CN108008255A - 一种中压配电网故障快速定位装置及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力设备领域内的一种中压配电网故障快速定位装置，包括监测前端、监测后台以及供电模块，检测前端包括数据采集模块、数据处理模块以及数据传输模块，监测后台包括服务器和计算机系统，数据采集模块的输出端经数据处理模块连接数据传输模块，数据传输模块连接监测后台，供电模块为监测前端以及监测后台供电，本发明解决了传统配电网故障定位方法精度不高、可靠性低且复杂耗时的问题，可用于配电网监测中。

Description

一种中压配电网故障快速定位装置及定位方法

技术领域

本发明涉及一种配电网故障定位技术，特别涉及一种配电网故障快速定位装置及定位方法。

背景技术

配电网直接运行在复杂的自然环境中，各类故障无法避免。配电网发生故障时，为提高配电网安全性和可靠性，将电力系统损害降至最低，需及时排除故障，减小停电范围，而故障点的快速、准确定位则是及时排除故障的前提。

配电网拓扑结构复杂，分支众多，其故障定位一直是一个难点。过去的人工线路故障排查方式工作量大，耗时较长，容易导致短期内无法恢复供电。目前，基于暂态行波的故障定位方法具有较强的适应性以及较高的定位精度，在输电线路的故障定位中已得到较好的应用。但对于较复杂的配电网络结构，特别是当故障点距离配电网络分支节点较近时，传统单端和双端行波定位方法的计算误差会明显影响定位结果的可靠性，而传统多端行波定位法虽然适用性强，不存在伪故障点的问题，却仍需进行复杂的矩阵计算，难以有效应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种中压配电网故障快速定位装置及定位方法，以解决传统配电网故障定位方法精度不高、可靠性低且复杂耗时的问题。

本发明的目的是这样实现的：一种中压配电网故障快速定位装置及定位方法，所述定位装置包括监测前端、监测后台以及供电模块，所述检测前端包括数据采集模块、数据处理模块以及数据传输模块，所述监测后台包括服务器和计算机系统，所述数据采集模块的输出端经数据处理模块连接数据传输模块，数据传输模块连接监测后台，所述供电模块为监测前端以及监测后台供电；

所述定位方法包括以下步骤：

步骤1)通过数据采集模块实时监测输电线路末端节点和分支节点的行波数据；

步骤2)当配电网系统出现故障时，提取线路上已知监测节点的行波到达时间以及故障点的行波到达时间，利用相关性系数衡量位置故障点行波到达时间序列与已知节点行波到达时间序列的接近度，更具接近度确定定位到故障点范围。

作为本发明的进一步限定，在监测前端中，所述数据采集模块包括多个高速数据采集通道，用以将前端线路的运行状态信号经电压/电流传感器、信号调理电路和高速模数转换电路送至高速并行数据采集系统，高速并行数据采集系统连接存储器和定位模块。

作为本发明的进一步限定，所述电压/电流传感器采用互感线圈以实现输电线路上电压/电流的非接触式测量，信号调理电路对电压/电流传感器输出的电压信号进行处理以满足模数转换电路的模拟电压输入范围，模数转换电路采用采样速率为20MHz的12位ADC以满足行波信号的实时高速转换，高速并行数据采集系统采集所得数字信号并进行判断，当判断为故障信号时，调用定位模块，获取故障发生的时间、位置等信息，与故障电压/流波形数据一起存储在高速存储器中。

作为本发明的进一步限定，所述监测前端中，数据采集模块选用ARM芯片，用以将数据采集模块所得数据信息分析处理后，通过数据传输模块与监测后台进行交流，所述数据传输模块采用GPRS无线通讯方式。

作为本发明的进一步限定，所述监测前端中，系统供电模块与远程终端单元提供的标准电源接口兼容，从远程终端单元设备上获取电能，为各模块提供相应条件的电源驱动。

作为本发明的进一步限定，所述监测后台的计算机系统和服务器用以提供基于LABVIEW的实时监测管理系统，接收、记录并分析前端传回的电压/流波形、时间、位置等数据信息，实现输电线路电压/流的实时在线监测和基于地理信息系统的故障定位，并根据实时监测信息和后台工作要求下达相应的控制和保护指令。

