CN207181549U - 配电线路故障智能诊断装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种配电线路故障智能诊断装置，能正确识别线路故障类型的故障智能诊断装置，将该装置应用于配电线路中，替代传统的自动重合器装置，克服自动重合器动作的盲目性，在断路器跳闸后先对线路故障的类别进行正确区分，以决定断路器是否重新动作，保证供电连续性、缩小电力系统的事故影响范围、减少故障损失。

Description

配电线路故障智能诊断装置

技术领域

本实用新型涉及配电线路故障诊断技术领域，具体涉及配电线路故障智能诊断装置。

背景技术

配电网是直接向广大电力用户分配电能的网络，是电力系统中与客户直接相联系的一环，对整个系统的供电可靠性影响巨大。

配电线路的故障可分为瞬时性故障和永久性故障。瞬时性故障如线路绝缘子的电弧闪络、短路，在线路跳闸后线路失去电压，在空气去游离的作用下，绝缘子的对地绝缘和相间空气绝缘得到快速恢复。大多数架空线路的雷击闪络都属于这种故障，此时重合器动作后都能重合成功，统计资料表明，配电网事故中瞬时性故障占90%左右，永久性故障一般不到10％。永久性故障—就是线路或电气设备的绝缘受到永久的击穿破坏，在断电后无法恢复的故障。若线路发生永久性故障，线路跳闸后故障点的绝缘不能恢复，故障永久存在，重合器动作不但不能重合成功，还会因合闸到故障点上使事故扩大。

目前电网中运行的重合器装置都是基于认为线路故障是瞬时性故障，在开关跳闸线路停电一段时间间隔后，故障点的绝缘己恢复，重合器动作后，跳闸线路能很快恢复运行，保证供电可靠性。但由于自动重合器装置没有对故障分析诊断功能，不能判断是瞬时性故障还是永久性故障，只是根据线路发生瞬时性短路故障后绝缘的恢复时间为重合器整定的依据，设定重合时间，把开关合闸，因而具有较大的盲目性。如果重合到永久性故障上会使事故扩大，有时会造成的严重的设备和人身事故，虽然永久性故障一般不到10％，但也意味着要冒较大的安全风险，以至于许多供电企业不敢投重合器，这样又造成了供电可靠性得不到保证。

因此，配电线路发生故障后，对其故障属性进行正确判断显得异常重要；准确的故障诊断，能使故障处理得以及早进行，保证迅速恢复供电，明显降低因故障造成的综合经济损失。针对上述情况，迫切需要开发一种配电线路故障智能诊断装置，当线路发生故障跳闸之后，该装置启动，根据线路传感器传回的数据进行自动分析，判断故障属于瞬时性故障还是永久性故障，进而决定是否将断路器再次合上。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型通过开发一种能正确识别线路故障类型的故障智能诊断装置，将该装置应用于配电线路中，替代传统的自动重合器装置，克服自动重合器动作的盲目性，在断路器跳闸后先对线路故障的类别进行正确区分，以决定断路器是否重新动作，保证供电连续性、缩小电力系统的事故影响范围、减少故障损失。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：配电线路故障智能诊断装置，包括有控制模块、线路状态传感器模块、通信系统、电源模块和计算机系统，配电线路中设有断路器，断路器包括有合闸回路和分闸回路，配电线路中每一相线路上分别设有线路绝缘电阻Rj，多个线路状态传感器模块并联连接在配电线路中每一相线路的首端，线路状态传感器模块均包括有依次相连的保护电阻、开关模块、电流/电压转换电路，每个线路状态传感器模块中的保护电阻分别连接在配电线路的其中一相线路上，所有线路状态传感器模块中的开关模块均连接控制模块并受控制模块控制导通或截止，所有线路状态传感器模块中的电流/电压转换电路均连接控制模块，电流/电压转换电路中包括有采样电阻，电源模块包括有检测电源和供电电源，电流/电压转换电路均连接检测电源，控制模块包括有可编程控制器，控制模块分别连接合闸回路和分闸回路，控制模块通过通信系统连接计算机系统，供电电源给线路状态传感器模块、控制模块和通信系统供电。

开关模块由多个低阻、耐压的开关串联形成。

可编程控制器包括有用于连接合闸回路和分闸回路的I/O口、用于向开关模块发送导通或截止信号的输出端、用于接收电流/电压转换电路信号的模拟量输入端、用于连接通信系统的通信接口。

