一種配電網架空線路故障的監測系統的製作方法
2023-06-14 11:32:51
本發明屬於檢測領域，尤其涉及一種用於配電線路故障的監測系統。
背景技術：
電力系統中電源來自發電廠，並通過高壓或超高壓輸電網絡傳送到負荷側，然後由電壓等級較低的網絡把電能分配到不同電壓等級的用戶，這種在電力網中主要起分配電能作用的網絡就稱為配電網絡，簡稱配電網。
配電網作為智能電網中處於核心地位，近年來，電力公司大力發展配電網產業，致力於建立高效、穩定、可靠的配電網。
當今，配電網的發展遇到了線路故障檢測與故障排除的難題，尤其在偏遠山區和地形極其複雜的地區尤為突出。
故障指示器作為配電網故障定位有效的輔助手段，越來越被電力電網公司認可，並在將來會在配電網線路中大量裝設。
配電網中多發生的故障類型主要有短路故障與接地故障；短路故障有三相與兩相短路之分；接地故障類型種類繁多，一般主要是單相接地故障，對其進行判斷與定位一直是世界性的難題；三相線路發生接地故障時，雖然三相線路中的電流、電壓及其矢量合成依然對稱，不影響整個配電網的正常工作，但是小電流接地故障會產生過電壓現象，極易導致嚴重的電力事故，配電網長期處於小電流接地故障運行狀態時，會存在極大的安全隱患。
短路故障可以通過簡單的故障指示器進行翻牌指示定位故障點，而接地故障可以根據電容電流的幅值進行閥值判別，確定故障，但是一直以來，架空線路接地故障的電容大小受到其他因素的影響，一般接地電流較小，難以通過判斷閥值的情況確定定位接地故障。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種配電網架空線路故障的監測系統，其通過故障指示器同步採集各段線路故障電流的故障數據，並復現故障時刻的三相電流波形，可以通過保護算法計算零序電壓與電流，輔助判斷接地故障，大大提高接地故障判斷的準確性。
本發明的技術方案是：提供一種配電網架空線路故障的監測系統，包括安裝在配電網架空線路各個監測點上的故障指示器和設置在監控中心的系統主站，其特徵是：
在配電網架空線路沿途若干個杆塔的A、B、C三相架空線路上，分別對應設置一個故障指示器，所述的三個故障指示器分別對A、B、C三相線路進行故障監測和故障指示；
在故障指示器所在的杆塔上，設置一個監測通信終端；
所述的三個故障指示器與同塔杆上的監測通信終端對應設置，構成一組配電網故障現場監測單元；
所述的三個故障指示器之間，以及故障指示器與同塔杆上的監測通信終端之間，設置有短距無線通訊網絡；
所述的監測通信終端經GPRS無線網絡與系統主站進行遠距離無線網絡連接；
在每條從變配電所至電力用戶之間的配電網架空線路上，設置有多組所述的配電網故障現場監測單元；
所述的故障指示器同步採集各段線路故障電流的故障數據，並復現故障時刻的三相電流波形，計算零序電壓與電流，輔助判斷接地故障，以提高接地故障判斷的準確性；
在正常運行時，故障指示器檢測對應相線路的線路故障，當檢測出三相線路中有一相線路發生故障時，故障相電流出現明顯變化，故障指示器立即喚醒其中的CPU，記錄當前時刻故障時標及對應的實時採樣數據；此時，故障相線路的故障指示器觸發另外兩相線路的故障指示器，記錄故障時標和對應相線的實時採樣數據，開始數據「錄波」，並將帶有故障時標的三相故障指示器採樣數據主動上報監測通信終端；通信監測終端對線路故障相時標基準與另外兩相非故障相線路的時標計算偏差之後，重新召喚時標偏差相所在故障指示器的周波採樣數據傳輸至通信監測終端；通信檢測終端將採樣的故障數據通過遠程通訊系統傳輸至系統主站，主站系統通過數據融合復現故障時刻的三相電流波形，並計算出零序電壓與零序電流，依據預定的判斷條件來區分故障點線路是接地故障還是短路故障，根據故障種類的不同，採取對應的措施有效隔離線路故障，提高接地故障判斷的準確性。
