专利名称：架空输电线路故障定位系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力系统领域，更具体地涉及一种架空输电线路故障定位系统。
背景技术：
随着电力系统的发展，电力系统架空输电线路电压等级和输送容量都在逐步提 高，架空输电线路的故障准确定位技术也越来越为人们所重视。故障准确定位能够帮助电 力系统工作人员准确、快速的找到故障位置，这对 于及时修复线路、恢复可靠供电，保证电 力系统的安全稳定和经济运行都有着十分重要的作用。如何快速、准确地实现架空输电线 路故障点的准确定位是电力系统的一个重要研究课题。目前电力系统架空输电线路故障定位有下述一些故障测距方法及装置。第一类 以测量线路阻抗为目标的检测方法。具体有故障录波法、脉冲反射法和电子电路构成的阻 抗法测距。第二类电抗法。它是一种利用故障电压和电流计算故障回路电抗值，从而标定 出故障距离的方法。第三类行波法。它是通过测量故障时的电压、电流行波在线路上的传 播时间，利用波头之间的时间差来计算故障距离。以上所有方法都存在一个问题那就是故 障定位偏差大。
发明内容
本发明提供一种架空输电线路故障定位系统。基于本发明能够克服现有技术中的 缺陷，减小故障定位的偏差。本发明公开了一种架空输电线路故障定位系统，包括基站和多个电流相位检测 装置，所述每一电流相位检测装置设置于架空输电线路杆塔的每一相输电导线上；并且， 所述基站和所述多个电流相位检测装置构成Zigbee网络，以依据802. 15. 4标准，在所述 Zigbee网络节点之间进行通信以实现故障点的定位。上述故障定位系统，优选所述电流相位检测装置包括信号及电源电路、控制器、 射频放大器和天线，所述控制器、所述射频放大器和所述天线依次顺序连接；所述信号及电 源电路包括信号部分和电源部分，所述信号部分与所述每一相输电导线相连接，用于检测 输电导线中电流的相位，所述电源部分分别与所述控制器、所述射频放大器相连接，用以给 所述控制器、所述射频放大器提供电源。上述故障定位系统，优选所述电源部分包括电流互感器TA、由整流二极管VI、V2、 V3及V4构成的全波整流电路、稳压管DW、隔离二极管D5和滤波电容C ；电流互感器TA — 次侧为架空输电线路的输电导线，该导线穿过电流互感器TA的闭合铁芯；电流互感器TA的 二次侧两端接在由整流二极管VI、V2、V3及V4构成的全波整流电路的交流输入端，全波整 流电路的直流输出端正极与稳压管DW的阳极及隔离二极管D5的阳极连接在一起，隔离二 极管D5的阴极接滤波电容C的阳极；全波整流电路的直流输出端负极与稳压管DW的阴极 及滤波电容C的阴极连接在一起。上述故障定位系统，优选所述信号部分包括所述电流互感器TA、限流电阻R1、光电耦合器GD和电阻R2，输电导线一次侧电流经所述电流互感器TA感应为二次侧电流，所述二次侧电流经所述限流电阻Rl与所述光电耦合器GD的发射端相连接；电源正端VCC经所 述电阻R2与所述光电耦合器GD的接受端连接；所述电阻R2与所述光电耦合器GD的接受 端连接点输出电流相位信号。上述故障定位系统，优选所述控制器为CC2530芯片。上述故障定位系统，优选所述射频放大器为MAX2247射频放大器。上述故障定位系统，优选所述基站包括PC机、控制器、射频放大器、天线和3. 3V 电源，所述PC机、控制器、射频放大器和天线依次顺序连接；所述控制器和射频放大器的电 源由3. 3V电源提供；所述控制器为CC2530芯片；所述射频放大器为MAX2247射频放大器。上述故障定位系统，优选所述的PC机与所述控制器通过USART0SPI串口通讯方式 连接，3. 3V电源直接通过市电降压整流稳压得到。本发明利用架空输电线路区内故障时故障点两端的导线线电流相位发生变化来 判定位故障位置，大大减小了故障定位的偏差。