还包括有外围电路，外围电路包括有第一隔离电路和第二隔离电路，电流/电压转换电路通过第一隔离电路连接控制模块，控制模块第二隔离电路分别连接合闸回路和分闸回路。

第一隔离电路和第二隔离电路均为光电耦合电路。

通信系统包括有嵌入式TCP/IP协议串口转换器，TCP/IP协议串口转换器通过以太网连接计算机系统。

检测电源为直流高压电源。

本实用新型的工作流程是：当配电线路发生故障而使断路器跳闸之后，控制模块通过接收断路器分闸回路的跳闸信号而启动，并立即将断路器合闸回路闭锁，禁止断路器动作；然后，启动线路状态传感器模块对线路的故障参数及故障恢复情况进行跟踪采集，通过对故障参数的快速分析处理，判别出线路故障属于瞬时性故障还是永久性故障，跟踪故障点的恢复情况，决定断路器是否合闸以及合闸的时刻。如果经过一定的时间段故障仍没有恢复，就判定线路发生了永久性故障，发出永久闭锁信号，断路器不再动作。控制模块通过通信系统将线路故障情况上报给计算机系统，向计算机系统周围的生产调度人员发出报警信号，请求对故障线路进行检修。每次故障诊断完成之后，该控制模块自动保存和统计相关数据，并以变电站或集控站为单元按月、季和年生成统计报表，对线路的故障数据进行统计分析。

瞬时性故障和永久性故障的判定原理是：当配电线路出现故障而使断路器跳闸后，本装置的控制模块接收分闸回路传递的跳闸信号而启动，同时向合闸回路发出闭锁信号；经过有效的整定时间后，向线路状态传感器模块发出导通信号，使之工作，此时线路状态传感器模块、线路对地绝缘电阻R_j构成直流回路，线路状态传感器模块检测线路各相对地绝缘电阻R_j的大小，并将数据传递给控制模块；控制模块接收完线路状态传感器模块传回的数据之后，发出截止信号使之重新恢复休眠状态，同时控制模块通过数据分析比较，判断出线路的绝缘恢复情况，从而决定断路器是否重合。当故障线路每一相R_j≥R_min时，为瞬时性故障，发出合闸信号，使断路器重合；当任意一相R_j<R_min时，为永久性故障，合闸回路继续闭锁，并向工作人员发出报警信号，请求进行线路检修。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的配电线路故障智能诊断装置应用于配电线路中，替代传统的自动重合器装置，能够克服自动重合器动作的盲目性，在断路器跳闸后先对线路故障的类别进行正确区分，以决定断路器是否重新动作，保证供电连续性、缩小电力系统的事故影响范围、减少故障损失。本装置在设定判据参数R_min时，可通过对正常运行线路在不同条件下的对地绝缘电阻值进行现场测量，选定最恶劣情况下的测量值作为判据整定的临界值，针对性强；并且该值根据线路运行条件、各种参数的变化可随时对其进行修改和重新设定，灵活性强。

附图说明

图1是本实用新型中各模块单元的连接示意图；

图2是本实用新型中控制与信号处理流程图。

具体实施方式

现结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1-2所示，配电线路故障智能诊断装置的硬件部分主要由线路状态传感器模块、控制模块、外围电路、通信系统和电源模块等组成。线路状态传感器模块并接于线路每一相的首端，用于数据采集；控制模块通过各种接口与外围模块相连，承担数据分析处理和控制外围模块协调、有序工作的重要任务；外围电路用于保证数据传递过程的顺利进行；通信系统则主要用于控制模块与计算机系统（PC）之间的通信，完成人机对话；电源模块包括检测电源和供电电源两部分，前者给检测回路提供高压激励源，后者为装置各部分提供正常工作所需的电源。

配电线路状态传感器模块的主要功能是对跳闸线路各相的对地绝缘电阻值Rj进行采集，将其作为控制模块进行故障分析判断的重要依据，该模块主要由开关模块、电流/电压转换电路和保护电阻组成。在线路正常运行状态下，配电线路状态传感器模块处于绝缘休眠状态；当线路发生故障而跳闸时，传感器模块投入使用，线路状态传感器模块与线路绝缘电阻构成直流回路，该回路中将有一直流电流流过，通过电流/电压转换（I/V）电路和隔离电路将该信号传送至控制模块进行相应的数据处理，从而根据判据即可判断出线路的故障类型，实现配电线路故障的智能诊断；信号采集完毕，线路状态传感器模块退出工作。

开关模块主要应该具备以下几个方面的特性：

（1）具有良好的耐压性能。开关模块在线路正常运行情况下应处于开断状态，且能够承受线路正常运行时的工作电压和各种过电压。因此，在对开关模块的耐压性能进行整定时，应充分考虑过电压的影响。配电系统的过电压既有外部过电压（雷电过电压）也有内部过电压。其中配电线路遭受的外部过电压主要是感应雷电过电压，它通常远高于线路正常运行时的电压；而内部过电压是指由于系统的操作、故障和某些不正常的运行状态，使配电系统电磁能量发生转换而产生的过电压，常见的内部过电压主要有：操作过电压、谐振过电压、工频电压升高等，内部过电压的幅值与电网的额定电压有着密切的联系，一般为额定电压的2.5～4倍。因此，在本装置的开关模块选型中，应重视其耐受系统外部和内部过电压的能力，以保证其在系统正常运行时不动作、不损坏。但是往往单个开关模块的耐压能力有限，无法满足工作需求，此时可以考虑将多个同等型号、性能的开关模块串接为一个整体，以提高其耐压性能，这样可以留有较大的裕度，保证了装置的可靠性。值得注意的是，在采取该办法提高开关模块耐压性能的同时，应采取相应的措施保证各部分之间的均压和同步导通能力，否则将会导致单个模块的损坏而使整个装置无法正常工作。