具體的,所述的故障指示器實時監測線路的電流和對地電場，就地檢測短路故障，並在線路電流或電壓異常變化時觸發錄波，通過安裝在杆塔上的通信檢測終端，將短路故障遙信信號和錄波波形以遙信信號的形式上傳給系統主站，系統主站軟體根據遙信信號進行短路故障定位，並根據錄波波形對配電網架空線路進行接地故障檢測定位，指導運維檢修工作，提高電網的可靠性。
進一步的，所述的故障指示器按照下列預定的判斷條件，來判斷架空線路是否發生了短路故障：
對於某個故障指示器而言：
1)故障指示器前面的線路有電；
2)故障指示器所在線路中出現突變電It≥200A，It為突變量電流啟動；
3)故障指示器所在相的線路中大電流持續時間0.02s≤△T≤3s，△T為電流突變時間；
4)故障指示器後面的線路停電；
當以上四個條件同時滿足，所述的故障指示器檢測判斷該故障指示器所在位置後面的線路出現短路故障。
進一步的，所述的故障指示器按照下列預定的判斷條件來判斷架空線路是否發生了接地故障：
對於某個故障指示器而言：
1)故障指示器所在相的線路中有突然增大的暫態電容電流：檢測接地瞬間的暫態電容電流大於一定數值；
2)故障指示器所在相的接地線路電壓降低3kV以上；
3)故障指示器所在相的線路未停電。
以上三個條件同時滿足時，則所述的故障指示器判斷該故障指示器所在位置的線路後面出現接地故障。
與現有技術比較，本發明的優點是：
1.可以精確的計算出三相電流的數據，並復現故障時刻的電流波形；
2.與傳統的故障指示器相比，添加同步錄波功能，及其復現故障時刻電流波形，可以更加精確的判斷接地故障；
3.擁有同步授時的觸發裝置，更加精確的同步授時，零序電壓與電流的計算更加精確。
附圖說明
圖1是本發明的系統結構示意圖；
圖2是本發明同步技術故障錄波的流程示意圖；
圖3是短路電流故障判據示意圖；
圖4是接地故障檢測判據示意圖；
圖5是短路故障示意圖；
圖6是短路故障錄波結果示意圖；
圖7是線路運行方式拓撲視圖；
圖8是線路運行方式意圖。
圖中1為故障指示器，2為監測通信終端，3為配電網架空線路，4為GPRS無線網絡，5為系統主站，6為故障點。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步說明。
傳統的故障搶修主要通過調度下發或用戶報修得知線路有故障發生，然後花費大量人力、物力對線路進行拉網式巡查或逐級排查找到故障點，再將故障處理後恢復供電，這種盲目式的配網故障處理方式導致故障搶修較為被動，需要花費大量的時間確定故障點，費時費力；尤其是配網系統的單相接地故障，單相接地故障查找難度大，故障監測系統準確率不高，成為影響故障停電的主要因素。
圖1中，本技術方案提供了一種配電網架空線路故障的監測系統，所述的監控系統包括安裝在配電網架空線路各個監測點上的故障指示器和設置在監控中心的系統主站，其發明點在於：
在配電網架空線路沿途若干個杆塔的A、B、C三相架空線路3上，分別對應設置一個故障指示器1，所述的三個故障指示器分別對A、B、C三相線路進行故障監測和故障指示；
