6kV配电网线路故障自动定位系统.docx
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6kV配电网线路故障自动定位系统
一、6kV配电网线路故障自动定位系统的诞生背景
二、信号注入法的基本原理及实现
（一）信号注入法基本原理
（二）信号注入方式
（三）信号注入检测
三、配电网线路接地故障自动定位系统设计
（一）系统硬件组成
（二）系统软件组成
四、效益分析
（一）社会效益
（二）经济效益
（三）综合效益
一．线路故障自动定位系统诞生背景
输电系统采用的直接接地方式为中性点接地，与之不同的中低压配电系统的接地方式通常采用经电阻或消弧线圈接地，或者直接中性点不接地，这被称作小电流接地系统，也称为中性点非有效接地系统。
三相线电压在当单相接地故障发生在小电流接地系统中后依然对称，系统可保持1-2小时的运行时间。
而带来的问题是非故障相的对地电压却变为原来的
倍，其绝缘可能在长期运行时被损坏，使故障进一步加剧。
因此，快速确定故障点和故障线路就显得非常重要。
但由于发生单相接地故障后存在故障特征不明显的问题，因此也就带来了电力系统的一大难题—如何检测小电流单相接地故障。
基于信号注入法的原理,本文提出了一种配电网单相接地故障的自动定位系统，并研发了相应的自动定位的软件系统和硬件设备。
通过上位机软件和探测装置系统间的可靠通信，实现了配电网单相接地故障的准确定位，解决了传统信号注入法固有的定位自动化程度不高的问题。
现场试验验证了系统的优良性能。
二、信号注入法的基本原理及实现
在系统故障时向系统注入检测信号电流是信号注入法的基本原理，故障定位和选线则是通过注入信号特征和路径的检测、跟踪来实现，是目前单相接地故障检测在中低压电网中一种行之有效的方法。
灵活性是信号注入法最大的优点，各种接线方式和结构的配电系统都适用。
（一）信号注入法基本原理
在小电流接地的电力系统中，负荷中性点和电源均不接地，经过设备的对地耦合电容整个系统于大地连接。
三相电压在常运行情况下均为正常对称相电压，二次侧电压分别为
，零序电压为零。
三相线路对地电容C0，每相的电容电流都会流入大地，并且相电压超前90°，而线路的三相电容电流之和等于零。
假设在A相线路中发生单相接地短路，对地电压在A相为零，将对地电容短接了，导致流过电容的电流为零，在其他两相对地电压升高为相电压的
倍，对地电容电流相应的也增大为
倍，相对于故障前三相负荷电流对称没有变化，而三相的线电压仍然是对称的。
因此故障判别并对故障相别进行判断可以可靠的通过检测系统电压变化得到，但由于特征不是很明显的故障电流，故障区段和故障线路很难仅仅依靠故障特征量判别出来。
为了解决这一问题提出了信号注入法，图2-1所示为其原理示意图。
图21信号注入法原理示意图
通过对电压的变化进行检测，系统将A相接地故障判断出来以后，立即通过信号注入设备注入特定频率信号到中性点入[37]，该信号在接地点、信号源以及大地间形成回路，如图中虚线所示。
注入信号的流通的特点可以由图得出：
1）注入信号不会流入无接地故障的线路中，其仅流通于故障线路中。
2）在接地点和变电站之间的一段线路是注入的信号电流的唯一通路，接地点越过后，将不再存在注入信号。
3）在有分支在接地点与变电站之间存在时，无接地故障的分支中也不会流入注入信号。
根据特点1）只要无注入信号电流在各出线中检测到，故障线路可以方便地找出，单相接地故障选线就可以基于注入信号电流实现。
注入信号探测装置可以根据特点2）和特点3），可在线路沿线和分支始端配置，接地点区段和接地分支可通过检测有无注入信号查找出，从而实现接地点的定位。