（2）具有导通/截止可控功能。为了实现测量的智能化，本装置中开关模块的开断与闭合应能够通过控制模块对其进行控制，即具有导通/截止可控性能。在线路发生故障、断路器跳闸后，开关模块能够接收控制模块发出的导通信号而闭合，使线路状态传感器启动；当线路测量参数被控制系统接收完毕之后，开关模块能够接收控制模块发出的截止信号，使线路状态传感器重新返回休眠状态。采用具有该功能的开关模块，能够使装置动作的快速性、准确性得到明显提高。

（3）驱动功率小、导通压降低。由于开关模块的导通/截止是由控制模块来控制，因此应该使其满足能在控制模块的驱动范围内实现对它的可靠控制；同时，开关模块在导通后，应呈现良好的低阻状态，使之两端压降低，防止对测量精度造成影响。

电流/电压（I/V）转换电路的主要功能是进行数据采集，将直流回路中的电流信号转换为电压信号，以供控制系统进行分析处理，其核心部件是采样电阻。采样电阻又称为电流检测电阻，其阻值较小，串联在电路中用于把电流转换为电压信号进行测量。本装置通过电流/电压转换电路对采样电阻两端的电压信号进行采集，在数据处理时即可通过相应的换算得到线路对地绝缘电阻值进行分析比较。

控制模块是本装置的核心部分。主要由可编程控制器（PLC）及其扩展模块构成，其主要功能是完成数据的分析和处理，发出控制信号以及与集控中心的计算机系统进行通信。断路器的分闸回路和合闸回路通过第二隔离电路分别连至PLC的I/O口，用于向控制模块发送跳闸信号和接收PLC发出的锁闭/合闸信号；PLC的输出端还通过信号线与线路状态传感器的开关模块相连，用于向开关模块发送导通/截止信号，从而控制线路状态传感器的工作状态；另外，线路状态传感器模块通过第一隔离电路连接至PLC的模拟量输入端，经模数转换之后再由PLC进行数据处理；为了方便工作人员对线路的故障情况进行监控，并根据实际情况对相关参数进行修改、整定，监控中心的计算机系统通过通信系统与PLC的通信接口相连。本装置通过线路状态传感器采集到的信号为模拟信号，因此必须进过模数转换，才能完成相应的数据分析、处理过程。由于一般PLC扩展有模拟量输入模块，因此可以通过该模块实现数据A/D转换，将模拟信号转换为PLC可以识别的数字量信号，而无需再对相关硬件电路进行设计，简化了硬件设计的过程，而且抗干扰能力强、控制灵活，使得信号的转换、传输和处理等过程能够更快、更精确地实现。

电流/电压转换电路通过第一隔离电路连接控制模块，对线路状态传感器中的电流/电压转换电路采集的信号进行隔离，再送入控制模块进行处理，以减少外界干扰、提高测量精度。本装置在进行故障诊断时，由于线路状态传感器模块在测量中位于高压侧，而信号的分析、处理主要通过弱电部分来完成，如果直接将信号引入控制模块进行处理，将存在较大的电磁干扰，影响判断结果的准确性；同时，弱电部分耐压能力较差，与高压部分应当采取适当的措施将其隔离开来。为此，采用光电耦合电路进行隔离。该电路主要是防止因有电的连接而引起的干扰，特别是在低压控制电路与外部高压电路之间。

控制模块第二隔离电路分别连接合闸回路和分闸回路，主要为控制信号的传递而设计。本装置的启动信号（即断路器跳闸信号）由控制模块从断路器的分闸回路进行采集，控制模块的输出端口又与断路器的合闸回路相连，用于向其发送合闸/闭锁信号，而信号在传输过程中难免会遭受各种干扰，以至于影响装置的正常运行，因此，为了降低控制信号传送过程中外界干扰的影响，在断路器分闸/合闸回路与控制模块之间增加隔离电路，以保证装置正常快速启动、有效地对断路器的动作情况进行控制。