图1为本发明的工作原理图；图2为本发明采用的故障定位系统(a相)示意图；图3为本发明电流相位检测装置方框图；图4为本发明信号及电源部分的电路图；图5为电流_电压相位波形图；图6为本发明CC2530编程控制芯片的电路示意图；图7为本发明射频放大器的电路示意图；图8为本发明基站Mtl的结构框图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实 施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的工作原理介绍如下如图1所示，在A、B之间是架空输电线路L，为a、b、c三相输电线路。正常运行 时，整个输电线路每相导线中，线电流处处大小相等，相位相同(输电线路分布电容电流影 响不大，可以忽略不计)。当f点发生短路故障时(1)、如果A、B端都有等值电源存在，则 在故障点f两侧输电线路的电流相位不同；(2)如果A端有等值电源存在，B端没有等值电 源存在，则A侧有短路电流，B侧无短路电流；(3)如果B端有等值电源存在，A端没有等值 电源存在，则B侧有短路电流，A侧无短路电流。总而言之，当输电线路发生短路故障时，短 路点两侧电流相位一定不同。依靠输电线路中电流相位的变化，就可以准确的定位短路点。架空输电线路的输电导线是经绝缘子与杆塔固定连接的。一条架空输电线路是由 许多个杆塔支撑着输电导线构成的。一般架空输电线路的杆塔之间距离大约在100-500m 之间。只要能准确的定位短路故障发生在某2个杆塔之间，就可以快速的找到故障点。下面对本发明进行详细说明。
如图2所示，整个架空输电线路有η个杆塔，杆塔的编号为1、2、3... i、i+1. . . η。 在每个杆塔的每一相输电导线上加装一个电流相位检测装置，一共加装3η个电流相位检 测装置。下面以a相为例来说明。对应着杆塔1、2、3. . . i、i+1. . . η的电流相位检测装置编号为礼、M2, M3. . . Mi, Mi+1. . .Mn。当a相发生短路故障时，比如在杆塔i与杆塔i+Ι之间发生短路故障，那么电流 相位检测装置Mi、M2、M3. . . Mi处检测到的输电线路电流相位是相同的，而Mi与Mi+1处检测到 的输电线路电流相位不同，相位发生了变化。利用电流相位的这种变化就可以确定短路发 生在杆塔i与杆塔i+Ι之间。使用电流相位检测装置礼^2^3. . .Mi、Mi+1. . .Mn，将每个电流 相位检测装置安装处的电流相位变化信息传递到置于输电线路L端的监测设备Mc^简称为 基站Mtl，一般在含有等值电源那端)上。在基站MO上就可以定位出短路故障发生的位置。
同样，b、c相的故障定位方法与a相类似。Zigbee是IEEE 802. 15. 4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距 离、低功耗、自组织及低成本的无线通信技术。比如使用芯片CC2530(每块芯片的价格大约 为2美元)来构成一个Zigbee网络节点，它依据802. 15. 4标准，在数千个Zigbee网络节点 之间相互协调实现通信。这些Zigbee网络节点只需要很少的能量，以接力的方式通过无线 电波将数据从一个Zigbee网络节点传到另一个Zigbee网络节点。每个Zigbee网络节点 不仅本身可以作为监控对象，例如用其所连接的电流互感器直接进行数据采集和监控，还 可以自动中转别的Zigbee网络节点传过来的数据资料。一个Zigbee网络节点传输范围一 般介于10 IOOm之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1 3km。这里指的传输范围是 相邻节点间的距离。通过节点间通信的接力，传输距离将可以非常远。Zigbee网络通信使 用免执照频段2. 4GHz。Zigbee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干 子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最 多可组成65000个节点的大网。