基于零序暫態分析小電流接地系統故障定位系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開基于零序暫態分析小電流接地系統故障定位系統，包括雙線圈線路故障指示器、數據集中器及后臺管理平臺，雙線圈線路故障指示器通過通信鏈路與數據集中器相連接，數據集中器通過通信網絡與后臺管理平臺相連接；后臺管理平臺內設置有網絡鏈路設備系統、客戶端系統、數據庫服務器及應用服務器，客戶的系統通過網絡鏈路設備系統與數據庫服務器和應用服務器相連接，數據庫服務器通過網絡鏈路設備系統與應用服務器相連接，網絡鏈路設備系統通過通信網絡與數據集中器相連接；利用時鐘同步技術、微功耗無線通訊技術、零序暫態分析技術完成配網網路各個分支節點的零序電流合成、零序暫態波形錄取，并送至后臺管理平臺進行故障點的分析和判斷。
【專利說明】
基于零序暫態分析小電流接地系統故障定位系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及電力系統智能化技術領域，具體的說，是基于零序暫態分析小電流接地系統故障定位系統。
【背景技術】
[0002]電力系統是由發電、變電、輸電、配電、供電、用電等設備和技術組成的將一次能源轉換為電能的統一整體。電能由發電廠發出后，通過各級變電所經高壓輸電網送到電力用戶側，然后經配電網供給用戶。一般來說，IlOkV以上電壓等級網絡屬于輸電網，6?66kV電壓等級屬于配電網。配電網是電力系統的重要組成部分，在電力系統的各個環節中作為末端直接與用戶相聯系。電力系統中性點是指星形連接的變壓器或發電機的中性點。電力系統中性點是否接地及如何接地是涉及到絕緣水平、通信干擾、接地保護方式、電壓等級、系統接線和系統穩定等多個方面的綜合問題。中壓配電網通常采用中性點不直接接地方式，其中性點接地方式主要有四種，即中性點不接地方式、中性點經消弧線圈接地方式、中性點經高阻接地方式、中性點經小電阻接地方式。
[0003]我國電力系統的6?66kV配電網多屬于小電流接地系統，一般采用中性點不接地或者中性點經消弧線圈接地的工作方式，因其發生接地故障時，流過接地點的電流小，又稱中性點非有效接地系統。接地故障是指由于導體與地連接或對地絕緣電阻變的小于規定值而引起的故障。
[0004]根據電力系統運行部門的故障統計，由于外界因素(如雷擊、大風、鳥類等)的影響，配電網單相接地故障是配電網故障中最常見的，發生率最高，占整個電氣短路故障的80%以上。當發生單相接地故障時，由于不能構成低阻抗的短路回路，接地電流很小，故稱為小電流接地系統。它的優點在于發生單相接地故障時多數情況下可以自動熄弧并恢復絕緣。當線路發生永久性單相金屬接地故障后，三相系統的線電壓仍然是對稱的，大小與相位并不變化，但系統的接地相對地電容被短接，對地電壓都變為零。為防止另一相在接地而引起兩相短路甚至三相電路，因而必須限制一定時間內排除單相故障。
[0005]長期以來，國內外電力領域的專家學者對小電流接地系統單相接地故障問題進行了大量的研究。發生單相接地故障時，以往采用的檢測原理大多是基于故障時產生的穩態信號。但是由于穩態信號比較微弱，受外界因素及運行方式影響大，致使在實際的工程應用中難以提取有效地故障信號。而且，配電網絡故障復雜多變，如系統中性點補償度、各出線長度、故障點位置、過渡電阻大小、短路點電弧的發展等，這些條件的組合，使得在一種故障情況下工作良好的裝置，在另一種情況下可能失效。因此，小電流接地系統單相接地保護看似簡單易行但實踐證明是非常復雜的，這也是一些國家不采用中性點非有效接地方式的主要原因之一。但畢竟小電流接地系統有著得天獨厚的優越性，并在我國及其它國家被廣泛應用，準確找準故障線路成為當務之急。