通信系统的作用是在配电线路故障智能诊断装置在线路发生故障后，能够及时地将线路故障情况反馈给相关工作人员，使之能够实时监控线路的故障状态，并采取相应的措施，以保证供电可靠性。本装置的一个重要功能是应能够实现与计算机系统的通信。线路的运行情况和故障情况将通过计算机系统显示出来，以供工作人员随时查看；并且当线路实际情况有所变动时，还可以通过该系统进行参数设置，远程控制整个装置的工作。通信系统将PLC的RS232串行通信接口通过串行连接线与嵌入式TCP/IP 协议串口转换器相连，再由嵌入式TCP/IP 协议串口转换器通过以太网与PC机的通信口相连接，它们之间的通信可以根据编写相应的通信软件来实现。嵌入式TCP/IP 协议串口转换器采用透明传输的方式，用户可以采用TCP/IP协议，不用更改程序即可实现原有串口设备的网络连接，可方便使用并节省了投资，能有效地弥补RS232串行通信传输速率以及传输距离不足的缺点。

检测电源主要是为测量回路提供激励源，本装置中，检测电源为一直流高压电源，其电压值取为3000—5000V为宜。同时，考虑到变电站出线较多，而每条线路的每一相均要安装线路状态传感器，加上线路故障的判断必须在极短的时间内完成，因此，检测电源应该具有足够大的功率，既能满足为多个检测回路供电，能同时对多条跳闸线路的绝缘电阻进行测量的要求，又能实现对线路快速充电、快速检测的目的。

由于本装置各种电平器件共存，导致其供电系统较为复杂，供电电源可分为：（1）模拟信号部分，如集成运放、V/f和f/V转换电路的供电电源，需要±5V、±12V电源；（2）数字部分，如PLC（包括其中的A/D转换模块）、开关模块的供电电源，需要+5V、±24V电源。

对于不同线路而言，由于线路结构、电压等级等的不同，使得其对地绝缘电阻值存在较大差异；即使是同一条线路，随着气象条件、负荷状态等因素的变化，各相对地绝缘电阻值也不是恒定不变的。但是无论该绝缘电阻值如何变化，都必须要满足一定的要求，才能保证线路的正常运行，即对于某一条线路而言，每一相的对地绝缘电阻将有最小值R_min。只有当线路绝缘电阻值大于或等于该最小值（R_j≥R_min）时，线路才能保证正常供电；如果线路的绝缘电阻值小于该值（R_j<R_min），线路将无法正常运行。因此，配电线路故障智能诊断装置可以根据此原理来对线路的瞬时性故障和永久性故障进行有效判断。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例，应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思做出诸多修改和变化，因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.配电线路故障智能诊断装置，其特征在于，包括有控制模块、线路状态传感器模块、通信系统、电源模块和计算机系统，配电线路中设有断路器，断路器包括有合闸回路和分闸回路，配电线路中每一相线路上分别设有线路绝缘电阻Rj，多个线路状态传感器模块并联连接在配电线路中每一相线路的首端，线路状态传感器模块均包括有依次相连的保护电阻、开关模块、电流/电压转换电路，每个线路状态传感器模块中的保护电阻分别连接在配电线路的其中一相线路上，所有线路状态传感器模块中的开关模块均连接控制模块并受控制模块控制导通或截止，所有线路状态传感器模块中的电流/电压转换电路均连接控制模块，电流/电压转换电路中包括有采样电阻，电源模块包括有检测电源和供电电源，电流/电压转换电路均连接检测电源，控制模块包括有可编程控制器，控制模块分别连接合闸回路和分闸回路，控制模块通过通信系统连接计算机系统，供电电源给线路状态传感器模块、控制模块和通信系统供电。

2.如权利要求1所述的配电线路故障智能诊断装置，其特征在于，所述开关模块由多个低阻、耐压的开关串联形成。

3.如权利要求1所述的配电线路故障智能诊断装置，其特征在于，所述可编程控制器包括有用于连接合闸回路和分闸回路的I/O口、用于向开关模块发送导通或截止信号的输出端、用于接收电流/电压转换电路信号的模拟量输入端、用于连接通信系统的通信接口。

4.如权利要求1所述的配电线路故障智能诊断装置，其特征在于，所述配电线路故障智能诊断装置中还包括有外围电路，所述外围电路包括有第一隔离电路和第二隔离电路，电流/电压转换电路通过第一隔离电路连接控制模块，控制模块第二隔离电路分别连接合闸回路和分闸回路。

5.如权利要求4所述的配电线路故障智能诊断装置，其特征在于，所述第一隔离电路和第二隔离电路均为光电耦合电路。

6.如权利要求1所述的配电线路故障智能诊断装置，其特征在于，所述通信系统包括有嵌入式TCP/IP协议串口转换器，TCP/IP协议串口转换器通过以太网连接计算机系统。

7.如权利要求1所述的配电线路故障智能诊断装置，其特征在于，所述检测电源为直流高压电源。