专利名称：配电网单相接地故障带电定位装置的制作方法
技术领域：
本发明属于一种电力技术和设备，适用于3 60kV中性点非有效接地电网，能够 在单相接地故障发生时，在带故障运行的情况下进行准确定位。
背景技术：
我国3 60kV配电网广泛采用中性点非有效接地方式，又称为小电流接地系统， 小电流接地系统的故障绝大多数是单相接地故障。发生单相接地故障时，接地电流很�。� 以在故障情况下继续运行1 2个小时，但是必须尽快找到故障点，这就提出了带电故障定 位问题。配电网单相接地故障带电定位问题长期以来没有得到很好的解决，人工巡线不仅 耗费了大量人力物力，而且延长了停电时间，影响供电安全。有文献提出从PT注入高频信 号，沿线路检测该信号确定故障位置，但是由于线路分布电容对高频信号形成通路，因此在 经电阻接地时定位不准确。申请号为2008102248858的发明专利公开了一种配电网单相接 地故障定位方法，该定位方法原理为首先在线路始端注入高压直流信号，沿线路检测直流 信号确定故障区域；然后在线路始端注入高压交流信号，沿线路检测交流信号确定故障点 位置。该方法在应用时需要将可以运行的线路停电，并采取措施将线路从电力系统中隔离， 然后通过特制的信号源将信号注入到线路中后再进故障定位。该定位方法在线路停电后 的故障定位精度高，但是，必须对线路采取停电措施才能应用，使得可以供电的线路必须停 电，影响供电可靠性和用户的用电。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术上的不足，基于新的定位方法提供一种针对配电网 单相接地故障的带电定位装置。该定位装置能够快速、准确地确定故障点，并适用于金属性 接地、经电弧接地、经过渡电阻接地等多种故障情况。本发明的技术方案如下一种配电网单相接地故障带电定位装置，其特征为该单相接地故障定位装置由 上位机和下位机两个部分组成，所述上位机装置安装于变电站内，用于测量和传输母线零 序电压信号；所述下位机装置为手持设备在线路上移动检测，用于测量零序电流信号及完 成定位计算；所述上位机和下位机通过移动通信方式进行信息传递；当中性点非有效接地电力系统发生单相接地时，在线路带单相接地故障运行的情 况下进行故障定位，定位装置的上位机和下位机在异地分别对母线零序电压信号、线路零 序电流信号两个相量进行同步测量，上位机通过移动通信方式将测量的母线零序电压信号 传输到故障定位装置的下位机；所述下位机将接收到的零序电压信号和就地测量到的零序 电流信号进行分析计算，根据零序分量有功功率的方向确定故障点位于检测点的上游或是 下游，通过移动式检测最终确定故障点的位置。如果零序分量的有功功率值大于零，则判断 故障点在检测点的上游，向上查寻；如果零序分量的有功功率值小于零，则判断故障点在检测点的下游，向下查寻。这样经过移动式检测，最终确定故障点位置。本发明的故障定位装置通过以下方法实现故障定位所述的上位机装置安装于变电站内，变电站PT开口三角绕组的二次线路接入上位机中，输入有效值在0-100V范围内的零序电压模拟量。上位机的GPS�？樵诨竦檬北甑� 同时发出秒脉冲信号，在每个整秒时刻触发A/D对零序电压进行采样，采用FFT算法对采样 值进行计算，得到零序电压信号的幅值和相位，然后利用移动通信方式将零序电压信号的 幅值和相位以及对应的时标信息发送至下位机。所述的下位机装置为手持设备在线路上移动检测。下位机装置包括相电流检测器 和定位器，所述相电流检测器通过钳形表头套接在线路上，测量相电流数值。定位器的GPS �？樵诨竦檬北甑耐狈⒊雒肼龀逍藕牛シ⒗堆牢尴呤辗⒛？