CN112803597A - 一种断路器、低压配电网***和故障监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种断路器、低压配电网***和故障监控方法。一种断路器，包括小电流拓扑信号注入模块、小电流拓扑信号识别模块、故障研判定位模块、电能计量模块、检测模块、通信模块和处理模块；所述小电流拓扑信号注入模块，用于根据所述处理模块的指令向配电网中注入小电流拓扑信号；所述小电流拓扑信号识别模块，用于接收并识别配电网中的小电流拓扑信号，并输送到所述处理模块中。本发明提供的断路器，当装设到配电网***的相应位置时，使用小电流拓扑信号注入模块和小电流拓扑信号识别模块搭配使用，能够在不影响配电网正常运行，不影响工信频率的前提下进行拓扑识别，保证拓扑识别的准确和快捷，同时集故障监测以及数据计量一体，方便快捷。

Description

一种断路器、低压配电网***和故障监控方法

技术领域

本发明涉及电子设备，尤其涉及一种断路器、低压配电网***和故障监控方法。

背景技术

低压配电网处于整个电网的末端，具有分布广、供用电环境复杂、运行维护难度大等特点，长期以来缺乏智能高效的运行监测、运维管理手段，导致低压配电网无法实现台区、分支、户变档案精准归属，无法自动绘制完整的低压拓扑关系，无法实时上报停复电信息，无法更好的为供电服务指挥平台提供数据支撑。

随着低压配电网精品台区、精益管理要求不断提高，对低压开关的漏电保护，线损分析，故障预警与判断，台区拓扑分析等功能提出了新的需求，也提出了设备即插即用，边缘计算技术等物联网新技术要求。低压断路器作为低压配电网中关键的设备，起着保护和能量分配的作用，其现状及问题是功能单一、不具备智能监测能力、标准不统一。具体如下：

热磁式断路器，动作值和动作时间一般是固定的，仅具有热和磁两段保护功能，且保护精度差，基于级差配合方式的三级保护方式难以实现，从而造成故障后隔离区间大，停电范围扩大，故障点无法准确定位。此外受温度影响大，高温天气需降容量运行，易造成误动。且在线路出线过载故障保护后，需要经过长时间冷却后才能重新合闸，无法快速恢复供电。

剩余电流断路器，剩余电流保护依据设置的定值进行保护动作。但是，目前面临的问题是存在误跳闸，导致部分剩余电流保护器退出运行！或者无法正常运行！包括以下因素：

低压配电网恶劣的运行环境、设备的绝缘老化、临时搭接、窃电等不良用电导致产生了剩余电流。定值的设定和低压配电网接线方式、电气设备外壳接地、环境温湿度、气候有关系。

近几年推行电子式塑壳断路器还存在不足，需提高电流采样精度和监测范围，扩展拓扑识别、线损分析、人体触电等高级功能应用。数据无法及时可靠上传，不支持即插即用。故障点无法定位，停电区间无法监测，需要运检人员巡线排除故障。智能断路器还未批量上市应用，造成低压配网节点感知和监测仍然是很大的盲区，增大运维难度。

电网公司提出“泛在电力物联网”和“数字电网”的概念，低压开关属于“云，管，边，端”四层架构中的端设备，是配电网感知节点，包括运行状态感知，设备健康状态感知，环境条件变化感知。因此低压开关的发展趋势是实现三遥+故障研判+保护，即将保护，测量，计量，监控，故障预警，故障定位与隔离，辅助线损分析、户变关系、拓扑识别等功能集为一体，提升数据源头的智能感知能力，实现低压电器设备信息的全面采集及远程数据交互。

为解决现有断路器和台区监控的不足的现状：缺少有效技术手段实现拓扑，有研究人员提出过一种大电流拓扑方案：利用可控硅在交流市电的过零点附近产生一次大电流，不足之处是每20ms的周期内只能产生一个脉冲波形，需持续多个周期较长的时间才能完成拓扑信号注入；此方案是利用可控硅将火线和零线瞬时短路来产生瞬时大电流，产生较大线损，若控制不当，会产生巨大的短路电流，存在一定的安全隐患。