（二）信号注入方式
由上面分析可知，只要注入诊断信号系统中性点处即可使用信号注入法定位故障区段，但考虑到在一次系统中电压的数值都较高，要求注入一次侧的信号源的特性要非常好。
一般通过注入信号源到故障系统中，这样也节省了投资。
主要的注入方式如下：
1）利用接地相电压互感器的二次侧
单相接地故障在小电流接地系统发生后，在电网接地相中对地电压变为零，这一相电压互感器的一次绕组相当于短接了，工作的状态处于暂时停止，正是利用了这一特点，利用它可以向电力系统中外加的诊断信号[38]。
以图2-1所示系统为例，在发生了单相接地故障后，通过TV二次侧注入诊断信号后所形成的信号通路如图3-7中虚线①②所示。
图22通过TV注入信号的原理示意图
2）利用消弧线圈的副边向系统中注入信号
接入消弧线圈到注入信号源的副边，在系统中发生单相接地故障时，控制信号源向系统注入诊断信号可以通过检测故障前后电压的变化[12]。
需特别注意一点，选用这种方式在发生故障后已有较高的工频电压在电网的中性点与地之间，注入信号源投入后，在系统中注入诊断信号时，在其自身上要作用较高工频电压。
为了防止弱电的信号源被工频强电击毁，为防止强电的侵入应设置工频阻波电路。
3）利用星形接线的三相补偿电容
加装一个具有较高短路阻抗的接地变压器在采用星形连接方式的三相补偿电容的中性点与大地之间，并接入注入信号源在变压器二次侧。
在系统正常运行时三相对地电压是对称的，大地与中性点间的电压等于零，这个时候信号源将不再工作，当在系统中有单相接地故障发生后，将会提高中性点的电压，注入信号源，往系统中注入将高频信号。
（三）信号注入检测
如前所述，在使用注入法实现时单相接地故障定位需要检测线路中有无注入信号的，将故障消失的区段判断出来。
因此对于注入法定位来说注入信号的检测这一问题也很重要。
单相接地故障在系统中发生后如果继续运行，负荷电流将远远大于注入信号电流，为此必须采取适当的措施检测注入信号，对注入信号频率的要使用灵敏度很高的检测装置检测。
目前一般有利用通过电流互感器和专用信号探测器两种方法进行注入信号的检测。
1）通过专用信号探测器进行注入信号的检测
电磁感应原理是专用信号探测器所利用的原理，注入信号电流使得无线接收产生的磁场，线路中的信号电流被以非接触的形式进行探测。
磁场法是利用注入信号电流产生的磁场，通过感应线圈在空间接收这一磁场，线路电流的零序量可以被接收到。
现场是否安装零序电流互感器的限制是该方法的优点。
在我国，大多数仅装两相CT在小电流接地系统中，限制了基于单相接地故障选线定位保护零序电流故障量的应用。
因此，任何配电系统能应用磁场探测法探测注入信号的电流。
在空间中不仅有注入信号磁场存在，还包含有工频磁场以及谐波磁场等，因此不仅在专用信号探测器上要有接收电路还须有将干扰及工频信号滤掉的滤波电路。
以前大部分采用模拟式的专用信号电流探测器，使用不方便、抗干扰能力差、体积大，在此基础上本系统开发的信号电流探测器采用数字式，图3-8所示为其原理框图。
图23数字式信号探测器原理示意图
下面介绍本系统中应用的数字式信号探测器的构成：
（1）接收信号部分
使用在圆柱上采用细铜丝紧密绕制成的线圈作为信号接收部分，利用电磁感应原理，接收空间中的磁场。
（2）模拟信号处理
模拟信号处理由选频放大和工频陷波两大部分组成。
工频陷波使用RC双T带阻滤波电路，主要用于滤出工频信号。
采用RC双T反馈带通放大电路来做选频放大用，中心频率
，如图2-4所示。
图24模拟滤波电路
（3）数字信号处理
因为受到模拟滤波精度的影响，在模拟滤波后的信号中仍然有大量的工频谐波和高频信号，计算之前还需进行数字滤波。