橄蛳嗟缌鞑饬科鞣⒊鲂� 令。相电流测量器的蓝牙无线收发�？榻邮盏叫帕詈蟠シ/D对相电流模拟量进行采样， 得到相电流的瞬时值，进一步将该瞬时值回传至定位器。定位器将三相电流瞬时值进行合 成，得到零序电流信号，采用FFT算法对合成的零序电流值进行计算，得到零序电流信号的 幅值和相位。所述定位器接收到上位机发送的零序电压幅值、相位后，通过时标对比，找到同一 个时刻测量的零序电流信号的幅值和相位，计算出零序分量的有功功率值。从零序回路的 等值模型来看，零序电流的有功分量方向是从故障点流向母线及线路的末端，因此如果接 地点在检测点的上游，则检测到的零序有功功率大于零；反之如果接地点在检测点的下游， 则检测到的零序电流有功功率小于零。这样定位器根据零序分量的有功功率值的正负就能 够判断接地点在检测点的上游或下游，如果零序分量的有功功率值大于零，则判断故障点 在检测点的上游，向上查寻；如果零序分量的有功功率值小于零，则判断故障点在检测点的 下游，向下查寻。这样经过移动式检测，就可以不断缩小故障区域，最终确定故障点位置。本发明的优点如下1、既能够确定故障点所在区域，也可以确定故障点的准确位置。2、同步测量零序电压相量和零序电流相量，不受线路分布电容的影响，能够有效 解决高阻接地情况下的定位问题。3、不用在每条线路上安装装置，利用一套装置可以进行多条线路的定位，极大的 节约成本。4、下位机采用手持结构、利用电池供电，便于野外操作，灵活性高。5、可以在带故障运行情况下定位，提高系统运行的可靠性。6、技术成熟、可靠性高，适用于3 60kV中性点不接地或中性点经消弧线圈接地的配电网，适用于金属性接地、经电弧接地、经过渡电阻接地等多种故障情况。
图1是本发明的结构示意图；图2是单相接地故障时零序回路的等值电路图；图3是上位机的原理图；图4是下位机相电流检测器的原理图；图5是下位机定位器的原理图。
具体实施例方式下面结合说明书附图，通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。本发明提出的一种基于新的定位方法的配电网单相接地故障带电定位装置，其原理是在线路带单相接地故障运行的情况下，定位装置在异地对零序电压和零序电流两个相 量进行同步测量，并将零序电压信号和零序电流信号进行集中分析计算，根据零序分量的 有功功率方向确定故障点位于检测点的上游或是下游，通过移动式检测最终确定故障点的 位置。基于本发明研制的定位装置由上位机和下位机两个部分组成。所述的上位机装置 安装于变电站内，变电站PT开口三角绕组的二次线路接入上位机中，输入有效值在0-100V 范围内的零序电压模拟量。上位机的GPS�？樵诨竦檬北甑耐狈⒊雒肼龀逍藕牛诿扛� 整秒时刻触发A/D对零序电压进行采样，采用FFT算法对采样值进行计算，得到零序电压信 号的幅值和相位，然后利用移动通信方式将零序电压信号的幅值和相位以及对应的时标信 息发送至下位机。所述的下位机装置为手持设备在线路上移动检测。相电流检测器通过钳形表头套 接在线路上，测量相电流数值。定位器的GPS�？樵诨竦檬北甑耐狈⒊雒肼龀逍藕牛シ� 蓝牙无线收发模块向相电流测量器发出信令。相电流测量器的蓝牙无线收发�？榻邮盏叫� 令后触发A/D对相电流模拟量进行采样，得到相电流的瞬时值，进一步将该瞬时值回传至 定位器。定位器将三相电流瞬时值进行合成，得到零序电流信号，采用FFT算法对合成的零 序电流值进行计算，得到零序电流信号的幅值和相位。定位器接收到上位机发送的零序电压幅值、相位后，通过时标对比，找到同一个时 刻测量的零序电流信号的幅值和相位，计算出零序分量的有功功率值。