[0006]目前國內對于小電流接地系統單相接地故障的判斷主要有以下幾種方法:
[0007]1.針對電纜為主的配網線路，采用電纜終端加裝零序互感器采集零序電流，根據接地故障時產生的零序電流幅值作為判斷依據；
[0008]2.針對架空線路，一般采用加裝線路故障指示器，由線路故障指示器是否翻牌來判斷故障發生的區間；
[0009]3.采用人工檢測方法，發生單相接地后將線路拆分為幾段，采用二分法查找故障占.V ，
[0010]4.零序穩態分析法:包括五次諧波發、零序有功分量發、首半波法、小波法等。
[0011]但現有技術不可避免的會存在如下缺陷:
[0012]電纜終端加裝零序互感器依據零序電流幅值判斷是否發生單相接地的方法是相對比較有效方法，但對于中性點采用消弧線圈補償的小電流系統，卻無能無力。規程規定線路電容電流大于1A的應考慮變壓器中性點應采用消弧線圈補償方式接地，大于100A必須采用消弧線圈補償方式接地。電纜本身就是一個大的電容體，因此中性點普遍采用消弧線圈進行補償；當單相接地故障發生后，故障相的接地電流被消弧線圈迅速補償，反倒是非故障相的容性電流大于故障相電流，因此采用零序電流幅值判斷接地故障的方式存在嚴重缺陷。
[0013]線路加裝故障指示器，通過故障指示器是否翻牌來判斷故障區間是目前配網架空線路判斷接地故障的唯一方法。由于線路故障指示器只能采集單相電流，且本身由于能耗限制及成本因素不能使用大規模的電子電路，目前國內大部分線路故障指示器只能依據接地瞬間的電壓(也不能直接獲得，是通過監測電場強度來折算的)及電流幅值、相角等邏輯計算判斷相間短路故障。也有廠家采用信號注入法來判斷單相接地，但受到接地電阻、消弧線圈補償等限制，信號注入法效果也非常不理想。
[0014]人工判斷接地故障是目前真正有效的方法。但耗時耗力，嚴重影響供電可靠率。由于停電時間過長會引起大規模的用戶投訴。特別是現在電力企業人員越來越少，難以有足夠的人力、時間來保證。
[0015]零序電流穩態分析法(含五次諧波發、零序有功分量發、首半波法、小波法等十幾種算法)對于中性點不接地的配網線路非常有效，可以迅速判斷出故障線路及故障區間，但對于中性點通過消弧線圈補償接地的配網線路卻基本沒有效果。
[0016]線路故障指示器無法判斷接地故障是由于線路故障指示器只能采集單相電流，及通過采集電場強度來折算電壓，無法準確采集電壓等信息，使得傳統使用的五次諧波發、首半波法、小波法等判斷方法都無法使用。部分廠家采用信號注入法來判斷故障區間，這種方法只能對部分金屬接地故障有效。對于大電阻、高阻接地均沒有什么效果，其原因是接地電阻使得本來就非常微弱的注入信號強度大幅衰減，造成故障指示器無法采集到注入信號。
[0017]中性點通過消弧線圈補償接地的配網線路，發生接地故障瞬間消弧線圈迅速進行賠償，兩三個周波后故障線路的接地電流迅速被補償，造成接地電流小于5A，使得上述分析方法均無效。
【實用新型內容】
[0018]本實用新型的目的在于設計出基于零序暫態分析小電流接地系統故障定位系統，搭建一種硬件架構，用于實現利用時鐘同步技術、微功耗無線通訊技術、零序暫態分析技術完成配網網路各個分支節點的零序電流合成、零序暫態波形錄取，并送至后臺管理平臺進行故障點的分析和判斷。