在故障指示器所在的杆塔上，設置一個監測通信終端2；
所述的三個故障指示器與同塔杆上的監測通信終端對應設置，構成一組配電網故障現場監測單元；
所述的三個故障指示器之間，以及故障指示器與同塔杆上的監測通信終端之間，設置有短距無線通訊網絡；
所述的監測通信終端經GPRS無線網絡4與系統主站5進行遠距離無線網絡連接；
在每條從變配電所至電力用戶之間的配電網架空線路上，設置有多組所述的配電網故障現場監測單元；
所述的通信監測終端與故障指示器利用超聲波或紅外輔助同步授時裝置進行同步授時；當通信監測終端發送授時命令時，三相線路上的故障指示器同時接受到觸發信號，並開始同步對時；在運行過程中，周期性進行同步對時，以保持故障指示器長期運行情況下的三相故障指示器中的時鐘保持同步精度；
圖2中，在正常運行時，配電網架空線路故障的監測系統中的故障指示器的CPU處於休眠狀態，此狀態下故障指示器的AD模塊進行高速採樣，通過DMA模塊將實時的採樣數據傳輸至故障指示器的內存儲器，內存儲器的緩存區通過循環輪轉的方式一直保存最新的數據，CPU通過定時中斷在T間隔內被喚醒，CPU被喚醒後處理被大量存儲的採樣數據，得到三相線路運行數據的遙測值；
在正常運行時，配電網架空線路故障的監測系統中的故障指示器檢測對應相線路的線路故障，當檢測出三相線路中有一相線路發生故障時，故障相電流出現明顯變化，故障指示器立即喚醒其中的CPU，記錄當前時刻故障時標及對應的實時採樣數據；此時，故障相線路的故障指示器觸發另外兩相線路的故障指示器，記錄故障時標和對應相線的實時採樣數據，開始數據「錄波」，並將帶有故障時標的三相故障指示器採樣數據主動上報監測通信終端；通信監測終端對線路故障相時標基準與另外兩相非故障相線路的時標計算偏差之後，重新召喚時標偏差相所在故障指示器的周波採樣數據傳輸至通信監測終端；通信檢測終端將採樣的故障數據通過遠程通訊系統傳輸至系統主站，系統主站通過數據融合復現故障時刻的三相電流波形，並計算出零序電壓與零序電流，區分故障點線路是接地故障還是短路故障，根據故障種類的不同，採取對應的措施有效隔離線路故障，提高接地故障判斷的準確性。
當發生單相線路故障時，觸發故障相線路上的故障指示器進行故障錄波，採集故障時標和實時採樣數據，同步觸發其他兩相線路的故障指示器記錄故障時標和實時採樣數據。錄波數據按照規定的通信格式通過無線傳輸，監測通信終端接收數據幀後，在此前已採樣帶時標的數據中提取故障時刻非故障電流採樣數據，及時復現故障時刻電流波形，更精準判斷線路故障。在同步觸發錄波過程中，必須保證故障指示器處於無線接收狀態。使用規定的應答機制，確保故障指示器與監測通信終端連結正常。
本技術方案在監測線路工況時，採用短距無線和遠程無線混合組網技術，運用各種網絡拓撲，主動定期的上報故障狀態，通信傳輸雙向確認和重傳，已確保數據傳輸過程中的可靠性。故障指示器的故障傳輸時間可通過人為設置，更靈活地實時掌握線路運行狀態，同時可有效降低無線通信流量資費，確保成本控制。
監測通信終端是故障指示器與系統主站交互的橋梁，藉助短距離無線和遠程無線混合組網技術，使得監測通信終端具有通道監視、切換及故障報警能力，支持系統診斷、自愈以及通信中斷恢復後數據續傳功能。監測通信終端具備無線通信能力，可通過遠程控制來修改設備參數、整定值。通過採用太陽能和免維護蓄電池主備供電的高可靠電源系統，保證系統穩定可靠，主站工作人員可對線路工況信息和故障信息實時監測。
