CN111123037A - 一种配电网故障定点检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种配电网故障定点检测装置及检测方法，检测装置包括信号源和检测器；其中，所述信号源，连接于配电网的故障区段，用于在故障区段所属的多个分支线路停运时，向多个分支线路的接地相注入特征信号，向检测器发送特征信号电压、频率信息，所述特征信号通过所述多个分支线路的接地点构成回路；所述检测器，连接于多个分支线路连接，用于基于所述回路，对所述多个分支线路流过的特征信号进行测量，接受信号源发送来的信息，以得到故障区域中每个分支线路的阻性电流，并基于该阻性电流确定所述故障区段的接地点。本发明检测效率高和数据准确性好。

Description

一种配电网故障定点检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于配电故障检测设备技术领域，尤其是涉及一种配电网故障定点检测装置及检测方法。

背景技术

我国配电网线路复杂，分支繁多，一旦发生接地故障，很难进行定位。据统计，电力用户遭受的停电事故95％以上是由配电网故障引起的。因此，准确定位配电网故障位置，对于及时隔离并修复故障、提高供电可靠性具有十分重要的意义。

目前普遍采用信号注入法来进行故障的定位。信号源向故障相注入低频交流信号，然后用检测器沿故障线路进行地面巡测，当测得配电线路有电流时，说明故障点在测量点的下游，若无电流，说明故障点在测量点的上游。在故障点前后，检测器的指示有明显的大幅度变化，根据其明显变化判断故障点所在。

但是，由于架空线路与大地之间存在分布电容，与信号源注入点的距离不同产生的容性电流也不同，且输电线路上由于种种原因存在大量入地电缆，这些电缆的分布电容更大。输电线路上的分布电容越大，容性电流越大，实际在故障点前后测得的电流无明显差异，无法检测出信号电流的突变，难以定位故障点。由于分布电容的存在，目前故障定位仪要求线路的对地电容影响不大，忽略短分支的分布电容，接地电阻值范围小等，这些约束条件使得故障定位仪存在有效定位距离较短，精确度不高等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种配电网故障定点检测装置，以解决上述背景技术中提到的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种配电网故障定点检测装置，包括信号源和检测器；其中，

所述信号源，连接于配电网的故障区段，用于在故障区段所属的多个分支线路停运时，向多个分支线路的接地相注入特征信号，向检测器发送特征信号电压、频率信息，所述特征信号通过所述多个分支线路的接地点构成回路；

所述检测器，连接于多个分支线路连接，用于基于所述回路，对所述多个分支线路流过的特征信号进行测量，接受信号源发送来的信息，以得到故障区域中每个分支线路的阻性电流，并基于该阻性电流确定所述故障区段的接地点。

进一步的，所述信号源包括箱体，箱体表面设有显示屏和第一开关，箱体内设有电路板，电路板上设有第一CPU、A/D转换电路、D/A转换电路、相位鉴别电路、第一电源、功放电路、第一无线通讯模块、以及信号输出模块；

所述第一电源通过第一电源电路连接第一CPU、显示屏以及第一无线通讯模块，用于为第一CPU、显示屏以及第一无线通讯模块供电；

所述第一CPU通过相关管脚连接显示屏、第一无线通讯模块、相位鉴别电路、A/D转换电路、以及D/A转换电路；

所述D/A转换电路还连接功放电路；

所述A/D转换电路和功放电路均连接信号输出模块。

进一步的，所述检测器包括外壳，外壳表面设有第二开关，其特征在于：还包括设置在外壳内的控制电路板，所述控制电路板上设有第二CPU、感应线圈、滤波放大器、第二无线通讯模块、第二电源、以及无线充电模块；

所述第二电源通过第二电源电路连接第二CPU和第二无线通讯模块，用于为第二CPU和第二无线通讯模块供电；

所述第二CPU通过相应管脚连接第二无线通讯模块以及滤波放大器；

所述滤波放大器还连接感应线圈；

所述第二电源还连接无线充电模块，所述无线充电模块包括无线充电电路以及无线充电线圈。

本发明的另一目的在于提出一种配电网故障定点检测方法，包括如下步骤：

S1、信号源向被测线路发送频率为f₁的信号电流，并将频率为f₁，电压为U₁的特征信号数据发送给检测器；

S2、检测器测量线路上有效电流I₁，计算被测线路上复阻抗大小Z₁；

S3、信号源向被测线路发送频率为f₂的信号电流，并将频率为f₂，电压为U₂的特征信号数据发送给检测器；

S4、检测器测量线路上有效电流I₂，计算被测线路上复阻抗大小Z₂；

S5、在架空和埋地电缆混合线路中，线路的复阻抗呈现为容性，故复阻抗的电抗X等于等效容抗X_C，根据两次计算出的阻抗Z₁、Z₂和检测线路上的等效电阻R和等效电容C的关系列出关于复阻抗模的二元二次方程组，求解取绝对值得到检测线路上的等效电阻R和等效电容C；