[0019]本實用新型通過下述技術方案實現:基于零序暫態分析小電流接地系統故障定位系統，包括雙線圈線路故障指示器、數據集中器及后臺管理平臺，所述雙線圈線路故障指示器通過通信鏈路與數據集中器相連接，所述數據集中器通過通信網絡與后臺管理平臺相連接;所述后臺管理平臺內設置有網絡鏈路設備系統、客戶端系統、數據庫服務器及應用服務器，所述客戶的系統通過網絡鏈路設備系統與數據庫服務器和應用服務器相連接，所述數據庫服務器通過網絡鏈路設備系統與應用服務器相連接，所述網絡鏈路設備系統通過通信網絡與數據集中器相連接。
[0020]進一步的為更好的實現本實用新型，能夠安全快速的將數據集中器內收集的數據信息傳輸至后臺管理平臺內，特別采用下述設置結構:所述網絡鏈路設備系統內設置有防火墻，所述數據集中器通過通信網絡與防火墻相連接，所述防火墻通過網線分別與客戶端系統、數據庫服務器及應用服務器相連接。
[0021 ]進一步的為更好的實現本實用新型，特別采用下述設置結構:在三相線路的每一相線上皆設置有所述雙線圈線路故障指示器，且同一監測點處的三相線路上的雙線圈線路故障指示器的時鐘同步。
[0022]進一步的為更好的實現本實用新型，能夠短距離且安全穩定的進行雙線圈線路故障指示器與數據集中器的數據通信，特別采用下述設置方式:所述雙線圈線路故障指示器通過ZigBee通訊鏈路與數據集中器相連接。
[0023]進一步的為更好的實現本實用新型，特別采用下述設置結構:所述數據集中器內設置有嵌入式處理器、GPRS模塊、GPS模塊、存儲器電路及采集ZigBee模塊，所述嵌入式處理器分別與GPRS模塊、存儲器電路、GPS模塊及采集ZigBee模塊相連接，所述采集ZigBee模塊通過ZigBee通訊鏈路與雙線圈線路故障指示器相連接，在所述嵌入式處理器上還連接有電壓采樣前端處理電路，所述電壓采樣前端處理電路的輸入端與相線相連接。
[0024]進一步的為更好的實現本實用新型，特別采用下述設置結構:所述數據集中器內還設置有外圍電路，所述外圍電路內設置有分別與嵌入式處理器相連接的通信接口電路、JTAG下載口、指示燈、按鍵模塊、看門狗電路及調試接口。
[0025]進一步的為更好的實現本實用新型，特別采用下述設置方式:所述雙線圈線路故障指示器采用具有錄波功能的并帶遙信功能的錄波型線路故障指示器。
[0026]本實用新型與現有技術相比，具有以下優點及有益效果:
[0027](I)本實用新型搭建一種硬件架構，用于實現利用時鐘同步技術、微功耗無線通訊技術、零序暫態分析技術完成配網網路各個分支節點的零序電流合成、零序暫態波形錄取，并送至后臺管理平臺進行故障點的分析和判斷。
[0028](2)本實用新型大幅減少單相接地故障排查時間，提高電網運行水平;通過三遙功能(三遙包括遙測:采集線路電流等數據，遙信:故障狀態數據，遙控:控制故障指示燈閃爍)，不但可以快速獲取現場的遙測數據，還可快速推演出故障區間，并通過短信、手機客戶端應用程序等手段第一時間通知用戶故障發生點。
[0029](3)本實用新型可以有效判斷中性點通過消弧線圈補償的配網系統發生單相接地后故障發生區間；并可以獲得配電線路關鍵節點的零序電流暫態波形，供后臺管理平臺推演出故障發生點。
[0030](4)本實用新型相對目前零序暫態分析方法所使用的結構，建設成本大幅降低，利用低成本的雙線圈線路故障指示器，具備GPS時鐘同步功能的數據集中器兩樣裝置即可實現電網節點的零序電流暫態波形采集。
[0031](5)本實用新型有效解決架空線路零序電路采集的難題，通過時鐘實時同步技術確保三相導線上的雙線圈線路故障指示器同時采集電流值，并采集GPS時鐘數據，通過數據集中器的嵌入式處理器即可計算出線路零序電流值。
【附圖說明】
[0032]圖1為本實用新型邏輯架構圖。
