CN204422697U - 配电网故障定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种配电网故障定位装置，包括：行波测量单元；工控机单元，分别与上位机和行波测量单元连接，用于将行波测量单元获取的配电网的行波信号采样后进行保存；上位机，与工控机单元连接，用于接收工控机单元发送的经过采样的行波信号，并根据行波信号判断出配电网的故障位置。本实用新型实施例通过设置的行波测量单元、工控机单元以及上位机，实现了配电网中故障暂态行波的有效采集且能够适应配电网络结构，解决了行波故障测距定位技术无法应用于配电网的技术问题。

Description

配电网故障定位装置

技术领域

本实用新型涉及电力故障检测设备技术领域，具体而言，涉及一种配电网故障定位装置。

背景技术

电力系统配电线路故障定位是有效保证配电用户供电质量和供电可靠性的一个重要环节。但当配电系统发生故障时，传统的配电线路故障定位采用倒闸加人工巡线的方式，人工查找的工作量强度大、成本高、难度大；而故障指示器对小电流接地系统的单相接地故障指示不够精确，不能满足要求。

我国电力系统中，通过行波故障测距方法进行故障定位在输电线路上已经获得广泛应用，同时配电网故障选线技术已经取得较大成功，选线成功率高，将行波故障测距方法应用于配电线路，一方面需实现配电网中故障暂态行波的有效采集，另一方面需适应配电网络结构，安装合理位置、施工规范等实际要求。同时，相比输电网，配电网存在多条出线回路，多条分支和子分支，实际应用中，只有在变电站设置故障测量装置，而无法将行波故障测距定位技术应用于所有配电网中，因此，如何将行波故障测距定位技术应用于配电网，并研发适用于配电网故障定位的设备亟待解决。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种配电网故障定位装置，以至少解决相关的行波故障测距定位方法无法在配电网中应用的技术问题。

根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种配电网故障定位装置，包括：行波测量单元；工控机单元，分别与上位机和行波测量单元连接，用于将行波测量单元获取的配电网的行波信号采样后进行保存；以及上位机，与工控机单元连接，用于接收工控机单元发送的经过采样的行波信号，并根据行波信号判断出配电网的故障位置。

可选地，行波测量单元包括：电压互感器，与所述配电网的母线直接连接，用于将所述母线一次侧的第一电压行波信号转换成二次侧的第二电压行波信号；传感头，与所述电压互感器连接，用于获取所述电压互感器二次侧的第二电压行波信号。

可选地，电压互感器为电子式电压互感器。

可选地，传感头安装在母线的开关柜内。

可选地，行波测量单元还包括：信号调整模块，与传感头连接，用于对传感头获取的第二电压行波信号进行调整，并将经过调整后的第二电压行波信号发送至工控机单元。

可选地，信号调整模块包括：阻抗匹配电路，与所述传感头直接连接，用于对所述获取的第二电压行波信号进行阻抗匹配；信号调整电路，与所述阻抗匹配电路连接，用于对所述经过阻抗匹配的第二电压行波信号进行滤波；放大电路，与所述信号调整电路连接，用于对所述经过滤波的第二电压行波信号进行放大。

可选地，工控机单元包括：工控机主机；数据采集卡，安装在工控机主机的PCI插槽内，与信号调整模块连接，用于接收信号调整模块发送的经过调整的第二电压行波信号，并对第二电压行波信号进行采样后传送至工控机主机进行存储。

可选地，工控机单元还包括：显示器，与工控机主机连接，用于对经过采样后的第二电压行波信号进行显示。

可选地，上位机与工控机主机连接，用于接收工控机主机发送的经过采样的第二电压行波信号，并根据第二电压行波信号判断出配电网的故障位置。

可选地，上位机包括：处理器，与所述工控机主机直接连接，用于接收所述工控机主机发送的所述经过采样的第二电压行波信号，根据所述第二电压行波信号判断出所述配电网的故障位置；存储器，与所述处理器连接，用于将所述处理器判断出的所述配电网的故障位置信息进行存储；输入输出设备，与所述处理器和所述存储器连接，用于接收输入的查询信息，并输出与所述查询信息匹配的所述配电网的故障位置。

上述实用新型的实施例可以达到以下有益效果：本实用新型的实施例提供了一种配电网故障定位装置，通过设置的行波测量单元、工控机单元以及上位机，实现了配电网中故障暂态行波的有效采集且能够适应配电网络结构，解决了行波故障测距定位技术无法应用于配电网的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是根据本实用新型实施例可选的一种配电网故障定位装置结构框图；