本发明中使用的电流相位检测装置MpM2、M3. . .Mi、Mi+1. ..Mn 以及基站Mtl就是由Zigbee网络节点构成的，编程控制芯片采用CC2530。图3为本发明电流相位检测装置的结构框图。该电流相位检测装置包括信号及电 源电路、CC2530编程控制芯片、MAX2247射频放大器和天线。信号及电源电路作用有两点，一是检测所安装电流相位检测装置处输电线路中导 线电流的相位，二是给整个电流相位检测装置提供电源。CC2530编程控制构成了 Zigbee网络节点的核心部分，它的作用是通过编程来控 制CC2530发射和接受信息，并对相位信息进行比较处理。MAX2247射频放大部分作用是将CC2530编程控制的发射信息功率放大以增大发 射距离。天线的作用是发射和接受信息。参照图4，图4为信号及电源电路示意图，包括电源部分经电流互感器TA将输电线路一次侧电流;^感应到二次侧，感应电流为
J2 ,由整流二极管V1、V2、V3及V4全波整流，稳压管DW稳压为4V，通过隔离二极管D5向电 容C充电，构成3. 3V电源。信号部分经电流互感器TA将输电线路一次侧电流；^感应到二次侧电流& ,经限流电阻Rl接光电耦合器GD发射端，在光电耦合器GD的接收端I/O 口得到如图5所示方波 电压VIA)。这个方波电压VIA)信号里包含有一次侧输电线路导线中的电流相位信息。电流互感器TA铁芯采用特制的环形铁芯，一次侧穿过铁芯，二次侧线圈绕在铁芯 上。整个环形铁芯分为可以拼接在一起的两半，以方便在现场安装。参照图5，图5为电流-电压相位波形图。图中，电 流互感器TA的一次侧波形为；[,电流互感器TA的二次侧波形为；[2，图中没
有计及电流互感器一次侧电流与二次侧电流的相位差。VIA)为经过信号转换得到的一次侧 电流的电压方波。这个方波电压信号里包含有一次侧输电线路导线中的电流相位信息。参照图6，图6为本发明CC2530编程控制芯片的电路示意图。在图中，I/O端口为方波信号接收端口，RFOUT为射频信号发送端口。将包含有本 节点⑴一次侧输电线路导线中的电流相位信息的方波电压信号VIA)输入到CC2530的通 用I/O端口 (比如11脚的Ph 口)。通过对CC2530编程和控制，将检测到的输入的方波信 号发送出去，以供下一个节点(i+Ι)接收比较，同时接收从上一个节点(i_l)发射来的方波 信号与本节点(i)的方波信号进行比较，计算得到本节点(i)与上一个节点(i_l)方波信 号的相位变化情况。具体是检测本节点(i节点)处的电流相位并且发射出去，以供下一个 节点(i+Ι节点)接受。接受上一个节点(i_l)的电流相位并与本节点(i)电流相位相比 较。如果本节点(i)与上一个节点(i_l)电流相位相同，则发射信息为本节点(i)编号和 相位没有变化代码1，反之，如果本节点(i)与上一个节点(i_l)电流相位不相同，则发射信 息为本节点(i)编号和相位变化代码0。参照图7，图7为射频放大器的电路示意图。通过端口 RFOUT将CC2530芯片输出 的射频信号通过MAX2247及它的外部电路将信号的功率放大，通过天线发射出去，以使得 信号传输距离达到lKm。参照图8，图8为本发明基站Mtl方框图，图中，CC2530、MAX2247及天线这3部分接 线方法与图3中的接线相似，3. 3V电源可以直接通过市电降压整流稳压得到。CC2530通过 USART0SPI串口通讯方式与计算机连接，CC2530的端口选择P0_2、P0_3、P0-4和P0-5。通 过计算机编程处理数据，在计算机上显示出各个杆塔处的输电线路电流相位变化情况，从 而定位故障点。电流相位检测装置由于所用电流互感器TA器件一次侧与二次侧相位差参数的分 散性，所用光电耦合器GD参数的分散性以及两个节点之间的通信延时，必然会造成相邻两 节点间的相位数据即使是在一次测电流完全同相位下也会有一定差距，所以编程判断时， 要在相邻两节点间设定一个相位误差范围S。相对于故障点两侧电流相位的相位差而言， 这个误差是极小的。如果相邻节点的相位误差比S�。腿衔饬礁鼋诘阃辔�。否则， 就认为这两个节点相位发生了变化。以上对本发明所提供的一种架空输电线路故障定位系统进行详细介绍，本文中应 用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助 理解本发明的系统及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想， 在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本 发明的限制。