S6、计算被测线路在某一频率下的等效容抗X_C1或X_C2；

S7、计算被测线路的阻抗角ψ₁或ψ₂；

S8、计算被测线路的阻性电流I_R。

进一步的，复阻抗计算公式为Z＝U/I(1)

式中，U为信号源发送来的有效电压值，I为检测器测量到线路的有效电流值。

进一步的，所述的被测线路的容抗大小X_C的计算公式为：

式中，f为信号源发送来的信号电流频率，C为被测线路上的等效电容。

进一步的，所述的二元二次方程组为：

式中，f₁、f₂为信号源发送来的信号电流频率，R为被测线路上的等效电阻，X_C1、X_C2为被测线路在某一频率下的等效容抗，Z₁、Z₂为计算出的不同频率下被测线路的阻抗大小。

进一步的，所述被测线路在某一频率下的等效容抗X_C1、X_C2的计算公式为：

式中，f₁、f₂为信号源发送来的信号电流频率，C为被测线路上的等效电容。

进一步的，所述被测线路的阻抗角ψ_1\ψ₂的计算公式为：

ψ₁＝arctan(X_C1/R)(6)

所述被测线路的阻抗角ψ₂的计算公式为：

ψ₂＝arctan(X_C2/R)(7)

式中，R为被测线路等效电阻的大小，X_C1为被测线路在频率为f₁的电流下等效容抗的大小，X_C2为被测线路在频率为f₂的电流下等效容抗的大小。

进一步的，所述的被测线路阻性电流I_R的计算公式为：

I_R＝I₁cosψ₁(8)

式中，I₁为被测线路在频率为f₁电流下的有效电流值，ψ₁为被测线路在频率为f₁电流下的复阻抗的阻抗角；

或

I_R＝I₂cosψ₂(9)

式中，I₂为被测线路在频率为f₂电流下的有效电流值，ψ₂为被测线路在频率为f₂电流下的复阻抗的阻抗角。

相对于现有技术，本发明所述的一种配电网故障定点检测装置及检测方法具有以下优势：

本发明采用向故障区段线路接地相注入两种异频特征信号、并对线路流过的特征信号进行测量、计算阻性电流的方式，确定故障区段的接地点，以解决目前配电网故障定点仪因分布电容造成的灵敏度低及可靠性等问题，从而，克服现有技术中检测效率低、数据准确性差等缺陷，以实现检测效率高和数据准确性好的有益效果。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例所述的阻抗示意图；

图2是本发明实施例所述的的电流示意图；

图3为本发明实施例所述的信号源的示意图；

图4为本发明实施例所述的第一电源电路示意图；

图5为本发明实施例所述的信号源中的单片机电路图；

图6为本的发明实施例所述的第一无线通讯模块电路图；

图7为本发明实施例所述的A/D转换电路示意图；

图8为本发明实施例所述的功放电路示意图；

图9为本发明实施例所述的检测器的示意图；

图10为本发明实施例所述的无线充电电路的电路图；

图11为本发明实施例所述的第二电源电路的电路图；

图12为本发明实施例所述的第二无线通讯模块的电路图；

图13为本发明实施例所述的滤波放大器的电路图；

图14为本发明实施例所述的检测器中的CPU的电路图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-2所示，本发明提出一种基于异频信号计算阻性电流原理的配电网故障定点检测装置及检测方法。利用信号源向被测线路注入两种不同频率的特征电流信号，并将信号频率和输出电压发送至检测器。利用检测器测量两次不同频率特征信号对应的电流有效值，由于信号源电压有效值在故障线路上的损耗极小，所以近似等于故障线路上的电压有效值，根据复数形式的欧姆定律，计算出被测线路复阻抗的大小。根据两个不同频率的特征信号在测量线路上的不同复阻抗可列出复阻抗模的二元二次方程组，求解取绝对值得到被测电路的等效电阻和等效电容。利用等效电阻和等效容抗求出故障线路的阻抗角，即可求出被测线路的阻性电流。将测量结果通过bluetooth或 wifi发送至手机，用户可利用手机APP接收并显示测量结果。以解决目前配电网由于分布电容影响使检测器不能有效地评估预测，并给出正确结果的问题。