[0033]圖2為本實用新型所述數據集中器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合實施例對本實用新型作進一步地詳細說明，但本實用新型的實施方式不限于此。
[0035]實施例1:
[0036]本實用新型提出了基于零序暫態分析小電流接地系統故障定位系統，如圖1、圖2所示，包括雙線圈線路故障指示器、數據集中器及后臺管理平臺，所述雙線圈線路故障指示器通過通信鏈路與數據集中器相連接，所述數據集中器通過通信網絡與后臺管理平臺相連接;所述后臺管理平臺內設置有網絡鏈路設備系統、客戶端系統、數據庫服務器及應用服務器，所述客戶的系統通過網絡鏈路設備系統與數據庫服務器和應用服務器相連接，所述數據庫服務器通過網絡鏈路設備系統與應用服務器相連接，所述網絡鏈路設備系統通過通信網絡與數據集中器相連接。
[0037]所述雙線圈線路故障指示器，設置在配網的三相線路主干分段及主要分支節點上，并且每一處的三臺雙線圈線路故障指示器的時鐘同步，主要完成電流的采樣功能并通過ZigBee通信技術將錄取的波形傳送至數據集中器；
[0038]所述數據集中器，主要用于獲取三相線路的雙線圈線路故障指示器錄制的波形數據，同時實時同步三個雙線圈線路故障指示器的時鐘數據;數據集中器通過電信運營商基站、移動運營商機房所構建的通信網絡結合網絡鏈路設備系統與后臺管理平臺進行數據通?目;
[0039]所述后臺管理平臺，主要用于定期獲取多個數據集中器的故障判斷依據值，依據設備邏輯關系推演可能發生的故障區間，若發生故障后通過短信推送、信息提示的手段將故障信息及時推送至用戶終端；
[0040]所述應用服務器用于進行應用程序的加載。
[0041 ]所述數據庫服務器用于接收數據的存儲。
[0042]實施例2:
[0043]本實施例是在上述實施例的基礎上進一步優化，進一步的為更好的實現本實用新型，能夠安全快速的將數據集中器內收集的數據信息傳輸至后臺管理平臺內，如圖1、圖2所示，特別采用下述設置結構:所述網絡鏈路設備系統內設置有防火墻，所述數據集中器通過通信網絡與防火墻相連接，所述防火墻通過網線分別與客戶端系統、數據庫服務器及應用服務器相連接。數據集中器內收集的數據將通過電信運營商基站、移動運營商機房所構建的通信網絡接入到防火墻內，利用防火墻將數據信息內的病毒、攻擊數據等隔離，而后將需要的數據信息傳輸至應用服務器及數據服務器內，經分析處理后，在發生單相接地故障時，后臺管理平臺依據故障發生時刻向所有的數據集中器召測3個完整周波的故障波形數據，依據零序電路暫態波形的相似度及方向，判斷故障發生區間，并及時推送故障信息和故障發生的區間到客戶的系統上。
[0044]實施例3:
[0045]本實施例是在上述任一實施例的基礎上進一步優化，進一步的為更好的實現本實用新型，如圖1、圖2所示，特別采用下述設置結構:在三相線路的每一相線上皆設置有所述雙線圈線路故障指示器，且同一監測點處的三相線路上的雙線圈線路故障指示器的時鐘同步，在每一個監測點處的三根相線上皆設置有一臺雙線圈線路故障指示器，通過雙線圈線路故障指示器可以輕松獲取配電網線路的暫態零序電流波形及相關參數。
[0046]實施例4:
[0047]本實施例是在上述任一實施例的基礎上進一步優化，進一步的為更好的實現本實用新型，能夠短距離且安全穩定的進行雙線圈線路故障指示器與數據集中器的數據通信，如圖1、圖2所示，特別采用下述設置方式:所述雙線圈線路故障指示器通過ZigBee通訊鏈路與數據集中器相連接。
[0048]實施例5:
[0049]本實施例是在上述任一實施例的基礎上進一步優化，進一步的為更好的實現本實用新型，如圖1、圖2所示，特別采用下述設置結構:所述數據集中器內設置有嵌入式處理器、GPRS模塊、GPS模塊、存儲器電路及采集Zi gBee模塊，所述嵌入式處理器分別與GPRS模塊、存儲器電路、GPS模塊及采集ZigBee模塊相連接，所述采集ZigBee模塊通過ZigBee通訊鏈路與雙線圈線路故障指示器相連接，在所述嵌入式處理器上還連接有電壓采樣前端處理電路，所述電壓采樣前端處理電路的輸入端與相線相連接。
[0050]所述數據集中器，接收GPS模塊提供的時鐘信號;通過采集Zigbee模塊和雙線圈線路故障指示器進行通訊，將時鐘信號發送給雙線圈線路故障指示器;通過采集Zigbee模塊接收雙線圈線路故障指示器采集的電流值和采集時刻;利用嵌入式處理器(DSP芯片)，結合矢量法計算零序電流波形，并存儲在本機;并可根據后臺管理平臺的設定值，進行故障判斷，是否發生短路、接地等故障判斷，若發生故障，主動向后臺管理平臺傳送數據;通過GPRS模塊和后臺管理平臺進行通訊，若后臺管理平臺召測數據，將采集數據及計算后的數據同步傳送至后臺管理平臺，進行高級分析與應用。
[0051 ] 實施例6:
[0052]本實施例是在上述任一實施例的基礎上進一步優化，進一步的為更好的實現本實用新型，特別采用下述設置結構:所述數據集中器內還設置有外圍電路，所述外圍電路內設置有分別與嵌入式處理器相連接的通信接口電路、JTAG下載口、指示燈、按鍵模塊、看門狗電路及調試接口。
[0053]實施例7:
[0054]本實施例是在上述任一實施例的基礎上進一步優化，進一步的為更好的實現本實用新型，如圖1、圖2所示，特別采用下述設置方式:所述雙線圈線路故障指示器采用具有錄波功能的并帶遙信功能的錄波型線路故障指示器。
[0055]所述數據集中器獲取三相線路的雙線圈線路故障指示器錄制的波形數據，同時實時同步三個雙線圈線路故障指示器時鐘數據;所述數據集中器通過集中器無線通訊模塊實時完成與三個雙線圈線路故障指示器的時鐘校驗功能，并將雙線圈線路故障指示器所錄制的波形數據進行收集；
[0056]所述數據集中器召測到雙線圈線路故障指示器的三相電流數據后，及時進行零序暫態波形合成，并計算零序電流方向及零序波形占空比，而后代表零序電流方向及零序波形占空比的數據將隨同零序電流暫態波形同步傳送至后臺管理平臺，在后臺管理平臺內進行分析、計算；
[0057]所述數據集中器能夠定時(用戶在集中器上定義采集時間間隔，默認5分鐘)和三相線路上的雙線圈線路故障指示器通訊，并同步所有設備(三相線路上的雙線圈線路故障指示器及集中器的時鐘)的時鐘數據；
[0058]所述數據集中器定時(用戶在集中器上定義采集時間間隔，默認5分鐘)獲取雙線圈線路故障指示器的遙測數據；
[0059]所述數據集中器還能對雙線圈線路故障指示器進行管理；
[0060]當配電網的三相線路發生短路等故障時，數據集中器能夠實時獲取故障數據；
[0061]所述數據集中器獲取后臺管理平臺召測命令，及時傳送遙測數據(三相電流值及時鐘)及計算數據(數據集中器計算零序電流暫態波形，幅值、占空比、相似度、相角，零序電流穩態幅值等參數);
[0062]當數據集中器召測數據時，雙線圈線路故障指示器根據命令將保存的數據傳送至數據集中器，在進行數據傳輸時，為提高傳輸效率的同時降低能耗，完成多個周波數據后再統一壓縮、打包數據傳送至數據集中器。
[0063]對于小電流接地系統，現有技術中，國內外也有采用零序電流暫態分析方法的，主要應用在變電站內接地選線裝置中，由于需要同步各個信息采集節點的時鐘信號，所以布置大量的GPS時鐘同步服務器，并需要安裝大量的傳感器，系統造價很高不利于大規模推廣；而本發明所述系統，利用低成本的雙線圈線路故障指示器，具備GPS時鐘同步功能的數據集中器兩樣裝置即可實現電網節點的零序電流暫態波形采集。