低压台区缺乏全景感知与可视化监测，台区电气关系不清晰，供电线路点多面广、路径复杂，人工拓扑识别难以实现，导致故障无法精准定位，抢修效率低客户投诉多。

目前断路器设备智能化水平低、数据感知能力不足，为了实现全景感知与可视化监测，在原本就路径复杂的台区线路上加装各种监测、通信设备，难于管理且存在安全隐患，还有待改进和提高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种断路器、低压配电网***和故障监控方法，能够使用小电流进行拓扑通信，同时智能化集成，提高设备智能度。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种断路器，包括小电流拓扑信号注入模块、小电流拓扑信号识别模块、故障研判定位模块、电能计量模块、检测模块、通信模块和处理模块；

所述小电流拓扑信号注入模块，用于根据所述处理模块的指令向配电网中注入小电流拓扑信号；

所述小电流拓扑信号识别模块，用于接收并识别配电网中的小电流拓扑信号，并输送到所述处理模块中；

所述检测模块，用于检测配电线路的电压数据和电流数据；

所述故障研判定位模块，用于根据所述电压数据和所述电流数据识别故障信息，并将故障信息发送到所述处理模块中；

所述电能计量模块，用于根据所述电压数据和所述电流数据识别故障信息形成计量数据，并发送到所述处理模块中；

所述处理模块，驱动所述小电流拓扑信号注入模块、所述小电流拓扑信号识别模块正常工作，并接收所述故障信息、所述计量数据，同时通过所述通信模块与服务器进行信息交互。

优选的所述的断路器，所述小电流拓扑信号注入模块包括注入光耦、全桥整流单元、信号发生开关；所述全桥整流单元通过所述信号发生开关与所述注入光耦的副边连接，同时所述全桥整流单元接入配电线路的单相回路中；所述注入光耦的原边与所述处理模块连接。

优选的所述的断路器，所述检测模块包括多个电流互感器和多个电压传感器，均分别与所述故障研判定位模块、所述电能计量模块连接。

优选的所述的断路器，所述故障研判定位模块包括多个相同的研判单元；所述研判单元包括运算放大器，所述运算放大器的输入端与所述检测模块连接，输出端与处理模块连接。

优选的所述的断路器，所述电能计量模块为计量芯片；所述计量芯片型号为HT7132。

优选的所述的断路器，所述通信模块为无线通信装置。

一种低压配电网***，包括融合终端和若干所述的断路器；若干所述断路器分设在配网拓扑结构中的若干关键节点，接入配电网；

所述融合终端装设在台区变压器的节点位置，与当前节点位置的断路器通信连接，用于获取台区拓扑结构以及台区故障监控。

优选的所述的低压配电网***，所述台区拓扑结构的获取步骤为：

依次启动端节点位置的断路器向配电网中注入附有当前表信息的小电流拓扑信号；

接收到所述小电流拓扑信号的断路器在附加本表信息后再次向配电网中小电流拓扑信号；

直到所述台区变压器的节点位置的断路器汇总后发送到所述融合终端中形成配电网的拓扑结构。

一种适用于所述的低压配电网***的低压配电网故障监控方法，包括步骤：

各个关键节点的断路器根据采集得到的电压数据和电流数据，确定故障类型；

将故障类型数据、电流数据、电压数据以及自身参数数据上传到融合终端。

优选的所述的低压配电网故障监控方法，所述故障类型包括：三相故障、两相短路、相对中性线故障、相对地故障。

相较于现有技术，本发明提供的一种断路器、低压配电网***和故障监控方法，具有以下有益效果：

1、本发明提供的断路器，当装设到配电网***的相应位置时，使用小电流拓扑信号注入模块和小电流拓扑信号识别模块搭配使用，能够在不影响配电网正常运行，不影响工信频率的前提下进行拓扑识别，保证拓扑识别的准确和快捷，同时集故障监测以及数据计量一体，方便快捷；

2、本发明提供的低压配电网，采用小电流拓扑注入、识别技术解决低压配电网“户-变”、“户-箱-变”关系模糊问题，实现“变、线、箱、户”可观可测，从而提升供电服务能力。