本发明的检测装置包括信号源和检测器；其中，

所述信号源，连接于配电网的故障区段，用于在故障区段所属的多个分支线路停运时，向多个分支线路的接地相注入特征信号，向检测器发送特征信号电压、频率信息，所述特征信号通过所述多个分支线路的接地点构成回路；

所述检测器，连接于多个分支线路连接，用于基于所述回路，对所述多个分支线路流过的特征信号进行测量，接受信号源发送来的信息，以得到故障区域中每个分支线路的阻性电流，并基于该阻性电流确定所述故障区段的接地点。

优选地，所述信号源，连接于所述故障区段起始端的架空线路与地之间，用于产生两个不同频率交流信号，如图3-8所示，信号源包括箱体，箱体表面设有显示屏和第一开关，所述箱体内设有电路板，电路板上设有第一CPU、 A/D转换电路、D/A转换电路、相位鉴别电路、第一电源、功放电路、第一无线通讯模块、以及信号输出模块；

所述第一电源通过第一电源电路连接第一CPU、显示屏以及第一无线通讯模块，用于为第一CPU、显示屏以及第一无线通讯模块供电；

所述第一CPU通过相关管脚连接显示屏、第一无线通讯模块、相位鉴别电路、A/D转换电路、以及D/A转换电路；

所述D/A转换电路还连接功放电路；

所述A/D转换电路和功放电路均连接信号输出模块。

所述第一电源用于向所述配电网信号源提供电源，所述第一电源包括锂电池。

所述第一电源电路为用于向所述配电网信号源提供电源电压的电池管理电路。

所述A/D转换电路，用于将输出电压和输出电流进行A/D的转换。

所述D/A转换电路和功放电路，用于控制输出电流大小和频率。

所述相位鉴别电路，用于检测电流相位变化幅度。

所述第一无线通讯模块，采用wifi或bluetooth，用于向手机发送频率和电压信息，手机将信息发送至云端，另一部手机从云端接收数据发送至检测器。

所述显示屏，用于显示输出频率、输出电流、输出电压、剩余电量。

如图5所示，本发明所用的第一CPU为单片机，单片机采用的型号为 MSP430F249。

如图4所示为本发明的第一电源电路，采用型号为LM2596S的降压芯片、以及型号为AMS1117的稳压器。

如图6所示为本发明的第一无线通讯模块电路图，采用型号为E103-W01 的WIFI模块。

如图7所示为本发明的A/D转换电路示意图。

如图8所述为本发明的功放电路示意图，采用型号为YDA138A的功率放大器。

优选地，所述检测器如图9-14所示，包括外壳，外壳表面设有第二开关，外壳内设有控制电路板，所述控制电路板上设有第二CPU、感应线圈、滤波放大器、第二无线通讯模块、第二电源、以及第二无线充电模块；

所述第二电源通过第二电源电路连接第二CPU和第二无线通讯模块，用于为第二CPU和第二无线通讯模块供电；

所述第二CPU通过相应管脚连接第二无线通讯模块以及滤波放大器；

所述滤波放大器还连接感应线圈；

所述第二电源还连接第二无线充电模块，所述第二无线充电模块包括无线充电电路以及无线充电线圈。

所述感应线圈为用于采集配电网的电流信号，并将所述电流信号处理成小电流信号的电磁感应线圈。

所述滤波放大器为用于检测所述交流信号中的电流信息的带通滤波放大器。

所述第二电源用于向所述配电网检测器提供电源，所述第二电源包括锂电池。

所述第二电源电路为用于向所述配电网检测器提供电源电压的电池管理电路。

所述第二无线通讯模块用于接收信号源发送的频率和电压信息，并向智能终端和云端发送结果。

所述第二无线通讯模块采用wifi或bluetooth。

如图14所示，本发明所用的CPU为单片机，单片机采用的型号为 STM32L431CBT6。

如图10所示为本发明的无线充电电路的电路图，所述无线充电电路采用型号为XS016-RX的无线充电接收芯片。

如图11所示为本发明的电源电路，采用型号为HT7333的稳压芯片，稳压芯片连接电容形成用于向所述配电网检测器提供电源电压的电池管理电路。

如图12所示为本发明的无线通讯模块电路图，采用型号为E103-W01的 WIFI模块，连接至单片机的TIM1_CH3/USART1_RX/PA10， TIM1_CH2/USART1_TX/PA9管脚。