[0064]零序電流是三相電流矢量累加后得到的值。現有技術一般采用三相導線統一穿過零序互感器或者單獨采集三相電流然后通過算法矢量累加得出零序電流；電纜由三相導線構成，所以可以方便的通過零序互感器。但架空線路相間距離大于25cm，無法采用零序互感器的方式采集零序電流，國內外目前的線路故障指示器能采集三相電流，但沒有實現時鐘同步技術，采集到的電流值沒有矢量邏輯關系，也無法獲得零序電流。
[0065]本實用新型可通過時鐘實時同步技術確保三相導線上的雙線圈線路故障指示器同時采集電流值，并采集GPS時鐘數據，通過數據集中器的DSP處理器即可計算出線路零序電流值。
[0066]以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例，并非對本實用新型做任何形式上的限制，凡是依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.基于零序暫態分析小電流接地系統故障定位系統，其特征在于:包括雙線圈線路故障指示器、數據集中器及后臺管理平臺，所述雙線圈線路故障指示器通過通信鏈路與數據集中器相連接，所述數據集中器通過通信網絡與后臺管理平臺相連接;所述后臺管理平臺內設置有網絡鏈路設備系統、客戶端系統、數據庫服務器及應用服務器，所述客戶的系統通過網絡鏈路設備系統與數據庫服務器和應用服務器相連接，所述數據庫服務器通過網絡鏈路設備系統與應用服務器相連接，所述網絡鏈路設備系統通過通信網絡與數據集中器相連接。2.根據權利要求1所述的基于零序暫態分析小電流接地系統故障定位系統，其特征在于:所述網絡鏈路設備系統內設置有防火墻，所述數據集中器通過通信網絡與防火墻相連接，所述防火墻通過網線分別與客戶端系統、數據庫服務器及應用服務器相連接。3.根據權利要求1或2所述的基于零序暫態分析小電流接地系統故障定位系統，其特征在于:在三相線路的每一相線上皆設置有所述雙線圈線路故障指示器，且同一監測點處的三相線路上的雙線圈線路故障指示器的時鐘同步。4.根據權利要求1或2所述的基于零序暫態分析小電流接地系統故障定位系統，其特征在于:所述雙線圈線路故障指示器通過ZigBee通訊鏈路與數據集中器相連接。5.根據權利要求4所述的基于零序暫態分析小電流接地系統故障定位系統，其特征在于:所述數據集中器內設置有嵌入式處理器、GPRS模塊、GPS模塊、存儲器電路及采集ZigBee模塊，所述嵌入式處理器分別與GPRS模塊、存儲器電路、GPS模塊及采集ZigBee模塊相連接，所述采集ZigBee模塊通過ZigBee通訊鏈路與雙線圈線路故障指示器相連接，在所述嵌入式處理器上還連接有電壓采樣前端處理電路，所述電壓采樣前端處理電路的輸入端與相線相連接。6.根據權利要求5所述的基于零序暫態分析小電流接地系統故障定位系統，其特征在于:所述數據集中器內還設置有外圍電路，所述外圍電路內設置有分別與嵌入式處理器相連接的通信接口電路、JTAG下載口、指示燈、按鍵模塊、看門狗電路及調試接口。7.根據權利要求1或2或5或6所述的基于零序暫態分析小電流接地系統故障定位系統，其特征在于:所述雙線圈線路故障指示器采用具有錄波功能的并帶遙信功能的錄波型線路故障指示器。
【文檔編號】G01R31/08GK205670180SQ201620375253
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年4月28日
【發明人】黃新宇, 李家健, 徐立憲
【申請人】四川瑞霆電力科技有限公司