CN105388391A - 用于使用分布式通信来识别故障位置的***和方法 - Google Patents

用于使用分布式通信来识别故障位置的***和方法 Download PDF

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Abstract

本发明题为“用于使用分布式通信来识别故障位置的***和方法”。提供用于定位配电***（102）中的故障的故障定位***（100）。该故障定位***包括：接地电阻器组件（202），其配置成响应于故障的检测而生成在接通期间与关断期间之间交替的跟踪信号；和多个配电网络（146，148，149，150，152，154），其中该多个配电网络的第一配电网络配置成接收同步消息（其包括接通期间和关断期间的定时）、基于该同步消息来测量通过第一配电网络的电流以尝试检测故障、当在第一配电网络处检测到故障时将故障检测消息广播到多个配电网络的所有其他配电网络以及确定第一配电网络是否是故障位置。

Description

用于使用分布式通信来识别故障位置的***和方法
技术领域
本发明的领域大体上涉及配电***，并且更特定地，涉及确定配电***中的故障的位置。
背景技术
接地故障是电气***中的不可取状况，其中电流流向地面。接地故障在分配或传输网络中的电流泄漏到它的规定流路外部时发生。大体上采用故障部件或传输线借助于关联的断路器而自动断开这样的方式保护分配和传输网络以免受故障的影响。
对于低压电力***的一个接地策略是高电阻接地。在该电阻接地电力***中，在源电力变压器的中性与接地之间提供阻抗。该高电阻接地允许持续操作电力***，即使在单相接地故障的情况下也如此。然而，根据***设计，为了准许这样的持续操作，应检测并且定位接地故障来减轻电力***中的过多电压应力并且还移除初始故障来消除相间系列故障的出现。
在至少一些已知***中，高电阻接地故障的位置的识别需要对于出故障线路使用便携式测量设备的手动搜索或相对复杂的中央控制模块。使用便携式测量设备可是相对耗时且劳动密集型的。此外，使用中央控制模块在计算上可复杂且相对昂贵。
发明内容
在一个方面中，提供用于定位配电***中的故障的故障定位***。该故障定位***包括：接地电阻器组件，其配置成响应于故障的检测而生成在接通期间与关断期间之间交替的跟踪信号；和多个配电网络，其中该多个配电网络的第一配电网络配置成接收同步消息（其包括接通期间和关断期间的定时）、基于该同步消息测量通过第一配电网络的电流以尝试检测故障、当在第一配电网络处检测到故障时将故障检测消息广播到多个配电网络的所有其他配电网络以及确定第一配电网络是否是故障位置。
在另一个方面中，提供用于定位配电***中的故障的配电网络。该配电网络包括：通信模块，其配置成接收同步消息（其包括跟踪信号的接通期间和关断期间的定时）；电流传感器，其配置成测量通过配电网络的电流；和处理器，其通信耦合于电流传感器并且配置成基于测量的电流和同步消息来检测故障，其中通信模块通信地配置成在检测到故障时广播故障检测消息，并且其中处理器进一步配置成确定配电网络是否是故障位置。
在再另一个方面中，提供用于确定配电网络中的故障的位置的方法。该方法包括：检测多个配电网络的第一配电网络处的故障；使用接地电阻器组件来生成跟踪信号，其中该跟踪信号在接通期间与关断期间之间交替；将同步消息从第一配电网络传送到多个配电网络的所有其他配电网络，其中同步消息包括接通期间和关断期间的定时；在每个配电网络处基于同步消息来测量电流以尝试检测故障；从检测到故障的至少一个配电网络广播故障检测消息；以及确定该至少一个配电网络是否是故障位置。
附图说明
图1是示范性接地故障定位***的电路图。
图2是在图1中示出的接地故障定位***的简化图。
图3是用于定位在图1和2中示出的配电***中的故障的示范性方法的流程图。
具体实施方式
提供故障定位***的示范性实施例。接地电阻器组件响应于故障的检测而生成跟踪信号，其在接通期间与关断期间之间交替。多个配电网络利用分布式通信来识别故障位置。例如，检测到故障的任何配电网络可将故障检测消息广播到所有其他配电网络。