如图13所示为本发明的滤波放大器的电路图，滤波放大器连接至单片机的PA4/ADC1_IN9/DAC1_OUT1管脚。

利用上述检测装置进行配电网故障定点检测方法包括如下步骤：

S1、信号源向被测线路发送频率为f₁的信号电流，并将频率为f₁，电压为U₁的特征信号数据发送给检测器；

S2、检测器测量线路上有效电流I₁，计算被测线路上复阻抗大小Z₁；

S3、信号源向被测线路发送频率为f₂的信号电流，并将频率为f₂，电压为U₂的特征信号数据发送给检测器；

S4、检测器测量线路上有效电流I₂，计算被测线路上复阻抗大小Z₂；

S5、在架空和埋地电缆混合线路中，线路的复阻抗呈现为容性，故复阻抗的电抗X等于等效容抗X_C，根据两次计算出的阻抗Z₁、Z₂和检测线路上的等效电阻R和等效电容C的关系列出关于复阻抗模的二元二次方程组，求解取绝对值得到检测线路上的等效电阻R和等效电容C；

S6、计算被测线路在某一频率下的等效容抗X_C1或X_C2；

S7、计算被测线路的阻抗角ψ₁或ψ₂；

S8、计算被测线路的阻性电流I_R。

优选的，所述的复阻抗的大小Z计算公式为：

Z＝U/I(1)

式中，U为信号源发送来的有效电压值，I为检测器测量到线路的有效电流值。

优选的，所述的被测线路的容抗大小X_C的计算公式为：

式中，f为信号源发送来的信号电流频率，C为被测线路上的等效电容。

优选的，所述的二元二次方程组为：

式中，f₁、f₂为信号源发送来的信号电流频率，R为被测线路上的等效电阻，X_C1、X_C2为被测线路在某一频率下的等效容抗，Z₁、Z₂为计算出的不同频率下被测线路的阻抗大小。

优选的，所述被测线路在某一频率下的等效容抗X_C1的计算公式为：

式中，f₁为信号源发送来的信号电流频率，C为被测线路上的等效电容。

优选的，所述被测线路在某一频率下的等效容抗X_C2的计算公式为：

式中，f₂为信号源发送来的信号电流频率，C为被测线路上的等效电容。

优选的，所述被测线路的阻抗角ψ₁的计算公式为：

ψ₁＝arctan(X_C1/R)(6)

式中，R为被测线路等效电阻的大小，X_C1为被测线路在频率为f₁的电流下等效容抗的大小。

优选的，所述被测线路的阻抗角ψ₂的计算公式为：

ψ₂＝arctan(X_C2/R)(7)

式中，R为被测线路等效电阻的大小，X_C2为被测线路在频率为f₂的电流下等效容抗的大小。

优选的，所述的被测线路阻性电流I_R的计算公式为：

I_R＝I₁cosψ₁(8)

式中，I₁为被测线路在频率为f₁电流下的有效电流值，ψ₁为被测线路在频率为f₁电流下的复阻抗的阻抗角。

或

I_R＝I₂cosψ₂(9)

式中，I₂为被测线路在频率为f₂电流下的有效电流值，ψ₂为被测线路在频率为f₂电流下的复阻抗的阻抗角。

优选的，由实验所得，无论接地电阻多大，线路首端、故障接地点和末端的电压几乎相等，所述的步骤S1中信号源电路的有效电压U，近似等于被测线路的有效电压U_被测。

本发明提出了一种基于异频信号计算阻性电流原理的配电网故障定点仪。阻性电流受分布电容的影响极小，以阻性电流为判断依据可以消除分布电容的影响。解决了目前配电网架空与埋地电缆混合线路分布电容对故障准确定点的影响。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种配电网故障定点检测装置，其特征在于：包括信号源和检测器；其中，

所述信号源，连接于配电网的故障区段，用于在故障区段所属的多个分支线路停运时，向多个分支线路的接地相注入特征信号，向检测器发送特征信号电压、频率信息，所述特征信号通过所述多个分支线路的接地点构成回路；

所述检测器，连接于多个分支线路连接，用于基于所述回路，对所述多个分支线路流过的特征信号进行测量，接受信号源发送来的信息，以得到故障区域中每个分支线路的阻性电流，并基于该阻性电流确定所述故障区段的接地点。

2.根据权利要求1所述的一种配电网故障定点检测装置，其特征在于：所述信号源包括箱体，箱体表面设有显示屏和第一开关，箱体内设有电路板，电路板上设有第一CPU、A/D转换电路、D/A转换电路、相位鉴别电路、第一电源、功放电路、第一无线通讯模块、以及信号输出模块；

