CN207832940U - 一种宽温下稳定工作的配电网故障行波定位系统 - Google Patents

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孙二双
杨子力
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Abstract

本实用新型公开了一种宽温下稳定工作的配电网故障行波定位系统，包括：设置在配电线路上的若干个行波数据采集单元以及与所述行波数据采集单元通过无线通讯网络连接的云计算平台，其中，行波数据采集单元的时钟以及通信相关的电路分别包括一用于电路的对输出频率进行温度补偿的频率合成器，本实用新型一方面通过在云计算平台上查找和计算配电线路上的各个行波数据采集单元发送的行波数据，确定故障初始行波波头时间，输出测距结果，从而确定配电网故障位置；另一方面，频率合成器可以对输出的频率进行温度补偿，因此行波数据采集单元内部的时钟以及通信相关的电路能在宽温下稳定工作，使得行波数据采集单元可以适应各种恶劣环境。

Description

一种宽温下稳定工作的配电网故障行波定位系统
技术领域
本实用新型涉及电力系统领域，尤其涉及一种宽温下稳定工作的配电网故障行波定位系统。
背景技术
在配电网中，广泛采用中性点不接地、经小电阻接地或经消弧线圈接地的运行方式，即为小电流接地系统。此种系统发生单相接地故障时，由于大地与中性点之间没有直接电气连接或串接了电抗器，因此短路电流很小，保护装置不需要立刻动作跳闸，从而提高了系统运行的可靠性。尤其在瞬时故障条件下，短路点可以自行灭弧恢复绝缘，不需要运行人员采取什么措施，这对于减少用户短时停电次数具有积极意义。但是随之而来的问题是：如果故障是永久性的，系统仅仅允许在故障情况下继续运行1～2个小时，此时运行人员必须尽快查明短路线路和短路点，以便采取相应对策解除故障，恢复系统正常运行。随着系统容量的增长，馈线增多，导致系统电容电流增大，如果发生单相接地故障，长时间带故障运行容易诱发持续时间长、影响面广的间歇电弧过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行。这就提出了小电流接地系统的故障定位问题。
目前实现自动短路故障定位的方法，主要是利用线路负荷开关处装设的馈线自动化测控终端(FTU)实现故障分段定位。通过线路FTU检测测量电流互感器(TA)二次电流是否出现间断角判断线路过流故障，并将检测结果送至数据采集与监视控制(SCADA)系统，系统主站根据各FTU上报信息利用相应的故障定位算法确定故障所在区段。对于利用FTU实现线路故障定位，只适合于实现了配网自动化的地区，但实现配网自动化造价太高，限制了此方法的大面积使用。为此申请号为201520868213.6的实用新型提出了在云计算平台上查找和计算配电线路上的各个行波数据采集单元发送的行波数据，确定故障初始行波波头时间，输出测距结果，从而达到了快速、精确地确定配电网故障位置的效果。
但是，由于行波数据采集单元内部的无线收发器以及时钟电路都是产生频率信号的，由于晶体振荡器、电感、电容这些器件受温度的影响比较大，而行波数据采集单元一般要设置在各种环境险恶的地方，例如有时要在环境温度非常低的地带，有时由会出入到温度较高的地带，这就导致晶体振荡器或者电感电容组成的LC振荡电路的振荡频率随温度变化而发生改变，在宽温下无法稳定工作。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种宽温下稳定工作的配电网故障行波定位系统。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种宽温下稳定工作的配电网故障行波定位系统，包括：
若干个行波数据采集单元，设置在配电线路上，用于通过行波采集配电网行波故障数据；
云计算平台，设置在网络云端计算集群，与所述行波数据采集单元通过无线通讯网络连接，用于接收所述行波数据采集单元发送的行波故障数据，并根据该行波故障数据计算出故障发生位置；
其中，所述行波数据采集单元的时钟以及通信相关的电路分别包括一频率合成器，所述频率合成器用于对时钟以及通信相关的电路的输出频率进行温度补偿。