数字滤波由差分滤波和带通滤波组成，工频谐波分量、工频量以及恒定直流分量被差分滤波器滤除；带通滤波采用MATLABFDT设计的101阶FIR带通滤波器。
滤波公式为：
差分滤波：
带通滤波：
数字滤波器以后信号中基本只包含
的正弦量，此时其幅值大小就可以利用傅氏算法算出。
（4）提取注入信号从零序电流互感器中
安装有零序电流互感器的线路适用于这种方式，三相电流互感器二次侧通过电缆连接至检测电路，二次电流经过模拟预处理、电压形成、隔离变换后，变成能够输入到数据采集系统中幅度适当的电压信号，TA二次电流的采样值可以通过对其进行相关的频率采样。
在这一采样值信号中既包含了经
点差分滤波后注入的诊断信号电流也包含了谐波零序电流及工频基波，仅保留了诊断信号谐波电流及工频基波被滤除，在
点上应用全波傅氏算法，诊断信号电流的幅值就可以被计算出来。
其处理过程与专用数字信号处理探测器过程相类似。
还应该注意的一点是，因为被信号源容量等因素限制，注入一次系统中的信号本来就很小，从经过零序CT变换又零序CT二次侧测量，与就更不明显于其他频率的信号了。
因此一般在数字处理之前，通过选频放大电路将注入信号进行放大，以便进行区分有无信号。
所以与专用信号探测器预处理相比，在这一方式下，采用的信号预处理电路是相似的。
三、配电网线路接地故障自动定位系统设计
单相接地故障在小电流接地系统中发生后，注入诊断信号到故障线路中，故障点确定可以通过查找信号消失的点即可，实现了小电流接地系统自动定位单相接地故障区段。
（一）系统硬件组成
基于信号注入法原理实现的配电系统自动定位系统由通信系统、信号探测装置和监控主机三部分构成，变电站里配置监控主机，必须安装网络拓扑软件和定位算法；注入信号的大小由安装于配电线路的分支开关所在位置的信号探测装置、分段开关检测；两者间的通信由通信系统实现。
图31自动定位系统在小电流接地系统单相接地故障中的组成
上图所示为接地故障检测系统在小电流接地系统中的组成，包括故障启动、故障选线和故障定位。
由启动部分的任务选线定位主机完成，根据三相零序电压变化确定故障定位系统在故障发生后启动，故障相别判断，注入信号源被启动向系统中注入信号。
同时故障选线的功能也存在于选线主机上，通过对各条出线注入信号电流大小的测量、采集探测装置，对各信号的大小进行比较，发生接地故障的线路判断出，接地选线功能即完成。
定位部分是本文所关注的，主包括以下三部分：
1）信号探测装置：
在线路沿线配置，处理计算、和提取注入信号，上传给自动定位软件系统已经得到的信号大小。
受安装条件和投资等因素的限制，探测装置的安装只能在有限的测量点上，因此对故障精确定位只能在相邻探测装置安装点之间的区段，也不可能精确到点。
2）自动定位软件：
将其安装于监控主机上，用于配置在主控制室内的PC机。
其可以实现自动定位、网络拓扑分析等功能，以下称上位机，将定位软件称之为上位机软件。
监控主机的主界面在正常运行时为所监视系统的一次接线图。
发生接地故障之后，采用数据表格、图像、声音等方式为检修和运行人员提供故障信息。
3）通信系统：
实现上位机系统和远方终端之间的通信，由远方终端数据的上传和上位机命令的下达组成。
本系统采用GPRS数据传输为主，辅助GSM短消息传输，包括终端客户端和上位机服务器。
（二）系统软件组成
在对本系统主要部分进行分析的基础上，确定自动定位系统在本配电系统单相接地故障时的总体结构如图3-2所示。
1）人机交互模块
主要完成配电网各种信息数据（信号探测装置读数等）查询、显示、以及自动显示故障区段和修改和建立报警网络的拓扑、元件参数维护等功能。
2）故障自动定位模块