图1是三相高电阻接地配电***102的示范性接地故障接地定位***100的电路图。接地故障定位***100包括多个电流传感器104、106、107、108、120、122和124以及耦合于三相配电***102的至少一个电压传感器126，用于分别测量瞬时电流和瞬时电压的值。在示范性实施例中，电流传感器104、106、107、108、120、122和124是电流互感器，其配置成生成代表通过每个相的瞬时电流的反馈信号，并且电压传感器126是电压互感器，其适于测量从相到中性的瞬时电压。备选地，电流传感器104、106、107、108、120、122和124和电压传感器126每个可以是任何类型的传感器，其使接地故障定位***100能够如本文描述的那样起作用。
在示范性实施例中，三相配电***102包括电力变压器128，其具有输入侧130和输出侧132。电力变压器128包括三个相（即，第一相134、第二相136和第三相138），其在该实施例中在输入侧130处采用Δ配置并且在输出侧132处采用Y配置耦合。在电力变压器128的输出侧132处的接地线140使用接地电阻器142接地。接地电阻器142配置成减少接地故障电流，使得三相配电***102可以在定位故障时维持操作。在图1中示出的实施例中，传感器124配置成测量流过接地电阻器142的电流。备选地，在一些实施例中，传感器124是电压传感器，其配置成测量跨接地电阻器142的中性到接地电压。
测试信号生成装置144跨接地电阻器142的部分耦合并且配置成将测试信号或跟踪信号引入三相配电***102内。在一个示例中，测试信号是在期望间隔生成的脉冲信号。在另一个示例中，测试信号是以与三相配电***102所分配的电流的频率不同的频率的单音信号。在图1中示出的实施例中，测试信号生成装置144是提供以在三相配电***102中生成脉冲信号的开关。接地电阻器142通过闭合开关以在期望间隔生成脉冲信号而定期部分短路。在备选实施例中，测试信号生成装置144可以是电流源，其配置成以与电流的基频不同的频率将零序电流注入三相配电***102。
如图示的，电力变压器128的三个相134、136、138耦合于多个三相分配网络146、148、149、150、152和154。在图示的实施例中，电流传感器104、106、107、108、120和122分别耦合于分配网络146、148、149、150、152和154。备选地，任何数量的电流传感器可用于准确定位***102中的接地故障，如本文描述的。此外，在适当情况下，每个分配网络提供有断路器156，以及其他保护装置。还图示另一个分配网络158，其耦合于电力变压器128。电压传感器126经由限制到电压传感器126的电流的一组保险器160而耦合于分配网络158。电压传感器126配置成测量***102中相到中性电压。
来自电流传感器104、106、107、108、120、122和124和电压传感器126的模拟信号可转换成数字信号。如下文论述的，被监测电流值可通过相量分析来处理以去除与通过电力变压器128的中性接地电阻器142异相的电容性电流。当存在时，接地故障定位在检测到测试信号或跟踪信号所在的位置与未检测到***102中的测试信号所在的下游位置之间。***102便于定位和隔离接地故障，如本文描述的。
图2是接地故障定位***100的简化图。如在图2中示出的，接地电阻器组件202包括接地电阻器142、测试信号生成装置144和电流传感器124。组件202还包括控制模块204，其耦合于测试信号生成装置144。控制模块204控制测试信号生成装置144以在期望间隔生成脉冲信号，如本文描述的。
如本文描述的，每个分配网络146、148、149、150、152和154是彼此通信耦合以便于通过三相配电***102控制配电的部件的集合。在示范性实施例中，分配网络146、148、149、150、152和154分别包括电流传感器104、106、107、108、120和122，以及断路器156。此外，在示范性实施例中，每个分配网络146、148、149、150、152和154包括处理器210、存储器装置212和通信模块214。处理器210、存储器装置212和通信模块214便于处理数据和在分配网络146、148、149、150、152和154之间提供通信来识别故障位置，如本文描述的。配电网络146可称为主配电网络，并且配电网络148、149、150、152和154可称为支线配电网络。