从零序回路的等值 模型来看，零序电流的有功分量方向是从故障点流向母线及线路的末端，因此如果接地点 在检测点的上游，则检测到的零序有功功率大于零；反之如果接地点在检测点的下游，则检 测到的零序电流有功功率小于零。这样定位器根据零序分量的有功功率值的正负就能够 判断接地点在检测点的上游或下游，如果零序分量的有功功率值大于零，则判断故障点在 检测点的上游，向上查寻；如果零序分量的有功功率值小于零，则判断故障点在检测点的下 游，向下查寻。这样经过移动式检测，就可以不断缩小故障区域，最终确定故障点位置。如图1所示，定位装置由上位机和下位机两个部分组成，定位装置的上位机和下 位机在异地对两个相量进行同步测量，上位机装置安装于变电站内，用于测量母线的零序 电压信号，并通过移动通信方式将测量结果传输到线路上的故障定位下位机；下位机装置 为手持设备在线路上移动检测，下位机将接收到的零序电压信号和就地测量到的零序电流 信号进行分析计算，根据零序分量的有功功率方向确定故障点位于检测点的上游或是下 游，通过移动式检测最终确定故障点的位置。单相接地故障时零序回路的等值电路如图2所示。其中U为零序电压，I为零序电 流的有功分量。由于线路上存在电阻，因此无论中性点不接地或者中性点经消弧线圈方式， 零序电流的有功分量方向都是从故障点流向母线及线路的末端。这个特征不受接地电阻的 影响。电网正常运行情况下，按惯例都假定母线指向线路的方向为电流的参考方向。故障 定位寻检时，我们并不知道何处为故障点，只好按正常情况下的电流参考方向进行寻检。这样对比图2会发现支路01、lf检测到的零序有功功率大于零，其他支路检测到的零序电流 有功功率小于零。由此我们就得出定位策略如果零序分量的有功功率值大于零，则判断故 障点在检测点的上游，向上查寻；如果零序分量的有功功率值小于零，则判断故障点在检测 点的下游，向下查寻。这样经过移动式检测，就可以不断缩小故障区域，最终确定故障点位置。
上位机的原理如图3所示，由电压变换器、A/D转换�？�、CPU、移动通信�？�、GPS �？樽槌�。电压变换器包括变比为100 5或者57. 7 5的小电压互感器，用于现场运行 的高压电压互感器输出的交流0到100V或0到57. 7V电压变换为幅值为5V的交流电压信 号。A/D转换�？榘ㄊ淙朐怂惴糯笃�0P07、基准电压源AD584和8051F120中的ADC，该模 块将电压变换器输出的交流5V信号转换为数字信号。CPU包括型号为8051F120的CPU，用 于驱动A/D转换�？椤⒁贫ㄐ拍？楹虶PS模块。移动通信�？榘∕1206，移动通信�？� M1206用于将电压信号所转换成的数字信号通过移动通信网络传输到下位机定位器中。GPS �？榘∕-87，用于接收秒脉冲和标准时钟数据。电压变换器输出的交流0到5V信号输入 到输入运算放大器0P07中，0P07、基准电压源AD584以及电阻Rl、R2、Rf构成比例加法器。 输入运算放大器0P07输出接到型号为8051F120的CPU的Pl. 0管脚上，型号为8051F120的 CPU内部含有ADC和附加基准电压源。型号为8051F120的CPU通过P4和P5这两个I/O 口 中的P4. 0-P4. 7和P5. 0-P5. 6接点分别与移动通信�？镸1206的Sub HD Pinl5端口的15 个接点一一对应相连，用于驱动移动通信�？镸1206。型号为8051F120的CPU通过P6. 1、 P6. 2、P6. 3、P6. 4与GPS�？镸-87的端口 TXA、RXA、RXB、IPPS对应相连，用于驱动GPS模 块。