作为本发明的进一步限定，步骤2)中相关性系数选用皮尔逊相关系数r，其表达式：

其中，故障点行波到达所有监测节点的时间序列为A＝{a₁,a₂..a_n}，已知单个监测节点到达所有监测节点的时间序列为B＝{b₁,b₂..b_n}，n序列长度，a，b表示序列序列A和序列B的平均值，该系数越接近1，则该故障点与该已知节点越接近，当系数为1时，即故障点与已知节点重叠。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明采用互感线圈作为电压/电流传感器，实现了输电线路电气信号的非接触式测量；

采用高速并行数据采集系统作为高数据采集模块的核心控制芯片，高速并行数据采集系统这种纯硬件系统以并行方式工作，在高速数据采集方面明显优于DSP、ARM等控制芯片，而且基于高速并行数据采集系统的大规模集成电路近几年来发展迅速，在速度、规模和性能不断提升的同时，价格不断下降，性价比很高；

采用SDRAM作为存储器，第三代SDRAM的存取时钟速率可达800MHz，存储容量近乎数个GB，非常适合高速数据缓存；

同时，本系统前端数据采集模块具有多路数据采集通道，其GPS模块还可以提供故障发生的时间、位置等信息，使本故障定位系统的数据可进一步用于故障类型判断，故障点定位等后续分析和处理；

采用ARM作为数据处理模块的核心控制芯片，当前的ARM系统以其低功耗、高性价比和强劲的数据处理能力，在无线通讯领域的地位日益巩固；

定位方法不存在伪故障点问题，准确性高，适用性强，且避免了复杂的矩阵计算。

附图说明

图1为本发明中定位装置的结构示意图。

图2为图1所示定位装置中监测前端的硬件系统结构框图。

图3为典型的多分支配电网络拓扑结构。

图4为图3中端口或分支节点处的故障快速定位装置系统示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明提出一种中压配电网故障快速定位装置，包括监测前端①与监测后台②；监测前端①由数据采集模块1、数据处理模块2、数据传输模块3以及相应的系统供电模块4组成；系统供电模块4连接数据采集模块1、数据处理模块2和数据传输模块3，用于向数据采集模块1、数据处理模块2和数据传输模块3供电；数据采集模块1的输出端通过数据处理模块2连接数据传输模块3，数据传输模块3连接监测后台②；监测后台②由计算机系统和服务器数据库系统组成。

如图2所示，监测前端①的硬件系统配置结构如下：

数据采集模块1包括电压/电流传感器(1)、信号调理电路(2)、高速模数转换电路(3)、以FPGA为核心的高速并行数据采集系统(4)、存储模块(5)以及GPS定位授时模块(6)；电压/电流传感器(1)的输出端依次经过信号处理电路(2)和模数转换电路(3)连接FPGA(4)，FPGA(4)连接存储器(5)和北斗/GPS(6)；电压/电流传感器(1)为基于互感线圈的非接触式传感器，该传感器检测精度高，可以在符合故障电压/电流频谱范围内依据故障电压/电流特性制造特定的线圈，并能实现电气信号的非接触测量；信号调理电路(2)对电压/电流传感器输出的电压信号进行处理，使之满足模数转换电路(3)的模拟电压输入范围；高速模数转换电路(3)采用采样速率为20MHz的12位ADC，足以满足行波信号的实时转换；前端信号经模数转换后，FPGA(4)采集所得数字信号并进行电压/电流信号判断，当判断为故障电压/电流信号时，调用GPS模块(6)，获取故障发生时刻的时间、位置等信息，与故障电压/电流波形数据一起存储在扩展高速存储器(5)中。