附图说明

图1是本发明提供的断路器的结构框图；

图2是本发明提供的小电流拓扑信号注入模块的电路图；

图3是本发明提供的电流互感器检测电路图；

图4是本发明提供的故障研判电路图；

图5是本发明提供的计量芯片电路图；

图6是本发明提供的低压配电网***正常状态下的结构框图；

图7是本发明提供的低压配电网***出现故障的结构框图；

图8是本发明提供的低压配电台区四个故障类型的故障状态图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本领域技术人员应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述是本发明的示例性和说明性的具体实施例，不意图限制本发明。

本文中术语“包括”，“包含”或其任何其他变体旨在覆盖非排他性包括，使得包括步骤列表的过程或方法不仅包括那些步骤，而且可以包括未明确列出或此类过程或方法固有的其他步骤。同样，在没有更多限制的情况下，以“包含...一个”开头的一个或多个设备或子***，元素或结构或组件也不会没有更多限制，排除存在其他设备或其他子***或其他元素或其他结构或其他组件或其他设备或其他子***或其他元素或其他结构或其他组件。在整个说明书中，短语“在一个实施例中”，“在另一个实施例中”的出现和类似的语言可以但不一定都指相同的实施例。

除非另有定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。

请参阅图1，本发明提供一种断路器，包括小电流拓扑信号注入模块1、小电流拓扑信号识别模块2、故障研判定位模块3、电能计量模块4、检测模块5、通信模块6和处理模块7；

所述小电流拓扑信号注入模块1，用于根据所述处理模块7的指令向配电网中注入小电流拓扑信号；具体的，所述小电流拓扑信号注入模块1为本领域常用的小电流注入模块，采用几乎对电网没有影响的小电流注入，应当说明的是，此处小电流为高频特征信号，具有极好的抗干扰能力，保证信息的有效传输。此处所述小电流拓扑信号注入模块1主要的小电流高频特征信号，主要用于构建整个配电网拓扑结构时的将小电流拓扑信号注入。

所述小电流拓扑信号识别模块2，用于接收并识别配电网中的小电流拓扑信号，并输送到所述处理模块7中；具体的，所述小电流拓扑信号识别模块2为本领域常用的小电流识别模块，不做具体限定，与上述中的所述小电流拓扑信号注入模块1对应配置；用于在构建整个配电网拓扑结构时，识别配电网中的经过的小电流拓扑信号。通过所述小电流拓扑信号注入模块1与所述小电流拓扑信号识别模块2配合使用，即在配电网络中各个关键节点上均配置两个功能模块，即可实现当前关键位置对下游设备的拓扑检测以及拓扑信号的注入，进而在不影响配电网的基础上快速实现拓扑结构的识别。当然此时拓扑结构的识别还需要相应的处理中心进行数据的综合处理分析，具体的分析方法可以使用本领域常用的拓扑识别方法即可，本实施例不做具体限定。前述中的所述关键节点为配电网中的各个分支线的断路器位置、各个表箱位置等，具体可以视现场情况自由设定，不做限定。

所述检测模块5，用于检测配电线路的电压数据和电流数据；具体的，所述检测模块5使用本领域常用的检测装置，需要保证能够检测配电线路的电压数据和电流数据。优选的，所述检测模块5中应当包括电流互感器以及电压互感器或相应的能够实现检测电流数据以及电压数据的检测器件。进一步的，所述检测模块5将检测到的所述电压数据和电流数据输送到所述电能计量模块4中，完成数据的基础计量，其中计量的方法使用本领域常用的计量方法即可。

所述故障研判定位模块3，用于根据所述电压数据和所述电流数据识别故障信息，并将故障信息发送到所述处理模块7中；具体的，所述故障研判定位模块3使用本领域常用的故障定位装置实现，当然也可以使用完成相应的故障定位功能的各个元器件组成相应的电路结构接入断路器的***电路，视具体情况需求设定，不做限定；

所述电能计量模块4，用于根据所述电压数据和所述电流数据识别故障信息形成计量数据，并发送到所述处理模块7中；具体的，所述电能计量模块4优选为本领域常用的计量芯片或带有一定计量程序的MCU，具体型号不做限定，进一步优选为型号是HT7132的多功能高精度三相电能专用计量芯片。