所述第一电源通过第一电源电路连接第一CPU、显示屏以及第一无线通讯模块，用于为第一CPU、显示屏以及第一无线通讯模块供电；

所述第一CPU通过相关管脚连接显示屏、第一无线通讯模块、相位鉴别电路、A/D转换电路、以及D/A转换电路；

所述D/A转换电路还连接功放电路；

所述A/D转换电路和功放电路均连接信号输出模块。

3.根据权利要求1所述的一种配电网故障定点检测装置，其特征在于：所述检测器包括外壳，外壳表面设有第二开关，其特征在于：还包括设置在外壳内的控制电路板，所述控制电路板上设有第二CPU、感应线圈、滤波放大器、第二无线通讯模块、第二电源、以及无线充电模块；

所述第二电源通过第二电源电路连接第二CPU和第二无线通讯模块，用于为第二CPU和第二无线通讯模块供电；

所述第二CPU通过相应管脚连接第二无线通讯模块以及滤波放大器；

所述滤波放大器还连接感应线圈；

所述第二电源还连接无线充电模块，所述无线充电模块包括无线充电电路以及无线充电线圈。

4.一种配电网故障定点检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、信号源向被测线路发送频率为f₁的信号电流，并将频率为f₁，电压为U₁的特征信号数据发送给检测器；

S2、检测器测量线路上有效电流I₁，计算被测线路上复阻抗大小Z₁；

S3、信号源向被测线路发送频率为f₂的信号电流，并将频率为f₂，电压为U₂的特征信号数据发送给检测器；

S4、检测器测量线路上有效电流I₂，计算被测线路上复阻抗大小Z₂；

S5、在架空和埋地电缆混合线路中，线路的复阻抗呈现为容性，故复阻抗的电抗X等于等效容抗X_C，根据两次计算出的阻抗Z₁、Z₂和检测线路上的等效电阻R和等效电容C的关系列出关于复阻抗模的二元二次方程组，求解取绝对值得到检测线路上的等效电阻R和等效电容C；

S6、计算被测线路在某一频率下的等效容抗X_C1或X_C2；

S7、计算被测线路的阻抗角ψ₁或ψ₂；

S8、计算被测线路的阻性电流I_R。

5.根据权利要求4所述的一种配电网故障定点检测方法，其特征在于：复阻抗计算公式为

Z＝U/I (1)

式中，U为信号源发送来的有效电压值，I为检测器测量到线路的有效电流值。

6.根据权利要求4所述的一种配电网故障定点检测方法，其特征在于：

所述的被测线路的容抗大小X_C的计算公式为：

式中，f为信号源发送来的信号电流频率，C为被测线路上的等效电容。

7.根据权利要求4所述的一种配电网故障定点检测方法，其特征在于：

所述的二元二次方程组为：

式中，f₁、f₂为信号源发送来的信号电流频率，R为被测线路上的等效电阻，X_C1、X_C2为被测线路在某一频率下的等效容抗，Z₁、Z₂为计算出的不同频率下被测线路的阻抗大小。

8.根据权利要求4所述的一种配电网故障定点检测方法，其特征在于：

所述被测线路在某一频率下的等效容抗X_C1、X_C2的计算公式为：

式中，f₁、f₂为信号源发送来的信号电流频率，C为被测线路上的等效电容。

9.根据权利要求4所述的一种配电网故障定点检测方法，其特征在于：

所述被测线路的阻抗角ψ_1\ψ₂的计算公式为：

ψ₁＝arctan(X_C1/R) (6)

所述被测线路的阻抗角ψ₂的计算公式为：

ψ₂＝arctan(X_C2/R) (7)

式中，R为被测线路等效电阻的大小，X_C1为被测线路在频率为f₁的电流下等效容抗的大小，X_C2为被测线路在频率为f₂的电流下等效容抗的大小。

10.根据权利要求4所述的一种配电网故障定点检测方法，其特征在于：

所述的被测线路阻性电流I_R的计算公式为：

I_R＝I₁cosψ₁(8)

式中，I₁为被测线路在频率为f₁电流下的有效电流值，ψ₁为被测线路在频率为f₁电流下的复阻抗的阻抗角；

或

I_R＝I₂cosψ₂(9)

式中，I₂为被测线路在频率为f₂电流下的有效电流值，ψ₂为被测线路在频率为f₂电流下的复阻抗的阻抗角。

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