具體的，監測通信終端利用短距離無線網絡技術接收故障指示器發送來的線路故障信息、負荷電流數據，支持星形拓撲網絡結構；藉助基於2.5G/3G無線網絡的電流VPN專網與系統主站建立通信，將線路運行數據信息上傳至主站，實現對配電網絡的故障信息和運行工況的監測。單元支持IEC101、IEC104等規約，可擴展。通信模塊的工業設計採用國際主流廠商工業級無線通信晶片，具備通道監測、通道切換和故障報警功能，支持系統診斷和自愈；支持通信中斷恢復後數據續傳，防止數據丟失。
位於監控主站中的主站軟體平臺，依託大數據綜合處理系統，將高精度、高採樣率的電流錄波數據和負荷電流檢測數據，進行軟體處理和分析，得到轉供、線路拓撲調整的諧波電流監測曲線，進而分析故障發生、演變的過程，進行故障溯源饋，準確識別短路、接地故障，精確定位故障區段。監控主站將處理好的故障信息和定位故障區段通過GPRS通信方式，上發給巡線工作人員，指導故障巡線、運維檢修工作，以提高供電可靠性。
藉助基於大數據的配電線路波形綜合監測系統和分析技術，本技術方案可以對包括線路故障、線損、電能質量等線路狀態進行分析，為優化配電網結果提高全面可靠的數據支撐。
其採用模擬量及數字量方式的數據採集和整合功能，集成在線監控應用軟體實現遙測，遙信，遙控及故障線路保護功能。
研究發現，通過DMA採樣會大大增加系統功耗。
本技術方案結合CPU的低功耗特性，通過時分復用的方法，在系統採樣和CPU功耗之間取得平衡。
故障指示器檢測線路故障，可杜絕誤動、拒動。在識別線路故障工況後，準確檢測相間短路、單相接地等，通過信號處理和運算，自動確定故障電流報警動作值；有效防止負荷波動、合閘勵磁湧流等導致的誤動、拒動；具有反時限動作特性，最大限度地配合變電站保護特性，避開瞬時擾動，確保動作正確。
當出現故障，利用安裝在故障指示器內部超高亮的LED，通過其360°全視覺的狀態指示，通過多種閃爍頻率組合顯示當前線路的工況，合理判斷故障情況，並反饋給工作人員做相應處理。線路故障消除恢復供電後，可多種復位方式對故障自動復歸、置位。
故障指示器通過集成的監控軟體對採集來的數據進行數據處理和計算，實現遠程遙測功能，其功能特性如下：
a)直接採集遙測量：包括Ua、Ub、Uc、Ia、Ib、Ic等模擬量。
b)計算得到下列遙測量：
(1)三相線電場強度、負荷電流、突變量電流、溫度、後備電池電壓、取電電壓；零序電流、零序電壓；
(2)頻率；
(3)信號強弱；
(4)可對遙測死區範圍設置功能；
(5)具有歷史數據存儲功能，存儲間隔最小30秒，存儲容量大於30天。
故障指示器在線路自主運行工況下，通過遠程無線維護運行參數，更新故障判據或升級軟體程序。這樣方便靈活，可維護性強。
本技術方案中的監測通信終端主要依靠20W太陽能電池板、超級電容與免維護鉛酸蓄電池組成高冗餘、高可靠性電源系統，其與主站通訊主要依靠電力101、104規約。支持分布式饋線自動化，同時支持開關遙信、遙測、遙控信號量和DC24V可控遙信電源/遙控電源，開關電源操作。監測通信終端在工作狀態下，推薦使用交流電源供電。
監測通信終端採用低功耗CPU和工業級無線電通訊模塊，實現了監測通信終端與故障指示器、監測通信終端與系統主站之間的通訊和信息交換，以及極低功耗實時雙向的通信功能。