处理器210可通过将操作编码为一个或多个可执行指令并且通过在存储器装置212中提供可执行指令而编程。处理器210可包括一个或多个处理单元（例如，采用多核配置）。此外，处理器210可使用一个或多个异构处理器***（其中主处理器与辅处理器一起在单芯片上存在）来实现。作为另一个说明性示例，处理器210可以是对称多处理器***，其包含相同类型的多个处理器。此外，处理器210可使用任何适合的可编程电路来实现，其包括一个或多个***和微控制器、微处理器、精简指令集电路（RISC）、专用集成电路（ASIC）、可编程逻辑电路、现场可编程门阵列（FPGA）和能够执行本文描述的功能的任何其他电路。
在示范性实施例中，存储器装置212是使信息（例如可执行指令和/或其他数据）能够被存储和检索的一个或多个装置。存储器装置212可包括一个或多个计算机可读介质，例如而无限制地，动态随机存取存储器（DRAM）、静态随机存取存储器（SRAM）、固态盘和/或硬盘。存储器装置212可配置成无限制地存储应用源代码、应用对象代码、感兴趣的源代码部分、感兴趣的对象代码部分、配置数据、执行事件和/或任何其他类型的数据。
通信模块214便于在分配网络146、148、149、150、152和154之间传送和接收数据。通信模块214可使用任何适合的通信介质传送和接收数据，其包括但不限于有线（例如，以太网）和/或无线网络、铱卫星网络、无线电、3G、控制器导频数据链路（CPDL）和战术数字信息链路（TADIL）。在一些实施例中，通信模块214使用根据IEC61850的协议来传送和接收数据。
图3是图示用于定位配电***102（在图1和2中示出）中的故障的示范性方法300的流程图。起初，主配电网络146检测302（例如，使用电流传感器104）配电***102中的接地故障。故障可以是例如第一相134、第二相136和第三相138中的一个短路到接地线140。
在检测302到故障时，控制模块204生成304跟踪信号，其可以用于确定故障的位置，如本文描述的。在示范性实施例中，为了生成304跟踪信号，控制模块204控制测试信号生成装置144以选择性地使接地电阻器142部分短路，从而生成脉冲信号。例如，接地电阻器142可每10秒持续一秒地短路一次。即，测试信号生成装置144在持续一秒接通（在本文称为“接通期间”）与持续九秒关断（在本文称为“关断期间”）之间交替。备选地，跟踪信号可使用使方法300能够如本文描述的那样确定故障位置的任何技术来生成304。例如，在一些实施例中，以与配电***102所分配的电流的基频不同的频率的零序电流跨接地电阻器142注入来生成304跟踪信号。
在示范性实施例中，主配电网络146通信耦合于接地电阻器组件202。因此，主配电网络146将同步消息传输306到余下的配电网络148、149、150、152和154。具体地，同步消息包括跟踪信号的接通和关断期间的定时，从而确保配电网络146、148、149、150、152或154中的电流传感器104、106、107、108、120和122全部步调一致地测量关于接通和关断期间的相应电流。在示范性实施例中，同步消息还包括在主配电网络146中计算的补偿相量。
具体地，因为主配电网络146具有通过接地电阻器142的电流的直接测量，主配电网络146可以从直接测量计算相量。该相量通过将测量相位的复共轭除以它的振幅而转换成单位振幅、向后旋转补偿相量。配电网络148、149、150、152和154每个计算如由它们的相应电流传感器106、107、108、120和122测量的零序电流。合成零序相量乘以来自主配电网络146的补偿相量。