数据处理模块2以ARM为核心，控制输电线路节点电压/电流数据的采集与传输，ARM连接FPGA和数据传输模块3，数据传输模块3可以采用GPRS通信方式或其它无线通信技术。工作于在线监测模式时，数据处理模块2实时地将数据采集模块1采集到的数据经数据传输模块3传至监测后台②。系统供电模块4可与RTU设备提供的标准电源接口兼容，从RTU开关设备上获取电源，保证其他各模块的供电需求。

如图3所示，典型的多分支配电网络拓扑结构十分复杂，可在其端口或分支节点处安装本发明提供的故障快速定位装置监测前端①。

如图4所示，监测前端①安装于RTU柜上，其传感线圈安装于户外输电线路节点上。该监测前端①可以同时采集多相线路的电压/电流波形，并通过GPRS等无线通讯模式与监测后台②进行信息传递。监测后台②的计算机接收、存储并分析监测前端①传回的电压/电流波形、时间、位置等数据信息，通过LABVIEW操作平台，实现输电线路电压/电流的实时在线监测和基于GIS的故障定位，并根据实时监测信息和后台工作要求下达相应的控制和保护指令。

一种中压配电网故障快速定位方法，包括以下步骤：

步骤1)通过数据采集模块实时监测输电线路末端节点和分支节点的行波数据；

步骤2)当配电网系统出现故障时，提取线路上已知监测节点的行波到达时间以及故障点的行波到达时间，利用相关性系数衡量位置故障点行波到达时间序列与已知节点行波到达时间序列的接近度，更具接近度确定定位到故障点范围，所述相关性系数选用皮尔逊相关系数r，其表达式：

其中，故障点行波到达所有监测节点的时间序列为A＝{a₁,a₂..a_n}，已知单个监测节点到达所有监测节点的时间序列为B＝{b₁,b₂..b_n}，n序列长度，a，b表示序列序列A和序列B的平均值，该系数越接近1，则该故障点与该已知节点越接近，当系数为1时，即故障点与已知节点重叠。

该定位方法的原理如下：

1.行波到达时间与故障距离的关系

典型的多分支配电网络拓扑结构如图3所示，线路末端测量节点用Oi(i＝1,2…n)表示，线路分支节点用Pj(j＝1,2…m)。在线路末端测量节点处安装同步行波测量装置，获取行波信号。考虑到行波在配电网络中传播的复杂性，本文只分析初始行波的传播特性。

给定任意位置G，假设行波从G点出发，达到网络中某一测量节点Oi的时间t_i满足如下关系：

式中，t_i表示行波到达测量节点Oi的时间，t₀表示故障发生的时间，l_i表示G点到Oi点的距离，v_GOi表示行波沿路径GOi传播的速度。行波波速与线路参数相关，在单一线路的配电网中，故障行波在各分支线路中的波速相同，行波波速可用定值v表示。则(1)式可以简化为：

l_i＝kt_i+b (2)

式中，k＝v，b＝-vt₀。

行波从G点出发，达到所有测量节点的时间可以用序列T＝{t₁,t₂..t_n}表示，而G点到所有测量节点的距离可以用序列L＝{l₁,l₂...l_n}表示。则T和L满足关系：

L＝kT+b (3)

2.故障定位原理

对于配电网线路上的任意两点M、N，到所有测量节点的距离可以分别构成距离序列X＝{x₁,x₂..x_n}，Y＝{y₁,y₂..y_n}。两个距离序列的相似度可以衡量两点的接近程度，当两点重合时，其相似度为100％。选用皮尔逊相关系数r来表征两个序列的相似度，其表达式为：

式中，n为序列长度，表示序列x(n)，y(n)的平均值。平均值的表达式为：

由公式(1)、(2)可知，当序列X与T成线性关系，即：x_i＝kt_i+b(i＝1,2...n)，并且有k＞0，则用序列T代替序列X，其皮尔逊相关系数r的值不变。将此关系定义为替换条件。

若M代表故障点，其到测量节点的距离序列L为未知量；N代表线路上某已知点，其到测量节点的距离序列L’为已知量；通过同步行波测量装置获取故障行波并对行波信号进行分析可以得到行波到达各个测量节点的时间，其到测量节点的时间序列T为已知量；由上一节的分析可知，序列L和T满足替换条件。即故障点M距离序列与已知点N距离序列的相似度等价于故障点时间序列与已知点距离序列的相似度。