所述处理模块7，驱动所述小电流拓扑信号注入模块1、所述小电流拓扑信号识别模块2正常工作，并接收所述故障信息、所述计量数据，同时通过所述通信模块6与服务器进行信息交互。具体的，所述处理模块7为本领域常用的MCU或CPU，具体型号不做限定，通过内置的程序或软件完成相应的功能任务。应当说明的是，所述小电流拓扑信号注入模块1受所述处理模块7驱动控制，即所述小电流拓扑信号注入模块1注入到配电线路中的拓扑信号所附带的信息是所述处理模块7确定的，确定的规则不做限定，此处所述确定规则即拓扑信号的信息编译规则，例如使用二进制方式传输具体数据编号等，此处二进制的数据实现通过在一定的检测频率下相邻检测时间的小电流信号有无实现，具体使用本领域常用的通信方式即可，此处仅是例举说明；当然，所述小电流拓扑信号识别模块2也是将配电线路中识别到的小电流信号输入到所述处理模块7中，所述处理模块7根据前述何种的确定规则识别相应的拓扑信号信息。进一步的，所述通信模块6为本领域常用的通信装置，不做具体限定，可以是有线通信(例如RS485、RS232等)，也可以是无线通信(例如互联网通信、GPRS通信等)，进一步优选的，所述通信模块6为无线通信装置，优选使用物联网通信模块6，可以由HPLC+主从一体蓝牙模块构成。进一步的，所述处理模块7还根据所述故障信息进行故障保护操作，例如电子分励脱扣和电磁脱扣，此处相应的故障保护操作为所述处理驱动断路器的分合闸机构实现，所述分合闸机构为本领域常用的断路器的基础配置，本发明不做限定。

在具体实施中，本发明提供的断路器符合未来市场需求，可形成行业标准的电力物联网智能断路器，将拓扑注入、拓扑识别、电压电流实时数据监测，电能计量，故障类型研判、定位及保护等功能和应用集为一体，提升数据源头的智能感知能力，实现全景感知与可视化监测；同时，可以将所有的功能模块基于小型化设计集成，合理利用塑壳断路器内部有限的空间且不会造成诸如发热等断路器故障，保证断路器在不影响配电网的基础上的正常实现拓扑识别、数据计量和故障识别等工作，切合“泛在电力物联网”和“数字电网”的***需求。

作为优选方案，请参阅图2，本实施例中，所述小电流拓扑信号注入模块1包括注入光耦、全桥整流单元、信号发生开关；所述全桥整流单元通过所述信号发生开关与所述注入光耦的副边连接，同时所述全桥整流单元接入配电线路的单相回路中；所述注入光耦的原边与所述处理模块7连接。具体的，所述注入光耦D1为隔离光耦实现强弱电隔离；所述注入光耦的左侧，为市电L、N接压敏后经所述全桥整流单元后得到电压信号V1，电阻R1为拓扑信号限流电阻，用于保护电路，所述信号发生开关Q1为拓扑信号发生开关管，由上拉电阻R2、下拉电阻R6、滤波电容C2、电阻R4组成的开关管驱动电路。所述注入光耦右侧，为所述处理模块7的MCU芯片输出特征频率的拓扑发生控制信号，经隔直电容C1、滤波电阻R5、滤波电容C3组成的隔直滤波电路，具备良好的防抖和抗干扰能力。优选的，所述小电流拓扑信号识别模块2的电路与所述小电流拓扑信号注入模块1的电路配套设计，具体可以使用本领域的常用配套设计，此处不做赘述。