基于同步消息，每个配电网络146、148、149、150、152和154使用关联的电流传感器104、106、107、108、120和122来测量308电流以检测故障。在示范性实施例中，为了检测故障，处理器210在跟踪信号的多个接通期间和关断期间上执行长期平均并且将平均值与主配电网络146的平均值比较。通过在跟踪信号的多个周期内执行长期平均，可以检测到电流中相对小的差异。备选地，每个配电网络146、148、149、150、152和154可测量308电流以使用使配电***102能够如本文描述的那样起作用的任何技术来检测故障。检测故障的每个配电网络146、148、149、150、152和154将故障检测消息广播310到所有其他配电网络。
基于一个或多个故障检测消息，检测故障的每个配电网络146、148、149、150、152和154确定312特定配电网络是否是故障位置。具体地，基于一个或多个故障检测消息，检测故障的每个配电网络146、148、149、150、152和154确定（即，使用处理器210）在该特定配电网络下游的任何配电网络是否也检测到故障。如果一个或多个下游配电网络也检测到故障，该特定配电网络未将它自己确定为故障位置。如果没有下游配电网络也检测到故障，该特定配电网络将它自己识别为故障位置。
例如，假设配电网络148检测到故障。如果配电网络148从配电网络149接收故障检测消息，配电网络148未将它自己确定为故障位置。然而，如果配电网络148未从配电网络149接收故障检测消息（即，配电网络149未检测到故障），则配电网络148将它自己确定为故障位置。当特定配电网络将它自己确定为故障位置时，该配电网络采取合适的动作来隔离故障（例如，使关联的断路器156跳闸）或将故障的存在和位置传达给用户用于在用户选择的时间的后来隔离。一旦隔离故障，人员可以前往安全的断电区域来识别并且解决故障。在一些实施例中，为了便于确保故障被隔离，如果在预定时间后没有配电网络将它们自己确定为故障位置，断路器156在检测到故障的所有配电网络中跳闸。
为了便于确定故障位置，在示范性实施例中，配电***10的层级存储在每个配电网络146、148、149、150、152和154中的存储器装置212中。具体地，配电网络146、148、149、150、152和154之间的上游和/或下游关系存储在每个存储器装置212中。因此，对于指定配电网络，关联的处理器210可以基于一个或多个故障检测消息和存储在关联存储器装置212中的层级来确定配电网络是否是故障位置。
因此，配电网络146、148、149、150、152和154之间的分布式通信能够在不使用中央控制器的情况下识别故障位置。分布式通信架构还实现其他功能性。例如，如果用户选择不立即隔离故障，存在可出现第二接地故障的风险。该第二接地故障将作为相间故障而出现（除非它在相同相上出现）并且将不具有接地电阻器142的限制。在该情形中，检测到故障的断路器156可跳闸。通过确定第一接地故障的故障位置，上游配电网络中的断路器156可在出现第二接地故障之前被禁止跳闸。
如与至少一些已知配电***相比，本文描述的***和方法便于在不使用便携式测量设备的情况下识别故障位置。此外，本文描述的故障位置***不需要中央控制模块来确定故障位置。相反，本文描述的实施例使用分布式通信方案来识别故障的位置。
本文描述的***和方法的至少一个技术效果包括（a）将同步消息从第一配电网络传送到多个配电网络的所有其他配电网络，其中该同步消息包括接通期间和关断期间的定时；（b）在每个配电网络处基于同步消息来测量电流以尝试检测故障；（c）从检测到故障的每个配电网络广播故障检测消息；以及（d）对于检测到故障的每个配电网络确定该配电网络是否是故障位置。
在本文图示和描述的本发明的实施例中的操作的执行或履行顺序不是必不可少的，除非另外规定。即，操作可采用任何顺序进行，除非另外规定，并且本发明的实施例可包括另外的或比本文公开的那些更少的操作。例如，预期在另一个操作之前、与其同时或在其之后执行或进行特定操作在本发明的方面的范围内。
尽管本发明的各种实施例的特定特征可在一些图中示出并且不在其他图中示出，这只是为了方便。根据本发明的原理，图的任何特征可与任何其他图的任何特征结合参考和/或要求保护。