结合配电网拓扑结构，根据上报的远方检测装置数据，故障区段自动定位、显示和报警功能则根据自动定位算法完成。
3）通信模块
为了系统自动定位的实现，必须通过系统软件给探测装置下发读数据命令、参数命令等。
同样注入读数和信号参数等信息也需上传给系统中心。
因此，两者之间的通信是实现自动定位的关键。
考虑到种类繁多的远方探测装置（故障指示器、信号探测装置等），故采用了GPRS数据通信、GSM短消息以及RS232串口通信等多种通信方式，以使系统的适用性增强。
图32系统总体结构
四、效益分析
（一）社会效益
传统的事故查找需要出动外线工少则4、5人，多则7、8人沿着线路检查，对于故障隐蔽的线路，往往要一整天才能找到故障点，孤岛电网接地故障自动定位能够系统自动找出故障点，只需工作人员根据故障识别系统提供的方位，直接到故障点进行处理即可，降低事故巡线时间，降低工人劳动强度，提高工作效率。
下面是2012年8-9月份东水线和孤四北线出现故障时实际定位情况。
我们技术人员对发生的4次短路故障的巡视过程进行了现场跟踪调查和统计，发现根据系统的指示每次花费几分钟的时间均能查找出线路发生的故障段。
据统计平均故障时间8分钟。
表1：
孤四北线和东水线现场实际发生故障定位情况记录表
序号
事故日期
事故时间
故障点确定时间
恢复
时间
线路名称
保护动作
故障指示情况
事故原因
11
8月31日
20:
00
20：
30
20:
45
东水线
速断
57-62号杆之
间出现故障
58#杆FTU断线
22
9月2日
17:
00
17:
22
17:
40
孤四北北线
速断
68#杆之后
3-30避雷器爆
33
8月24日
7:
15
7:
45
10:
15
东水线
过流
62支28#杆
62Z3#杆5－1有鸟电死搭横担上
44
9月13日
9:
55
10:
14
10:
53
孤四北线
速断
11#分支故障
648－13井另克上引线断
（二）经济效益
下表为1-8月份部分线路发生的事故和故障产量损失统计表，2011年1-8月份共发生事故和故障43起，可估算经济效益2.05×43元=88.236万元。
表2：
1-8月份部分线路发生的接地故障产量损失统计表
序号
线路名称
2011年和2012年停电时间对比（分）
平均产量（T\D）
产量损失（T）
合人民币（万元）
1
孤四北线
72
96
4.8
0.96
2
垦90南线
43
91
2.72
0.54
3
垦90北线
53
152
5.59
1.19
4
电南线
37
32
0.82
0.16
5
新南线
147
392
40
8.00
6
北干北线
47
26.2
0.86
0.17
7
渤89线
31
91
1.96
0.39
8
孤六南线
14
327
3.18
0.64
9
中六站线
114
540
42.8
8.55
10
孤三联线
51
71
2.51
0.50
11
孤六西线
67
183
8.51
1.70
12
垦71乙线
74
183
9.4
1.88
合计
123
24.62
平均
2．05
（三）综合效益
减少电气设备带故障运行时间，降低对线路设备的危害,延长线路设备的使用寿命。
接地故障查找时间长，电力设备长期带故障运行，不仅给电网的电器设备设施带来极大损坏，加速整个线路的接头老化，接头打火，设备的绝缘就会大大降低，引起更大的事故隐患，还可以对靠近的人员和牲畜造成安全事故。
故障定位系统及时准确定位使电器设备及时恢复正常供电，大大减少设备的损耗，延长线路设备的使用寿命，从而降低电网事故率。
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