图2是根据本实用新型实施例可选的另一种配电网故障定位装置结构框图；

图3是根据本实用新型实施例可选的第三种配电网故障定位装置结构框图；

图4是根据本实用新型实施例可选的第四种配电网故障定位装置结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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例，都应当属于本实用新型保护的范围。

实施例1：

图1是根据本实用新型实施例可选的一种配电网故障定位装置结构框图；

如图1所示，一种配电网故障定位装置，包括：行波测量单元1、工控机单元2和上位机3，行波测量单元1与配电网4连接，其中，行波测量单元1安装在母线开关柜内与配电网4的母线连接，工控机单元2和上位机3均安装于变电站监控室内，工控机单元2分别与上位机3和行波测量单元1连接，用于将所述行波测量单元1获取的配电网4的行波信号采样后进行保存；以及将保存的经过采样的行波信号发送至上位机3，由上位机3根据获取的行波信号判断出配电网4中的故障位置。

具体实施中，上位机3运行基于MATLAB的故障测距系统，该故障测距系统计算过程分为三部分，第一部分用小波信号对行波测量单元1采集到的数据进行处理，电力系统发生故障时，在故障点会产生暂态过程，可以设想在故障点突加个电压源，这个电压源信号传送到电源点时将在信号接收点产生奇异信号，由于小波分析在时域和频域上同时具有良好的局部化性质，能对不同的频率成分采用逐渐精细的采样补偿，聚焦到信号的任意细节，这对检测高频和低频信号均有效，特别适用于分析奇异信号，并能分辨奇异的大小，这里所指的奇异是指正常运行时信号接收到的连续信号在故障发生后行波信号传入信号接收点而导致信号的频率不连续，对于信号f(t)，连续小波的公式为： $W_f(a,b)=<f\left(t\right),{\mathrm{\&psi;}}_{a,b}\left(t\right)>={\left|a\right|}^{-\frac{1}{2}}{\&Integral;}_{-\&infin;}^{+\&infin;}f\left(t\right){\mathrm{\&psi;}}^{*}\left(\frac{t-b}{a}\right)\mathrm{dt},$ 其中a为尺度因子，b为平移因子，通过对a和b设置，用小波信号对奇异信号进行处理可以得到信号时域下对应的频率变化率信息。在本实施例中，采用上述形式来实现对采集到的行波信号进行小波信号处理，这仅是一种示例，还可以采用现有的处理方式来实现上述小波信号处理，在此不作赘述。

第二部分，用模极大值确定信号奇异点产生的位置，用小波信号处理得到的结果是在对应时域上频率的变化率，采用模极大值处理可以得到在对应时间点上，频率具有最大的变化率，该时间点对应信号的奇异点。在本实施例中，可以采用现有的处理方式来实现模极大值处理，在此不作赘述。

第三部分，用凯伦贝尔变换对三相行波信号处理，由于三相电压之间存在电磁耦合，则采用凯伦贝尔变换可以消除耦合的影响。具体变换公式为：

$S=Q=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& -1& 0\\ 1& 0& -1\end{array}\right],S^{-1}=Q^{-1}=\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& -2& 1\\ 1& 1& -2\end{array}\right]$

以凯伦变换矩阵为例，介绍一下各模量的物理含义。对于三相电流，根据变换矩阵可知：

i_m0＝i_a+i_b+i_c

i_m1＝i_a-i_b

i_m2＝i_a-i_c

上式中，i_m0为零模分量，也称地模，它是由导线与大地构成的回路，其传播速度与大地电阻率有关，i_m1和i_m2为线模1和线模2，它们是由两个导线构成的回路，其传播速度与大地参数无关，与线路参数有关。

第四部分，用故障测距迭代算法求出故障距离，其测距公式为

s＝v₁v₀(t₀-t₁)/(v₁-v₀)

上式中，s为测量点到故障点的距离；v₁为线模波速度，v₀为零模波速度，t₀为小波变换模极大值对零模分量处理得到的时刻，t₁为用小波变换模极大值对线模分量处理得到的时刻。

设采样周期为T，则该算法的量化误差e为：

e＝v₁v₀T/(v₁-v₀)

由上式可看出，为降低量化误差，需增加时间分辨率，即采样率要更高。以v₁＝2.98*108m/s，v₀＝2.78*108m/s为例进行计算，在1MHz和10MHz采样率下，量化误差分别为4.142km和0.4142km。

经过仿真验证，小波变换中用尺度因子为5尺度时的误差最小，所以小波变换中尺度因子a取5。由于距离和时间具有一一对应关系，可假定第5尺度距离与零模和线模波速拟合函数为：

根据测距公式，距离与零模和线模波速度的函数关系为：

s＝f(v₀,v₁,△t)