该书面描述使用示例来公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域内任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或***并且进行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域内技术人员想起的其他示例。这样的其他示例如果它们具有不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件则规定在权利要求的范围内。
附图标记说明
。

Claims (10)

1.一种用于定位配电***（102）中的故障的故障定位***（100），所述故障定位***包括：
接地电阻器组件（202），其配置成响应于所述故障的检测而生成在接通期间与关断期间之间交替的跟踪信号；和
多个配电网络（146，148，149，150，152，154），其中所述多个配电网络的第一配电网络配置成：
接收同步消息，其包括接通期间和关断期间的定时；
基于所述同步消息来测量通过所述第一配电网络的电流以尝试检测所述故障；
当在所述第一配电网络处检测到故障时将故障检测消息广播到所述多个配电网络的所有其他配电网络；以及
确定所述第一配电网络是否是所述故障的位置。
2.如权利要求1所述的故障定位***（100），其中所述多个配电网络的第二配电网络（146，148，149，150，152，154）配置成将所述同步消息传送到所述多个配电网络的所有其他配电网络。
3.如权利要求2所述的故障定位***（100），其中所述多个配电网络的所述第二配电网络（146，148，149，150，152，154）进一步配置成：
计算补偿相量；以及
在所述同步消息中包括所述计算的补偿相量。
4.如权利要求1所述的故障定位***（100），其中所述多个配电网络的每个配电网络（146，148，149，150，152，154）包括：
电流传感器（104，106，107，108，120，122，124）；
断路器（156）；
处理器（210）；
存储器装置（212）；以及
通信模块（214）。
5.如权利要求1所述的故障定位***（100），其中所述接地电阻器组件（202）包括：
接地电阻器（142）；
测试信号生成装置（144），其配置成使所述接地电阻器部分短路来生成所述跟踪信号；以及
控制模块（204），其配置成控制所述测试信号生成装置的操作。
6.如权利要求1所述的故障定位***（100），其中为了确定所述第一配电网络（146，148，149，150，152，154）是否是所述故障的位置，所述第一配电网络配置成在所述第一配电网络广播所述故障检测消息并且没有在所述第一配电网络下游的配电网络广播故障检测消息时将它自己确定为所述故障的位置。
7.如权利要求1所述的故障定位***（100），其中所述第一配电网络（146，148，149，150，152，154）包括存储器装置（212），并且其中所述第一配电网络配置成至少部分基于存储在所述存储器装置上的层级来确定所述第一配电网络是否是所述故障的位置。
8.一种用于定位配电***（102）中的故障的配电网络（146，148，149，150，152，154），所述配电网络包括：
通信模块（214），其配置成接收同步消息，所述同步消息包括跟踪信号的接通期间和关断期间的定时；
电流传感器（104，106，107，108，120，122，124），其配置成测量通过所述配电网络的电流；
处理器（210），其通信耦合于所述电流传感器并且配置成基于所述测量的电流和所述同步消息来检测故障，其中所述通信模块通信地配置成在检测到所述故障时广播故障检测消息，并且其中所述处理器进一步配置成确定所述配电网络是否是所述故障的位置。
9.如权利要求8所述的配电网络（104，106，107，108，120，122，124），其中所述通信模块（214）进一步配置成将所述同步消息传送到至少一个另外的配电网络。
10.如权利要求9所述的配电网络（104，106，107，108，120，122，124），其中所述处理器（210）进一步配置成：
计算补偿相量；以及
在所述同步消息中包括所述计算的补偿相量。
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