監測通信終端內置可選配的GPS授時模塊，安裝高增益有源天線，授時精度可達1us,通過使用短距無線進行無線授時，自動校準裝置時鐘，可以使線路監控器獲得±100us精度的精度絕對時標。當接收不到對時命令時，具備守時功能。支持GPS對時，自適應秒脈衝/分脈衝/B格式。
監測通信終端能依據交流採樣的三相電流、電場相互合成電流、電場信號，可實現接地故障就地精準檢測、定位故障波形上傳至主站系統，用於線路故障分析、反演及溯源；能進行遙信信號的合併等簡單計算。
監測通信終端採樣太陽能電池板作為主電源，同時採用免維護長壽命可充電蓄電池作為備用電源。在有太陽能供電的情況下，優先使用太陽能電源板供電；在沒有太陽能的情況下，使用備用電源供電，備用電源可以支持監測通信終端連續工作在通信狀態下15天(持續天數與選擇的備用電池容量有關)，不需補充能量。內置的高性能處理器根據對太陽能電源板和膠體蓄電池的實時監控結果，在主電源和備用電源之間進行切換。
監測通信終端的設備可方便地通過遠方維護主站進行程序升級，支持多個監測通信終端批量、逐個的自動維護和升級，操作安全簡便。同時，支持簡訊管理功能。每臺自治型本地自治型饋線自動化終端系統模型僅能包含局部模型，即內部有且僅能包含接入配電終端對應的開關信息以及相鄰的開關信息。添加、刪除或添加配電一次網絡時，僅需修改對應站點的控制器參數以及電氣相鄰控制器的參數，其他控制器參數不應有變化。
監測通信終端能夠在沒有系統主站參與的條件下自動實現故障定位、故障在線監測，針對不同的饋線保護和一次設備，具備相應的自動動作機制。
當線路發生短路，接地、停電和送電等運行狀態變化時，故障指示器檢測到變化的信號，並判斷線路是否發生了故障，故障點前到變電站故障迴路上的所有指示器都會動作，並現場給出指示。
監測通信終端採用短距無線和遠程無線混合組網技術，支持複雜的網絡線路拓撲結構；主動定期的每隔一段時間上報線路工況狀態(上報時間可自行設置)，具有通信傳輸雙向確認和重傳功能，確保數據傳輸過程中的可靠性。隨時掌控線路實時運行狀態，杜絕一天一醒、一睡不醒的現象，同時可降低GPRS流量資費。線路同時通過多種閃爍頻率組合顯示當前的工況，消除回復供電後可自動復位；故障狀態可通過手動或無線組網自動復位、置位。
故障指示器將監測的短路，接地、停電、送電、電流和溫度等信息通過短距離射頻信號傳輸到監測通信終端，再經由監測通信終端通過GSM/GPRS將信息發送到工作主站，主站通過線路顏色的變化閃爍直觀顯示確定故障所在區段，同時彈出對話框提示報警，並以簡訊息的形式發送故障點信息到巡檢員手機。
圖3中，配電線路發生相間短路時，變電站和故障點之間的迴路上會流過很大的電流，繼電保護裝置啟動保護，線路跳閘。綜合以上情況，短路故障判據有以下4個條件：
對於某個故障指示器而言：
1)故障指示器前面的線路有電；
2)故障指示器所在線路中出現突變電It≥200A，It為突變量電流啟動；
3)故障指示器所在相的線路中大電流持續時間0.02s≤△T≤3s，△T為電流突變時間；
4)故障指示器後面的線路停電；
當以上四個條件同時滿足，所述的配電網故障監測系統檢測判斷該故障指示器所在位置後面的線路出現短路故障。
這裡的故障指示器的「前面」和「後面」的概念，是將變電站至某個故障指示器之間的線路敘述成是該故障指示器的「前面」，將某個故障指示器至用電終端之間的線路表述成是該故障指示器的「後面」，是業內的習慣性說法。
