融合型电源模块、所述GPS时钟、所述远程无线交互模块、所述短距离无线数据传输单元A、所述LED灯，

所述汇集集成2上的所述短距离无线数据传输单元A与所述采集集成4上的所述短距离信号发送单元B建立星型拓扑结构的短距无线网络，

所述LED灯采用多种闪烁频率组合显示当前接收到的所述采集集成4上发送的对应信息。

所述远程无线交互模块包括基于无线网络调制的PLC程控板、信号接收芯片、信号发送芯片、信号放大器，所述短距离无线传输单元A和所述短距离信号发送单元B包括蓝牙、红外传输器。

所述采集集成4中的所述锂亚电池分别与所述电子式电流互感器、所述短距离信号发送单元B连接，

所述采集集成4外设置防电外壳，所述防电外壳满足基于工业级设计IP67防护等级的设计要求，

所述防电外壳上设置挂载钩，所述采集集成4利用所述防电外壳上设置的所述挂载钩将所述采集集成4悬挂在需要检测的线路上。

所述采集集成4将所述电子式电流互感器采集到的数据信息利用所述无线传输单元B以所述汇集集成2为中继平台传输到所述监测平台1内。

所述采集集成4将所述电子式电流互感器采集到的数据信息利用所述无线传输集成B以所述汇集集成2为中继平台传输到所述监测平台1内。

所述采集集成4设置相互独立的识别标号为所述无线传输单元B发送数据信息的识别代码，所述汇集集成2在作为中继平台传输数据信息和远程效验时发送时序编号，所述时序编号包括所述GPS时钟提供的坐标和时间，所述识别标号为所述采集集成4使用个数序号。

所述数据处理器将所述远程无线交互模块、所述短距离无线数据传输单元A接收到数据信息经编译发送到对应单元内。

安装前，选择待检测线路上的区域间集中点，作为采集集成4和汇集集成2的安装对应位置。

安装时，先将采集集成4利用绝缘操作杆悬挂在待检测的线路上，后将汇集集成2固定在电线杆或建筑物的上，将采集集成4对应识别标号及悬挂的线路序号、汇集集成2内GPS时钟坐标存储在监测平台1内，完成单位节点上采集集成4和汇集集成2的安装。依次类推，完成平台内汇集系统和采集系统的安装。

在监测平台1内输入汇集集成2的GPS时钟坐标及在汇集集成2短距离无线传输范围内的采集集成4的识别代码，完成设备的安装。

将采集集成4内的电子式电流互感器采集到的数据信息经短距离信号发送模块B在添加识别代码的基础上，经星型拓扑结构的无线传输网络传输到对应的汇集集成2内。经汇集集成2的数据接收、编码后，由远程无线交互模块发送到监测平台1内的服务器中。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上进行优化。

所述汇集集成2包括数字滤波器，所述数字滤波器与所述信号接收芯片、所述信号发送芯片相连接。

所述监测平台1与电网实时控制终端相连接。

增设数字滤波器，可以有效抑制远端干扰，提升数据传输过程中的可靠性。

监测平台1与电网实时控制终端相连接，可在检测到线路故障时，及时断电或派人员检修，避免漏电造成的安全隐患及经济损失。

实施例3

如图6-9所示，本实施例在实施例1的基础上进行优化。

所述采集集成4内设置磁电转换器，所述磁电转换器包括铁芯、感应线圈、稳压器、滤波器、变压器。所述变压器包括DC-DC电压变换电路。

所述磁电转换器主要用于高压输配电领域中的供电设备。磁电转换器利用小电流自取电技术实现磁电转换，我国的高压交流线路输送工频为50Hz的正弦波电功率，配电线路导线截面与传送方向上的交变电磁场。根据电学原理（法拉第法则），感应线圈对电磁场进行割切，就会感应出电荷，现在的电磁场是按工频作正弦规律变化的，对以一定方式放置在此电磁场内的金属导体就会存在割切，就会感应产生电能。

磁电转换器是一种宽范围动态变化的取能方式，并利用稳压器、滤波器其转换为稳定的直流电压，再通过DC-DC电压变换电路将输出的电压转换为合适使用的电压。感应电压经过整流、滤波后得到的直流电压会随电网电压和电流的波动、负载和温度的变化而变化。因此需要经过DC-DC模块处理以维持稳定直流电压的输出，从而满足装置的供电需求。

实施例4

如图10-12所示，本实施例在实施例1的基础上进行优化。

所述采集集成4采用暂态录波的单相接地故障定位技术实现对故障点的高效检测和精准识别。

接地故障时，接地故障点和大地直接相连，接地故障相相电压和大地等电位为零。故障回路是由接地故障点和大地以及输电线路的对地电容一起形成电路事实回路，特别是现在电网中大量铺设电缆，线路电容大情况时，此时故障电流值会达到非常大，这样就会给电力系统的安全带来威胁。