基于以上分析，故障点的定位问题转化为：在配电网线路上设置一系列节点，寻找其中一个节点，使得该点的距离序列与故障点时间序列的相关系数为1，则故障点与该节点重合；由于节点的选取为离散点，很可能无法与故障点完全重合，则相关系数最接近1的节点，距离故障点最近，认为该节点即为故障点。

3.已知节点的选取

如果直接在线路上取一系列等距节点，并求解每个节点的距离序列与故障行波时间序列的相关系数，计算量会很大。为此，先选取一些特殊节点进行相关度分析，从而缩小故障点的求解范围。选取所有测量节点和分支节点，计算其距离序列与故障行波时间序列的相关度。如果相关度绝对值最大的节点为末端测量节点，则故障点必在该末端测量节点所在的唯一分支线路上；如果相关度绝对值最大的节点为分支节点，则故障点在该分支节点所在的三条分支线路上。

4.故障定位流程

(1)配电网线路发生故障后，安装于线路末端的同步行波测量装置获取故障行波波形和绝对时标，并将装置所在的节点位置和行波信息传回中心站。

(2)中心站对各个测量节点返回的行波信号进行数据处理，获取各个测量节点的行波波头时间。

(3)基于配电网络结构和各个测量节点的行波波头时间，利用故障定位算法进行求解，得到定位结果。

下面通过仿真对本发明的方法做进一步验证说明。

为对本文所述方法进行验证，利用MATLAB/Simulink搭建10KV配电网仿真模型，其拓扑结构如图3所示；仿真模型中的线路均为架空线的分布参数模型，线路长度如表1所示；测量节点O1～O7位于各线路末端的配电变压器处，采集电压行波，采样速率为10MHz。

表1线路长度

3.2仿真结果

本文利用小波变换法提取行波波头时间。设置线路c上距离该线路起始点1.259km处发生单相接地故障，故障初始时刻t＝0.012s，接地电阻Rg＝10Ω；在故障定位算法中，将已知节点的间距分别设置为200m、100m和50m，其定位结果如表2所示。

表2不同节点间距定位结果

由表2可知，减小节点间距，有利于减小定位误差；但间距越小，节点数越多，计算量越大。由于定位系统中给定的配电网络线路长度和实际线路长度难免有差异，节点间距设置得过小并没有实际意义。当节点间距为50m，其定位误差不超过50m。因此，在后面的分析中将节点间距设置为50m。

为了验证本文所述方法的鲁棒性，将一定的时间误差加在O1测量节点初始行波到达时间上；仿真结果如表3所示，可以看出，随着时间误差的增加，定位误差增大；时间误差主要来源于行波测量装置的时间同步误差和行波波头时间提取误差。因此，这种基于行波到达时间的故障定位方法对行波测量装置的同步性要求较高。

表3不同时间误差定位结果

3.3准确性分析

在配电网的故障中，单相接地故障约占总数的80％。因此，本发明首先以单相接地故障为例，验证所述定位方法的准确性。由于篇幅有限，仅给出故障点位于中间线路c和末端线路h时的仿真结果，如表4所示。

表4不同故障位置定位结果

根据表4，当故障点位于不同线路的不同位置，特别是故障点位于配电网络分支节点附近，都能够准确定位，可见本方法不存在伪故障点的问题。

3.4适用性分析

为验证本发明所述方法的适用性，在配电网络中任取几个位置设置故障点，依次改变仿真模型中的以下参数：1)故障类型；2)故障发生初始时刻；3)故障接地电阻，并分析其定位结果。

将故障点设于线路d上距离该线路起始点1.229km处，故障初始时刻t＝0.012s，接地电阻Rg＝10Ω；在仿真模型中依次修改故障类型为单相接地、两相接地、相间短路、三相短路故障。其定位结果都为：故障点所在线路编号为d，故障点距离线路起始点1.2km。可见本方法适用于不同的故障类型。