下位机相电流检测器的原理如图4所示，由电流变换器、A/D、蓝牙无线收发�？� 组成。电流变换器包括小电流互感器、输入运算放大器0P07和基准电压源AD584，该电流变 换器是将输电线路所传输的电流变换为A/D所能够接收的交流0到5V信号。A/D包括型号 为8051F120的CPU以及其中的ADC和基准电压源；AD将所接收到的0-5V的交流电压信号 转换为相应的数字信号。蓝牙无线收发�？榘℉RF2401，该�？橛糜诮邮斩ㄎ黄鞑杉� 令和向定位器发送所转换的数字信号。电流变换器中的小电流互感器将输电线路所传输的 电流变换为幅值为5V的交流信号，交流5V信号输入到输入运算放大器0P07中，0P07、基准 电压源AD584以及电阻R1、R2、Rf构成比例加法器，最后输出为0-5V的交流电压信号。输 入运算放大器0P07输出接到8051F120的Pl. 0管脚上，ADC和基准电压源集成于8051F120 中。8051F120 通过 P3. 1、Ρ3· 2、Ρ3· 3、Ρ3· 4、Ρ3· 5、Ρ3· 6 与蓝牙无线收发�？� nRF2401 的端 口 CS、PffR-UP, CS、CLKl、DRl、DATA对应相连，用于驱动蓝牙无线收发�？閚RF2401。下位机定位器的原理如图5所示，由蓝牙无线收发模块、定位CPU、移动通信�？�、 GPS�？樽槌�。蓝牙无线收发�？榘╮iRF2401，用于向下位机相电流检测器发送采集命令 和接收下位机相电流检测器所转换的数字信号。定位CPU为8051F120，用于驱动蓝牙无线 收发�？�、移动通信�？楹虶PS�？�。移动通信�？榘∕1206，移动通信�？榻邮丈衔换� 通过移动通信网络传输来的所转换成的数字信号。GPS�？榘∕-87，用于接收秒脉冲和 标准时钟数据。8051F120通过P4和P5这两个I/O 口中的P4. 0-P4. 7和P5. 0-P5. 6接点分 别与移动通信�？镸1206的Sub HD Pinl5端口的15个接点一一对应相连，用于驱动移动 通信�？� M1206。8051F120 通过 P6. 1、P6. 2、P6. 3、P6. 4 与 GPS �？� M-87 的端口 TXA、RXA、RXB、IPPS 对应相连，用于驱动 GPS �？� M-87。8051F120 通过 P3. 1、Ρ3· 2、Ρ3· 3、Ρ3· 4、Ρ3· 5、 Ρ3.6与蓝牙无线收发�？閚RF2401的端口 CS、PWR_UP、CS、CLK1、DR1、DATA对应相连，用于驱动蓝牙无线收发�？閚RF2401。
权利要求
一种配电网单相接地故障带电定位装置，其特征为该单相接地故障定位装置由上位机和下位机两个部分组成，所述上位机装置安装于变电站内，用于测量和传输母线零序电压信号；所述下位机装置为手持设备在线路上移动检测，用于测量零序电流信号及完成定位计算；所述上位机和下位机通过移动通信方式进行信息传递；当中性点非有效接地电力系统发生单相接地时，在线路带单相接地故障运行的情况下进行故障定位，定位装置的上位机和下位机在异地分别对母线零序电压信号、线路零序电流信号两个相量进行同步测量，上位机通过移动通信方式将测量的母线零序电压信号传输到故障定位装置的下位机；所述下位机将接收到的零序电压信号和就地测量到的零序电流信号进行分析计算，根据零序分量有功功率的方向确定故障点位于检测点的上游或是下游，通过移动式检测最终确定故障点的位置。
2.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障定位装置，其特征为如果零序分量的 有功功率值大于零，则判断故障点在检测点的上游，向上查寻；如果零序分量的有功功率值 小于零，则判断故障点在检测点的下游，向下查寻。这样经过移动式检测，最终确定故障点 位置。