图 10中的系统中，我们假设其为理想系统，三相线路对地电容大小设置相同都设为C0，在线路中各相电容电流是三相对称的，此时我们可以得到 A 相、B 相、C 相的电容电流之和是等于零。若 A 相接地，这时配电网系统会产生零序电压，在整个线路中不论是接地故障相或是不接地正常相上都会有零序电流流过。示意图为 A 相故障，A 相的相电压降低变为大地电压，由于其他两相正常，它们的相电压大小则升高为原来的线电压，幅值是为原来相电压的 3 倍。

不论接地配电网采用的是不接地方式，还是经消弧线圈接地方式，地接故障发生的瞬间均将产生一个持续时间在5-20毫秒的暂态过程，如图11所示，在暂态过程期间，零序电流上会产生高频暂态信号，暂态信号幅值较大，用这部分信号进行单相接地故障定位效果表较好。

变化后新的电压向量关系可以用图 12表示。经过细致的分析该系统的单相故障后各线路中各相的稳态特征变化，不难发现线路稳态特征有以下变化，总结如下：

（1）只要有接地故障发生，系统中每条线路的 A 相、B 相和 C 相的三相电压失去对称性，不再保持对称关系，整个系统中会产生零序电压。

（2）对于接地故障相而言，它的相电压直接降低为大地电压值即为 0，而对于不接地的正常相的相电压则升高为线电压，大小变为原来的 3 倍。

（3）因为系统产生零序电压后，因为对地电容的存在，导致所有线路中都会有零序电流流过。故障线路的零序电流的方向和大小是不同的，故障线路的零序电流是通过故障电流到母线处，正常线路则是与其是反向的。故障相的零序电流大小是所有不接地相的电流之和。

以此来实现对接地故障的精准判定，实现智能化检测线路故障，杜绝误动拒动。

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，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于分布式智能终端的配电线路故障定位监测平台，其特征在于：

包括监测平台，与所述监测平台连接的汇集系统，与所述汇集系统连接的采集系统，

所述汇集系统包括若干个汇集集成，

所述采集系统包括若干个采集集成，

所述监测平台包括无线基站、与所述无线基站连接的服务器，

所述汇集集成包括融合型电源模块、数据处理器、GPS时钟、远程无线交互模块、短距离无线数据传输单元A、LED灯，

所述采集集成包括电子式电流互感器、锂亚电池、短距离信号发送单元B。

2.如权利要求1所述的一种基于分布式智能终端的配电线路故障定位监测平台，其特征在于：所述无线基站上设置基于2G/3G/4G/5G无线网络的电力VPN专网与所述汇集集成上的所述远程无线交互模块建立远距离无线连接，

所述服务器具有配电网内量测信息的采集监测、网络内故障监测与故障分析的功能，

所述监测平台通过所述远程无线交互模块或所述短距离无线数据传输单元A实现对所述汇集集成的远程效验和所述数据处理器内程序的升级、维护。

3.如权利要求1所述的一种基于分布式智能终端的配电线路故障定位监测平台，其特征在于：所述汇集集成外设置保护外壳，所述保护外壳表层喷涂喷防腐蚀喷漆，所述汇集集成位于所述采集集成的上所述短距离信号发送单元B的信号覆盖范围内，所述汇集集成利用所述保护外壳固定在电线杆或建筑物的上。

4.如权利要求3所述的一种基于分布式智能终端的配电线路故障定位监测平台，其特征在于：所述汇集集成上的所述融合型电源模块包括太阳能电池板、CT在线取电、超级电容、可充电式电池、高性能处理器，所述CT在线取电作为主电源，所述超级电容与所述可充电式电池为备用电源，所述高性能处理器分别连接所述CT在线取电、所述超级电容、所述可充电式电池、所述太阳能电池板，所述高性能处理器控制所述主电源和所述备用电源之间的切换，所述太阳能电池板设在所述保护外壳外，所述太阳能电池板为所述高性能处理器供电，

所述数据处理器分别连接所述融合型电源模块、所述GPS时钟、所述远程无线交互模块、所述短距离无线数据传输单元A、所述LED灯，

所述汇集集成上的所述短距离无线数据传输单元A与所述采集集成上的所述短距离信号发送单元B建立星型拓扑结构的短距无线网络，

所述LED灯采用多种闪烁频率组合显示当前接收到的所述采集集成上发送的对应信息。

5.如权利要求1所述的一种基于分布式智能终端的配电线路故障定位监测平台，其特征在于：所述远程无线交互模块包括基于无线网络调制的PLC程控板、信号接收芯片、信号发送芯片、信号放大器，所述短距离无线传输单元A和所述短距离信号发送单元B包括蓝牙、红外传输器。

6.如权利要求1所述的一种基于分布式智能终端的配电线路故障定位监测平台，其特征在于：所述采集集成中的所述锂亚电池分别与所述电子式电流互感器、所述短距离信号发送单元B连接，

所述采集集成外设置防电外壳，所述防电外壳满足基于工业级设计IP67防护等级的设计要求，

所述防电外壳上设置挂载钩，所述采集集成利用所述防电外壳上设置的所述挂载钩将所述采集集成悬挂在需要检测的线路上。

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