在仿真模型中线路e上距离该线路起始点3.823km处设置单相接地故障点，并给定接地电阻Rg＝10Ω；设置故障初始时刻t分别为0.05s、0.07s、0.10s和0.12s，以对应四种不同的故障初始角。其定位结果都为：故障点所在线路编号为e，故障点距离线路起始点3.8km。说明本方法不受故障初始角的影响。

故障接地电阻大小对故障定位有重要影响。为进一步验证该方法的适用性，在线路f上距离该线路起始点6.225km处设置单相接地故障点，故障初始时刻t＝0.012s。当接地电阻Rg分别为10Ω、50Ω、100Ω和200Ω，其定位结果都为：故障点所在线路编号为f，故障点距离线路起始点6.2km。说明本方法不受故障接地电阻大小的影响。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种中压配电网故障快速定位装置，其特征在于，包括监测前端、监测后台以及供电模块，所述检测前端包括数据采集模块、数据处理模块以及数据传输模块，所述监测后台包括服务器和计算机系统，所述数据采集模块的输出端经数据处理模块连接数据传输模块，数据传输模块连接监测后台，所述供电模块为监测前端以及监测后台供电。

2.根据权利要求1所述的一种中压配电网故障快速定位装置，其特征在于，在监测前端中，所述数据采集模块包括多个高速数据采集通道，用以将前端线路的运行状态信号经电压/电流传感器、信号调理电路和高速模数转换电路送至高速并行数据采集系统，高速并行数据采集系统连接存储器和定位模块。

3.根据权利要求2所述的一种中压配电网故障快速定位装置，其特征在于，所述电压/电流传感器采用互感线圈以实现输电线路上电压/电流的非接触式测量，信号调理电路对电压/电流传感器输出的电压信号进行处理以满足模数转换电路的模拟电压输入范围，模数转换电路采用采样速率为20MHz的12位ADC以满足行波信号的实时高速转换，高速并行数据采集系统采集所得数字信号并进行判断，当判断为故障信号时，调用定位模块，获取故障发生的时间、位置等信息，与故障电压/流波形数据一起存储在高速存储器中。

4.根据权利要求1所述的一种中压配电网故障快速定位装置，其特征在于，所述监测前端中，数据采集模块选用ARM芯片，用以将数据采集模块所得数据信息分析处理后，通过数据传输模块与监测后台进行交流，所述数据传输模块采用GPRS无线通讯方式。

5.根据权利要求1所述的一种中压配电网故障快速定位装置，其特征在于，所述监测前端中，系统供电模块与远程终端单元提供的标准电源接口兼容，从远程终端单元设备上获取电能，为各模块提供相应条件的电源驱动。

6.根据权利要求1所述的一种中压配电网故障快速定位装置，其特征在于，所述监测后台的计算机系统和服务器用以提供基于LABVIEW的实时监测管理系统，接收、记录并分析前端传回的电压/流波形、时间、位置等数据信息，实现输电线路电压/流的实时在线监测和基于地理信息系统的故障定位，并根据实时监测信息和后台工作要求下达相应的控制和保护指令。

7.一种中压配电网故障快速定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)通过数据采集模块实时监测输电线路末端节点和分支节点的行波数据；

步骤2)当配电网系统出现故障时，提取线路上已知监测节点的行波到达时间以及故障点的行波到达时间，利用相关性系数衡量位置故障点行波到达时间序列与已知节点行波到达时间序列的接近度，更具接近度确定定位到故障点范围。

8.根据权利要求7所述的一种中压配电网故障快速定位方法，其特征在于，步骤2)中相关性系数选用皮尔逊相关系数r，其表达式：

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其中，故障点行波到达所有监测节点的时间序列为A＝{a₁,a₂..a_n}，已知单个监测节点到达所有监测节点的时间序列为B＝{b₁,b₂..b_n}，n序列长度，表示序列序列A和序列B的平均值，该系数越接近1，则该故障点与该已知节点越接近，当系数为1时，即故障点与已知节点重叠。