在本实用新型所述的宽温下稳定工作的配电网故障行波定位系统中，所述行波数据采集单元的时钟电路包括压控晶体振荡器，所述行波数据采集单元的通信电路包括采用了LC振荡电路的无线收发器，所述频率合成器包括：存储单元、温度检测单元、与所述压控晶体振荡器或者LC振荡电路连接的温度补偿单元，所述存储单元、温度检测单元分别与所述温度补偿单元连接。
在本实用新型所述的宽温下稳定工作的配电网故障行波定位系统中，所述温度补偿单元包括频率校正单元以及与所述压控晶体振荡器或者LC振荡电路连接的锁频环，所述存储单元、温度检测单元、锁频环分别与所述频率校正单元连接。
在本实用新型所述的宽温下稳定工作的配电网故障行波定位系统中，所述行波数据采集单元包括有：
信号转换板，与配电线路上的配电变压器相连，用于将配电线路的电压量隔离变换成0～10伏电压信号输出；
数据采集板，与所述信号转换板相连，用于采集和记录行波数据并在故障发生时将记录到的行波故障数据发送出去；
CPU管理模块，与所述数据采集板连接，用于接收所述数据采集板发送的行波故障数据并将其通过无线通讯网络发送到所述云计算平台。
在本实用新型所述的宽温下稳定工作的配电网故障行波定位系统中，所述数据采集板包括：用于将模拟信号转换成数字信号并进行高速采集和缓存的数模转换电路；以及用于接收来自卫星定位系统的同步对时信号，将采集和缓存的数据打上绝对时标的同步对时单元，以及用于比较电压突变量是否超过设定阈值，超过设定值时判定线路发生故障的故障判断电路，以及用于记录故障发生前设定时间和故障发生后设定时间的行波数据的录波装置；
所述数模转换电路与所述信号转换板相连，同步对时单元与数模转换电路连接，故障判断电路分别连接同步对时单元和录波装置。
在本实用新型所述的宽温下稳定工作的配电网故障行波定位系统中，所述故障判断电路和录波装置为DSP数字信号处理器。
在本实用新型所述的宽温下稳定工作的配电网故障行波定位系统中，所述云计算平台包括有：
行波波头检测单元，用于查找并计算位于同一配电线路的各个行波数据采集单元发送的故障数据，确定故障初始行波波头时间；
故障位置计算单元，与所述行波波头检测单元相连，用于根据故障初始行波波头时间和预设线路长度，确定故障位置；
结果输出单元，与所述故障位置计算单元相连，用于通过web或移动通信网络输出故障位置信息。
实施本实用新型的宽温下稳定工作的配电网故障行波定位系统，具有以下有益效果：本实用新型的行波数据采集单元中的时钟以及通信相关的电路分别包括一具有温度补偿功能的频率合成器，频率合成器可以对输出的频率进行温度补偿，因此行波数据采集单元内部的时钟以及通信相关的电路能在宽温下稳定工作，使得行波数据采集单元可以适应各种恶劣环境。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：
图1是本实用新型的配电网故障行波定位系统的结构示意图；
图2是一个具体实施例中频率合成器的结构示意图；
图3是另一个具体实施例中频率合成器的结构示意图；
图4是本实用新型的配电网故障行波定位系统在进行双端行波测距时的原理图。
具体实施方式
为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的典型实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，词语“相等”、“相同”“同时”或者其他类似的用语，不限于数学术语中的绝对相等或相同，在实施本专利所述权利时，可以是工程意义上的相近或者在可接受的误差范围内。所述“相连”或“连接”，不仅仅包括将两个实体直接相连，也包括通过具有有益改善效果的其他实体间接相连。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本实用新型实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本实用新型实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
参考图1，在本实用新型的宽温下稳定工作的配电网故障行波定位系统，包括：
若干个行波数据采集单元，设置在配电线路上，用于通过行波采集配电网行波故障数据；
云计算平台，设置在网络云端计算集群，与所述行波数据采集单元通过无线通讯网络连接，用于接收所述行波数据采集单元发送的行波故障数据，并根据该行波故障数据计算出故障发生位置。