上式中，v₁和v₀分别为线模和零模波速度；△t为零模和线模首波头到达时间差，其计算公式如下

$\mathrm{\&Delta;t}=t_0-t_1=\frac{s}{v_0}-\frac{s}{v_1}=g(v_0,v_1,s)$

结合上面三式，可得故障距离的隐式方程

上式可采用不动点迭代法求解，将隐式方程转变为显示计算公式

故障距离初值可利用线路在10MHz采样率下的第5尺度对应的各模量理论波速度(见表1)来计算：

v₀₍₀₎＝2.728×10⁸m/s

v₁₍₀₎＝2.989×10⁸m/s

表1尺度、频率下限与波速对应表

尺度	该尺度频率下限(Hz)	零模波速(*108m/s)	线模波速(*108m/s)
				1	1.669E+06	2.887	2.995
2	8.344E+05	2.872	2.994
				3	4.172E+05	2.829	2.993
4	2.086E+05	2.787	2.991
				5	1.043E+05	2.728	2.989
6	5.215E+04	2.664	2.985
				7	2.608E+04	2.596	2.979
8	1.304E+04	2.541	2.974

结合测得的零模和线模分量波头首波头时间差△t，可得故障距离的初值：

s₍₀₎＝f(v₀₍₀₎,v₁₍₀₎,△t)

综合上述分析，可得测距迭代方程如下

s_(k+1)＝f(v_0(k+1),v_1(k+1),△t)

上式中，k为迭代次数。

可选地，在本实施例中，基于线模和零模速度差的单端测距改进算法的计算流程如下：

1)根据线路参数及大地参数，计算波速与频率对应表。

2)根据10MHz采样率下第5尺度频段的最小频率，查表找出对应的线模和零模波速，作为各模量波速度的初值。

3)分别对线模和零模分量进行二进小波变换，计算得出故障发生后线模和零模分量在第5尺度下第一个小波变换模极大值时刻，并计算两者时间差Δt。

4)根据时间差Δt和各模量波速度的初值，计算得出故障距离初值s₍₀₎。

5)迭代计算故障距离s_(k)，如果|s_(k+1)-s_(k)|<δ，其中δ为一个足够小的正实数，则s_(k+1)为最终测得的故障距离。

在本实施例中，通过上述方式来得到t₀，t₁，v₀，v₁，这仅是一种示例，还可以采用现有的其他方式从采集到的行波信号中获取上述t₀，t₁，v₀，v₁，在此不再赘述。

本实施例通过设置在配电网4的母线上的行波测量单元1对配电网故障点处产生的电压行波信号进行测量，从电压行波信号中提取相应的行波参数，采用上位机3中的MATLAB故障测距系统依据上述算法对得到的电压行波信号的行波参数进行分析和计算得到故障点与测量点之间的距离，从而确定故障发生位置。本实用新型实施例的配电网故障定位装置能够适应配电网络结构，解决了行波故障测距定位技术无法应用于配电网的技术问题。

实施例2：

图2是根据本实用新型实施例可选的另一种配电网故障定位装置结构框图；

如图2所示，行波测量单元1包括：电压互感器11和传感头12；电压互感器11与配电网母线直接连接，用于将配电网母线一次侧10KV的第一电压行波信号转换成二次侧4V左右的第二电压行波信号；传感头12与电压互感器11连接，通过电阻分压原理获取电压互感器11二次侧的第二电压行波信号。可选地，电压互感器11为电子式电压互感器。将行波测量单元1安装在母线开关柜内，母线开关柜能使电压互感器11免受外界电磁信号的干扰，从而使传感头12的获取的第二电压行波信号更加准确。

在本实施例中的具体取值(例如，10KV，4V)仅为一种示例，本申请对此不做限定，可以根据不同的场景来设置不同的取值。

可选地，行波测量单元1还包括：信号调整模块13，信号调整模块13部分安装在变电站的监控室内。信号调整模块13与传感头12连接，用于对传感头12获取的第二电压行波信号进行调整，并将经过调整后的第二电压行波信号发送至工控机单元2。信号调整模块13能保证传感头12输出信号的稳定并能调整测得信号的精度，保证检测信号和被测信号成严格线性关系。

可选地，信号调整模块13包括：阻抗匹配电路1302、信号调整电路1304和放大电路1306，阻抗匹配电路1302与传感头104直接连接，用于对获取的第二电压行波信号进行阻抗匹配；信号调整电路1304与阻抗匹配电路1302连接，用于对经过阻抗匹配的第二电压行波信号进行滤波；放大电路1306与信号调整电路1304连接，用于对经过滤波的第二电压行波信号进行放大。