3.根据权利要求1至2所述的配电网单相接地故障带电定位装置，其特征为 所述的上位机包括电压变换器、A/D转换�？�、CPU、移动通信�？�、GPS�？椋槐涞缯綪T 开口三角绕组的二次线路接入上位机中，输入有效值在O-IOOV范围内的零序电压模拟量， 电压变换器将该电压变为有效值在0-3. 5V范围内的低电压模拟量；上位机的GPS�？樵诨� 得时标的同时发出秒脉冲信号，在每个整秒时刻触发A/D转换�？槎愿玫偷缪鼓Ｄ饬拷� 采样，CPU采用FFT算法对采样值进行计算，得到零序电压信号的幅值和相位，然后通过移 动通信�？榻阈虻缪剐藕诺姆岛拖辔灰约岸杂Φ氖北晷畔⒎⑺椭料挛换�。
4.根据权利要求1至2所述的配电网单相接地故障带电定位装置，其特征为所述的下位机为用于在线路上移动检测的手持设备，包括相电流测量器和定位器，测 量零序电流信号并完成定位计算；所述相电流测量器由电流变换器、A/D转换模块、蓝牙无 线收发�？樽槌桑龆ㄎ黄饔啥ㄎ黄鰿PU、蓝牙无线收发�？椤⒁贫ㄐ拍？�、GPS�？樽� 成；定位器的GPS�？樵诨竦檬北甑耐狈⒊雒肼龀逍藕牛シ⑺龆ㄎ黄鞯睦堆牢尴呤� 发�？橄蛳嗟缌鞑饬科鞣⒊鲂帕睿嗟缌骷觳馄魍ü伪硗诽捉釉谙呗飞希缌鞅浠黄� 将相电流变为有效值在0-3. 5V范围内的低电压模拟量，所述相电流测量器的蓝牙无线收 发模块接收到信令后触发所述相电流测量器的A/D转换�？槎愿玫偷缪鼓Ｄ饬拷胁裳� 得到相电流的瞬时值，进一步将该瞬时值回传至所述定位器；所述定位器将三相电流瞬时值进行合成，得到零序电流信号，所述定位器的CPU采用 FFT算法对合成的零序电流值进行计算，得到零序电流信号的幅值和相位，定位器接收到上 位机发送的零序电压幅值、相位后，通过时标对比，找到同一个时刻测量的零序电流信号的 幅值和相位，计算出零序分量的有功功率值，定位器根据零序分量的有功功率值的正负判 断接地点在检测点的上游或下游并给予显示。
5.根据权利要求4所述的配电网单相接地故障带电定位装置，其特征为所述下位机的相电流测量器和定位器，均依靠9V电池供电。
6.根据权利要求4所述的配电网单相接地故障带电定位装置，其特征为所述相电流测量器和定位器在IOm范围内进行可靠的无线连接；所述相电流测量器采用钳形表头，在线路的任意点套接线路测量相电流。
全文摘要
本发明公开了一种配电网单相接地故障的带电定位装置，该装置适用于3～60kV中性点非有效接地电网。所述定位装置由上位机和下位机两个部分组成，上位机装置安装于变电站内，用于测量和传输母线零序电压信号，由A/D、CPU、移动通信�？椤PS�？樽槌�。下位机装置为手持设备在线路上移动检测，用于测量零序电流信号及完成定位计算，由相电流测量器和定位器组成。相电流测量器由电流变换器、A/D、蓝牙无线收发�？樽槌桑糜诓饬咳嗟缌餍藕牛欢ㄎ黄饔蒀PU、蓝牙无线收发�？�、移动通信�？�、GPS�？樽槌桑糜诤铣闪阈虻缌餍藕�、接收零序电压信号以及完成定位计算。本发明技术成熟、可靠性高。
文档编号G01R31/08GK101839958SQ201010158319
公开日2010年9月22日 申请日期2010年4月28日 优先权日2010年4月28日
发明者于鑫, 张福华, 李岩松, 杨以涵, 辛晓光, 齐郑 申请人:华北电力大学;北京丹华昊博电力科技有限公司;辽宁省电力有限公司丹东供电公司
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