权利要求
一种架空输电线路故障定位系统，其特征在于，包括基站和多个电流相位检测装置，所述每一电流相位检测装置设置于架空输电线路杆塔的每一相输电导线上；并且，所述基站和所述多个电流相位检测装置构成Zigbee网络，以依据802.15.4标准，在所述Zigbee网络节点之间进行通信以实现故障点的定位。
2.根据权利要求1所述的故障定位系统，其特征在于，所述电流相位检测装置包括信号及电源电路、控制器、射频放大器和天线，所述控制器、所述射频放大器和所述天线依次顺序连接；所述信号及电源电路包括信号部分和电源部分，所述信号部分与所述每一相输电导线 相连接，用于检测输电导线中电流的相位，所述电源部分分别与所述控制器、所述射频放大 器相连接，用以给所述控制器、所述射频放大器提供电源。
3.根据权利要求2所述的故障定位系统，其特征在于，所述电源部分包括电流互感器TA、由整流二极管V1、V2、V3及V4构成的全波整流电路、 稳压管DW、隔离二极管D5和滤波电容C ；电流互感器TA —次侧为架空输电线路的输电导线，该导线穿过电流互感器TA的闭合 铁芯；电流互感器TA的二次侧两端接在由整流二极管VI、V2、V3及V4构成的全波整流电 路的交流输入端，全波整流电路的直流输出端正极与稳压管DW的阳极及隔离二极管D5的 阳极连接在一起，隔离二极管D5的阴极接滤波电容C的阳极；全波整流电路的直流输出端 负极与稳压管DW的阴极及滤波电容C的阴极连接在一起。
4.根据权利要求3所述的故障定位系统，其特征在于，所述信号部分包括所述电流互感器TA、限流电阻R1、光电耦合器GD和电阻R2，输电导 线一次侧电流经所述电流互感器TA感应为二次侧电流，所述二次侧电流经所述限流电阻 Rl与所述光电耦合器GD的发射端相连接；电源正端VCC经所述电阻R2与所述光电耦合器 GD的接受端连接；所述电阻R2与所述光电耦合器GD的接受端连接点输出电流相位信号。
5.根据权利要求4所述的故障定位系统，其特征在于，所述控制器为CC2530芯片。
6.根据权利要求5所述的故障定位系统，其特征在于，所述射频放大器为MAX2247射频 放大器。
7.根据权利要求1所述的故障定位系统，其特征在于，所述基站包括PC机、控制器、射频放大器、天线和3. 3V电源，所述PC机、控制器、射频放大器和天线依 次顺序连接；所述控制器和射频放大器的电源由3. 3V电源提供；所述控制器为CC2530芯 片；所述射频放大器为MAX2247射频放大器。
8.根据权利要求7所述的故障定位系统，其特征在于，所述的PC机与所述控制器通过USART0SPI串口通讯方式连接，3. 3V电源直接通过市电 降压整流稳压得到。
全文摘要
本发明公开了一种架空输电线路故障定位系统、电流相位检测装置。该系统包括基站和多个电流相位检测装置，所述每一电流相位检测装置设置于架空输电线路杆塔的每一相输电导线上；并且，所述基站和所述多个电流相位检测装置构成Zigbee网络，以依据802.15.4标准，在所述Zigbee网络节点之间进行通信以实现故障点的定位。本发明利用架空输电线路区内故障时故障点两端的导线线电流相位发生变化来判定位故障位置，大大减小了故障定位的偏差。
文档编号G01R31/08GK101871990SQ20101018930
公开日2010年10月27日 申请日期2010年5月24日 优先权日2010年5月24日
发明者刘平竹 申请人:北京交通大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