所述检测模块5包括多个电流互感器和多个电压传感器，均分别与所述故障研判定位模块3、所述电能计量模块4连接。所述电流互感器和所述电压传感器的数量可以相同，也可以不相同，可以根据配电网的线路多少做相应的配置，也可以是根据接入位置的线路数量自由设定，同时还可以可拆卸的拆卸或装设，方便快捷，同时符合小型化设备的需求。请参阅图3，以一相配电线路的电流数据检测电路为例做具体说明，以A相线路的电流数据IA为例，采用差分电路，电流互感器CT_Sampling的次级接对称放置的高精度取样电阻R102、取样电阻R106，经滤波电阻R101、滤波电阻R109、滤波电容C101、滤波电容C103组成的RC滤波后进入计量芯片U2(HT7132)的差分采样输入口。请参阅图5，所述计量芯片U2为多功能高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用，优选型号为HT7132，集成了7路22位ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数及频率测量的数字信号处理等电路，能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，充分满足三相复费率多功能电能表的需求。所述计量芯片U2提供两个SPI接口，包括一个普通SPI口和一个高速接口HSDC，方便与外部MCU之间进行计量及校表参数的传递，SPI接口的具体规格参见SPI详细说明部分，所有计量参数及校表参数均可通过SPI接口读出。高速接口HSDC方便把采样数据高速传给主MCU即所述处理模块7，由主MCU提取出拓扑特征信号实现拓扑识别，判别条件包括相别、电流值范围、特征信号频率。进一步的，为实现高精度采样和高效率取电，所述电流互感器至少为两组互感器，分别为采样互感器和取电互感器。其中，采样互感器采用圆形闭合式磁芯绕制而成的高精度电流互感器，其互感器放置于匹配的塑胶壳内且用灌封胶固定，实现稳定、可靠。电流互感器二次侧端口接入采样电路，实现高精度计量、拓扑信号采样、故障电流采样，优选的规格型号为计量采样测量值可达2倍额度电流，其故障电流采样测量值可达12倍额定电流以上，实现故障保护整定值宽范围可设。计量、拓扑识别信号、故障保护三种采样共用同一套高精度互感器和采样电阻，但由于各个功能模块之间测量重点和测量范围有明显差异，因此连接了检测模块5的不同的通道，具体使用本领域常用的连接方式即可。所述故障研判定位模块3包括多个相同的研判单元；所述研判单元包括运算放大器，所述运算放大器的输入端与所述检测模块5连接，输出端与处理模块7连接。具体的，请参阅图4，本实施例中所述研判单元的电路图，所述故障研判定位模块3中的故障保护回路经所述运算放大器及***电路调理之后进入主MCU(即处理模块7)的内部ADC，实现故障保护采样，并根据设定的故障整定值进行研判。其中，研判电容C202具有隔直流通交流的作用，电压跟随具有高输入阻抗低输出阻抗的特点，因此1.2V偏置电压经研判电阻R203后使得研判电容C202后的交流信号上加偏置电压，同时不影响研判电容C202前的交流信号。其研判电阻R205、研判电阻R203组成的分压电路，可以调整比例来调节取样信号幅值，以适应不同电流规格的断路器。电压跟随后接研判电阻R204、研判电容C204的RC滤波电路后进主MCU的ADC通道。

相应的，本发明还提供一种低压配电网***，包括融合终端和若干所述的断路器；若干所述断路器分设在配网拓扑结构中的若干关键节点，接入配电网；

所述融合终端装设在台区变压器的节点位置，与当前节点位置的断路器通信连接，用于获取台区拓扑结构以及台区故障监控。

具体的，请参阅图6，所述低压配电网的正常监控工作需要所有接入的断路器协同工作，每个断路器通过所述小电流拓扑信号注入模块1与所述小电流拓扑信号识别模块2配合使用，即在配电网络中各个关键节点上均配置两个功能模块，即可实现当前关键位置对下游设备的拓扑检测以及拓扑信号的注入，进而在不影响配电网的基础上快速实现拓扑结构的识别。当然此时拓扑结构的识别还需要相应的处理中心进行数据的综合处理分析，具体的分析方法可以使用本领域常用的拓扑识别方法即可，本实施例不做具体限定。前述中的所述关键节点为配电网中的各个分支线的断路器位置、各个表箱位置等，具体可以视现场情况自由设定，不做限定。本发明提供的低压配电网***能够实现台区可视化监测，采用拓扑注入、识别技术解决低压配电网“户-变”、“户-箱-变”关系模糊问题，实现“变、线、箱、户”可观可测，从而提升供电服务能力。