採用速斷過流兩段式電流保護原理，同時檢測線路運行狀態，可有效抑制合閘、重合閘湧流以及反饋送電誤動作，可在線調整參數，檢測更靈敏可靠。如將速斷、過流定值參數都設置為700A，速斷、過流延時參數不變，就轉換為自適應負荷電流的過流突變判據。
圖4中，線路發生單相接地時，根據不同的接地條件(例如金屬性接地、高阻接地等)，會出現多種複雜的暫態現象，包括出現線路對地的分布電容放電電流，接地線路對地電壓下降。綜合以上情況，接地判據如下：
對於某個故障指示器而言：
1)故障指示器所在相的線路中有突然增大的暫態電容電流：檢測接地瞬間的暫態電容電流大於一定數值；
2)故障指示器所在相的接地線路電壓降低3kV以上；
3)故障指示器所在相的線路未停電。
以上三個條件同時滿足時，則所述的配電網故障監測系統檢測判斷該故障指示器所在位置的線路後面出現接地故障。
線路出現接地故障後就地翻牌發光顯示，並把故障信息傳送到系統主站。
通過獲得故障時刻前後整個配電網線路上各處的零序電流，進行網絡化分析，可以檢測定位小電流接地系統單相接地故障。
當單相對地電場發生突然上升或下降並超過一定比例，相電流發生特殊模式的變化，就會觸發錄波。
在本技術方案中，配電網架空線路智能故障指示器就地檢測短路故障，巡線定位，配網自動化主站根據短路故障遙信定位。短路故障定位如圖5中所示。
短路故障現場錄波結果如圖6中所示。
在接地故障處理過程，發生接地故障線路的短路故障錄波結果如圖7中所示，可見在架空線路發生接地故障的那一相線路(稱之為故障相)的零序電流存在一個高頻暫態過程，故障指示器捕獲這個高頻暫態零序電流信號，配合零序電場信號，即可實現就地檢測小電流接地故障的功能。
在本技術方案中，不論小電流接地配電網採用的是不接地方式，還是經消弧線圈接地方式，都會在故障發生瞬時產生一個持續時間在5～20毫秒的暫態過程，暫態過程期間，零序電流i0上會產生幅值較大的高頻暫態信號。
主站按照定位短路故障同樣方法，根據小電流接地故障遙信信號，即可定位小電流接地故障的發生地點。
根據圖8中所示，故障線路和非故障線路的暫態零序電流波形不相似；
故障線路上故障電流路徑上的暫態零序電流波形相似；
故障線路上故障電流路徑上和非故障電流路徑上的暫態零序電流波形不相似。
據此，本技術方案即可實現聯網檢測定位功能。
換句話說，當某一條線路發生短路，接地、停電和送電等運行狀態變化時，在該線路上的各個故障指示器檢測到變化的信號，並判斷線路是否發生了故障，故障點前到變電站故障迴路上的沿途線路上的所有指示器都會動作，並現場給出指示。
本技術方案包括電源信號採集、故障檢測、故障錄波、信息遠傳、始終同步、超低功耗控制等功能模塊，可實現故障錄波與數據遠傳功能。其基於裝置的在線故障錄波數據，分析故障發生時相鄰裝置數據波形的不同特徵，有效判斷短路和接地故障，並定位故障點。採用單相接地故障定位算法，在故障在線檢測領域取得突破性進展，同時，本技術方案可以大大提高配電網運行的可靠性和效率,提高供電質量、降低勞動強度和充分利用現有設備的能力，從而對用戶和電力公司均能帶來可觀的效益。
本技術方案通過故障指示器同步採集各段線路故障電流的故障數據，並復現故障時刻的三相電流波形，可以通過繼保系統的保護算法計算零序電壓與電流，按照預定的判斷條件判斷線路故障的種類，大大提高了接地故障判斷的準確性，可為配電自動化的大規模應用打下技術基礎，對現場的配電自動化實用化運行水平的提高，有著較大的理論研究價值和實踐應用價值。特別適合中小城市配電網自動化建設模式或大型城市配電網自動化改造補充項目。