图3是根据本实用新型实施例可选的第三种配电网故障定位装置结构框图；

如图3所示，工控机单元包括：工控机主机202、数据采集卡204和显示器206；数据采集卡204安装在工控机主机202的PCI插槽内，数据采集卡204与行波测量单元1中的信号调整模块连接用于接收信号调整模块发送的经过调整的第二电压行波信号，并对第二电压行波信号进行高速同步采样后传送至工控机主机202进行存储。

通过对数据采集卡204的安装方式和采样频率的设定，能够准确地接收行波测量单元1传送的第二电压行波信号并对其进行准确地同步采样，高速的数据采集卡204能实现4通道30MHZ的同步高速采样，数据采集卡204将采样得到的高精度第二电压行波信号传送到工控机主机202，工控机主机202能够对数据采集卡204的采样信号进行分析并保存故障发生后的一段时间内的配电网的第二电压行波信号故障数据。

可选地，工控机单元还包括：显示器206，显示器206与工控机主机202连接，用于显示经过采样后的第二电压行波信号的波形。

工控机主机202在配电网发生接地故障时，保存故障发生后一小段时间内的配电网第二电压行波信号数据。并将该数据上传给上位机3，上位机3接收工控机主机202发送的经过采样的第二电压行波信号，并根据该第二电压行波信号判断出配电网的故障位置。

图4是根据本实用新型实施例可选的第四种配电网故障定位装置结构框图；

上位机3运行基于MATLAB的故障测距系统，对工控机单元2采集的配电网的故障位置信息数据进行分析和计算，在此平台上，MATLAB的故障测距系统采用行波故障测距方法测出上位机3保存的故障信号的故障距离，故障测距系统读取保存的故障位置信息数据，经分析后，给出故障结果，并在界面上实时显示。

具体地，如图4所示，上位机3包括：处理器302、存储器304和输入输出设备306。处理器302与工控机单元2中的工控机主机202直接连接，用于接收工控机主机202发送的经过采样的第二电压行波信号，根据该第二电压行波信号判断出配电网的故障位置；存储器304与处理器302连接，用于将处理器302判断出的配电网的故障位置信息进行存储；输入输出设备306与处理器302和存储器304连接，用于接收输入的查询信息，并输出与查询信息匹配的配电网的故障位置。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本实用新型的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种配电网故障定位装置，其特征在于，包括：

行波测量单元；

工控机单元，分别与上位机和所述行波测量单元连接，用于将所述行波测量单元获取的配电网的行波信号采样后进行保存；以及

所述上位机，与所述工控机单元连接，用于接收所述工控机单元发送的经过采样的所述行波信号，并根据所述行波信号判断出所述配电网的故障位置。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述行波测量单元包括：

电压互感器，与所述配电网的母线直接连接，用于将所述母线的一次侧的第一电压行波信号转换成二次侧的第二电压行波信号；

传感头，与所述电压互感器连接，用于获取所述电压互感器二次侧的第二电压行波信号。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电压互感器为电子式电压互感器。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述传感头安装在所述母线的开关柜内。

5.根据权利要求2至4中任一所述的装置，其特征在于，所述行波测量单元还包括：

信号调整模块，与所述传感头连接，用于对所述传感头获取的所述第二电压行波信号进行调整，并将经过调整后的所述第二电压行波信号发送至所述工控机单元。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述信号调整模块包括：

阻抗匹配电路，与所述传感头直接连接，用于对所述获取的第二电压行波信号进行阻抗匹配；

信号调整电路，与所述阻抗匹配电路连接，用于对经过阻抗匹配的所述第二电压行波信号进行滤波；

放大电路，与所述信号调整电路连接，用于对经过滤波的所述第二电压行波信号进行放大。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述工控机单元包括：

工控机主机；

数据采集卡，安装在所述工控机主机的PCI插槽内，与所述信号调整模块连接，用于接收所述信号调整模块发送的经过调整的所述第二电压行波信号，并对所述第二电压行波信号进行采样后传送至所述工控机主机进行存储。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述工控机单元还包括：

显示器，与所述工控机主机连接，用于对所述经过采样后的第二电压行波信号进行显示。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述上位机与所述工控机主机连接，用于接收所述工控机主机发送的经过采样的第二电压行波信号，并根据所述第二电压行波信号判断出所述配电网的故障位置。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述上位机包括：

处理器，与所述工控机主机直接连接，用于接收所述工控机主机发送的所述经过采样的第二电压行波信号，根据所述第二电压行波信号判断出所述配电网的故障位置；

存储器，与所述处理器连接，用于将所述处理器判断出的所述配电网的故障位置信息进行存储；

输入输出设备，与所述处理器和所述存储器连接，用于接收输入的查询信息，并输出与所述查询信息匹配的所述配电网的故障位置。