其中，所述行波数据采集单元的时钟以及通信相关的电路分别包括一频率合成器，所述频率合成器用于对时钟以及通信相关的电路的输出频率进行温度补偿。
本实用新型的行波数据采集单元中的时钟以及通信相关的电路分别包括一具有温度补偿功能的频率合成器，频率合成器可以对输出的频率进行温度补偿，因此行波数据采集单元内部的时钟以及通信相关的电路能在宽温下稳定工作，使得行波数据采集单元可以适应各种恶劣环境。而且，通过在云计算平台上查找和计算配电线路上的各个行波数据采集单元发送的行波数据，确定故障初始行波波头时间，输出测距结果。从而达到了快速、精确地确定配电网故障位置的效果。
一般所述行波数据采集单元的时钟电路包括压控晶体振荡器，所述行波数据采集单元的通信电路包括采用了LC振荡电路的无线收发器。参考图2，本实用新型的一个具体实施例中，所述频率合成器包括：存储单元、温度检测单元、与所述压控晶体振荡器或者LC振荡电路连接的温度补偿单元，所述存储单元、温度检测单元分别与所述温度补偿单元连接。
其中，温度检测单元可以采用温度传感器。
其中，温度补偿单元可以利用恒温装置对LC振荡电路或压控晶体振荡器直接进行温度补偿，使其工作环境保持标准恒温(例如一般为25℃)。从节省硬件电路和占用空间的角度考虑，也可以利用温度与频率之间的关系对真实的频率进行校准，此时温度补偿单元可以选用DSP处理器，例如：通过在不同温度下测量压控晶体振荡器或者LC振荡电路的振荡频率，获得温度-频率表存储到存储单元内，然后DSP处理器根据温度检测单元检测到的当前环境温度，从温度-频率表中查找对应当前温度下的频率F1，并计算温度频差补偿值△f＝F1-Fref，Fref作为标称频率，例如可以采取25℃下的振荡频率作为标称频率，△f可为正值也可为负值；再根据压控晶体振荡器或者LC振荡电路的当前频率F2计算最终频率F3＝F2+△f进行输出。需要理解的是，关于温度补偿的计算方法是已知的，只是提供了基于该方法的专用芯片(DSP处理器)作为温度补偿单元而已。
还可以采用如图3所示的频率合成器，该频率合成器中的温度补偿单元包括频率校正单元以及与压控晶体振荡器或者LC振荡电路连接的锁频环，所述存储单元、温度检测单元、锁频环分别与所述频率校正单元连接。其校正原理与上述的校正原理差不多，此处不再赘述。
继续参考图1，其中，所述行波数据采集单元包括有：
信号转换板1，与配电线路上的配电变压器相连，用于将配电线路的电压量隔离变换成0～10伏电压信号输出；
数据采集板2，与所述信号转换板1相连，用于采集和记录行波数据并在故障发生时将记录到的行波故障数据发送出去；
CPU管理模块3，与所述数据采集板2连接，用于接收所述数据采集板2发送的行波故障数据并将其通过无线通讯网络发送到所述云计算平台。
信号转换板1获取的电压量包括配电变压器高压侧互感器二次侧相电压或零序电压，及低压侧相电压或线电压。正常运行情况下，数据采集板2以5MHz以上的频率并在FPGA的控制下写入SDRAM，SDRAM被分为以80毫秒为单位的若干块存储区域，以块为控制单元，同时接收GPS、或北斗卫星定位系统等的同步时间信号，以GPS授予的秒脉冲或B码等时间作为装置的同步采样时标。数据在写入时被打上绝对时标，时间信号误差为1×10-8秒。该时标实现对系统内其他装置数据在时间上统一。
一个具体实施例中，所述数据采集板2包括：用于将模拟信号转换成数字信号并进行高速采集和缓存的数模转换电路21；以及用于接收来自卫星定位系统的同步对时信号，将采集和缓存的数据打上绝对时标的同步对时单元22，以及用于比较电压突变量是否超过设定阈值，超过设定值时判定线路发生故障的故障判断电路23，以及用于记录故障发生前设定时间和故障发生后设定时间的行波数据的录波装置24；其中，所述数模转换电路21与所述信号转换板1相连，同步对时单元22与数模转换电路21连接，故障判断电路23分别连接同步对时单元22和录波装置24。所述故障判断电路23和录波装置24为DSP数字信号处理器。
其中，所述云计算平台包括有：
行波波头检测单元9，用于查找并计算位于同一配电线路的各个行波数据采集单元发送的故障数据，确定故障初始行波波头时间；
故障位置计算单元10，与所述行波波头检测单元9相连，用于根据故障初始行波波头时间和预设线路长度，确定故障位置；
结果输出单元11，与所述故障位置计算单元10相连，用于通过web或移动通信网络输出故障位置信息。
结合图4，本实用新型检测故障的原理是：利用故障行波到达故障线路两端的时间差计算出故障距离，如图4所示。对于故障线路来说，设输电线路全长L，故障点初始行波达到两端母线M，N的时间分别为TM，TN，则故障点距线路两端的距离分别为：
式中v为行波波速，L为线路全长。
然后由云计算平台自动查找并计算位于同一配电线路的各个行波定位装置发来的故障数据，确定故障初始行波波头时间，最终可以计算出测距结果。
综上所述，本实用新型一方面通过在云计算平台上查找和计算配电线路上的各个行波数据采集单元发送的行波数据，确定故障初始行波波头时间，输出测距结果，从而达到了快速、精确地确定配电网故障位置的效果；另一方面，频率合成器可以对输出的频率进行温度补偿，因此行波数据采集单元内部的时钟以及通信相关的电路能在宽温下稳定工作，使得行波数据采集单元可以适应各种恶劣环境。
上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (7)

1.一种宽温下稳定工作的配电网故障行波定位系统，其特征在于，包括：
若干个行波数据采集单元，设置在配电线路上，用于通过行波采集配电网行波故障数据；
云计算平台，设置在网络云端计算集群，与所述行波数据采集单元通过无线通讯网络连接，用于接收所述行波数据采集单元发送的行波故障数据，并根据该行波故障数据计算出故障发生位置；
其中，所述行波数据采集单元的时钟以及通信相关的电路分别包括一频率合成器，所述频率合成器用于对时钟以及通信相关的电路的输出频率进行温度补偿。
2.根据权利要求1所述的宽温下稳定工作的配电网故障行波定位系统，其特征在于，所述行波数据采集单元的时钟电路包括压控晶体振荡器，所述行波数据采集单元的通信电路包括采用了LC振荡电路的无线收发器，所述频率合成器包括：存储单元、温度检测单元、与所述压控晶体振荡器或者LC振荡电路连接的温度补偿单元，所述存储单元、温度检测单元分别与所述温度补偿单元连接。
3.根据权利要求2所述的宽温下稳定工作的配电网故障行波定位系统，其特征在于，所述温度补偿单元包括频率校正单元以及与所述压控晶体振荡器或者LC振荡电路连接的锁频环，所述存储单元、温度检测单元、锁频环分别与所述频率校正单元连接。
4.根据权利要求1所述的宽温下稳定工作的配电网故障行波定位系统，其特征在于，所述行波数据采集单元包括有：
信号转换板(1)，与配电线路上的配电变压器相连，用于将配电线路的电压量隔离变换成0～10伏电压信号输出；
数据采集板(2)，与所述信号转换板(1)相连，用于采集和记录行波数据并在故障发生时将记录到的行波故障数据发送出去；
CPU管理模块(3)，与所述数据采集板(2)连接，用于接收所述数据采集板(2)发送的行波故障数据并将其通过无线通讯网络发送到所述云计算平台。
5.根据权利要求4所述的宽温下稳定工作的配电网故障行波定位系统，其特征在于，所述数据采集板(2)包括：用于将模拟信号转换成数字信号并进行高速采集和缓存的数模转换电路(21)；以及用于接收来自卫星定位系统的同步对时信号，将采集和缓存的数据打上绝对时标的同步对时单元(22)，以及用于比较电压突变量是否超过设定阈值，超过设定值时判定线路发生故障的故障判断电路(23)，以及用于记录故障发生前设定时间和故障发生后设定时间的行波数据的录波装置(24)；
所述数模转换电路(21)与所述信号转换板(1)相连，同步对时单元(22)与数模转换电路(21)连接，故障判断电路(23)分别连接同步对时单元(22)和录波装置(24)。
6.根据权利要求5所述的宽温下稳定工作的配电网故障行波定位系统，其特征在于，所述故障判断电路(23)和录波装置(24)为DSP数字信号处理器。
7.根据权利要求1所述的宽温下稳定工作的配电网故障行波定位系统，其特征在于，所述云计算平台包括有：
行波波头检测单元(9)，用于查找并计算位于同一配电线路的各个行波数据采集单元发送的故障数据，确定故障初始行波波头时间；
故障位置计算单元(10)，与所述行波波头检测单元(9)相连，用于根据故障初始行波波头时间和预设线路长度，确定故障位置；
结果输出单元(11)，与所述故障位置计算单元(10)相连，用于通过web或移动通信网络输出故障位置信息。
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