作为优选方案，本实施例中，所述台区拓扑结构的获取步骤为：

依次启动端节点位置的断路器向配电网中注入附有当前表信息的小电流拓扑信号；

接收到所述小电流拓扑信号的断路器在附加本表信息后再次向配电网中小电流拓扑信号；

直到所述台区变压器的节点位置的断路器汇总后发送到所述融合终端中形成配电网的拓扑结构。

拓扑结构识别过程的基本原理为：智能断路器内部集成小电流特征信号发生和识别电路，末端用户表箱内带加密的智能断路器通过RS485与用户表通讯读取表地址，维护人员通过手持蓝牙设备与智能断路器内置主从一体的蓝牙模块连接，录入位置信息“X区-X小区-X楼号-X表箱”，智能断路器支持监控主站对时，约定在某一时刻注入特征信号，该特征信号只沿智能断路器与变压器之间的线路流通，不跨分支线，更不跨台区，智能断路器实时采集电流数据，当前时刻有且仅有此条线路中的智能断路器能采集到拓扑信号并进行识别，识别成功后将地址、识别时间、电流等信息通过HPLC将数据上传至融合终端或能源控制器汇总分析，根据电流大小来判断上下级关系，即完成此条路线的拓扑结构，以此类推最终生成完整的台区电气拓扑结构，实现可视化监控，若发生故障可迅速定位故障点。此外，若后续有新增或变更用户表接入，只需在本地通过RS485与表箱内智能断路器通讯，智能断路器识别新地址并自动触发变更信息上传主站，实现自动更新拓扑结构。本发明提供的低压配电网***的优势在于：将拓扑功能集成在智能断路器内，避免外接辅助设备；采用小电流拓扑方式几乎对电网无影响；注入高频特征信号具备较好的抗干扰能力且可实现信息有效传输。

相应的，本发明还提供一种适用所述的低压配电网***的低压配电网故障监控方法，包括步骤：

各个关键节点的断路器根据采集得到的电压数据和电流数据，确定故障类型；优选的，所述故障类型包括：三相故障、两相短路、相对中性线故障、相对地故障。

将故障类型数据、电流数据、电压数据以及自身参数数据上传到融合终端。

具体的，请参阅图7和图8，各级断路器安装于不同位置的线路上实现分段保护，电流故障类型包括三相短路、两相短路、单相短路、单相接地。断路器保护整定值合理设置来实现稳定、可靠的防护，各级之间能协调配合，上下级动作具有选择性，即故障点的故障电流值优先由故障点最近的上一级断路器切断来缩小停电范围。低压配网常用TT和TN***，当配电线路当配电线路有一定长度时，线路阻抗对短路电流大小的影响是不可忽视的，一般以线路首端三相短路电流为最大，以末端单相接地短路故障电流为最小。

根据测量数据和公式计算出各线路位置理论阻抗和理论故障电流值。

各个故障类型的预研故障电流计算公式如下：

I_{sc3三相短路}＝U₂₀/(√3*Z_sc)；

I_{sc2两相短路}＝U₂₀/(2*Z_sc)；

I_{sc1单相对中性线短路}＝U₂₀/(√3*(Z_sc+Z_Ln))；

I_{sc0单相接地}＝U₂₀/(√3*(Z_sc+Z₍₀₎))；

其中，U₂₀为变压器二次侧空载线电压；I_sc为短路电流(short circuit)；Z_sc为线路阻抗；Z_Ln为中性线阻抗；Z₍₀₎为接地阻抗，接地阻抗可包括***工作接地阻抗、机壳保护接地阻抗、高阻接地阻抗。

阻抗计算：

变压器低压侧阻抗：根据变压器铭牌上标注的阻抗电压百分比和容量来计算等效阻抗，Z_T＝ΔU_k％*U_n^2/P_r；其中，ΔU_k％为阻抗电压变化，U_n为额定相电压，P_r为额定容量。

计算每段线路的阻抗：Z_{上级-下级}＝(U_上级-U_下级)/I_下级；如Z_L1＝(U₁-U₂)/I₂；

故障保护整定值：

根据台区变压器容量、故障回路阻抗计算各段线路的理论故障电流来设定断路器的保护整定值，包括瞬时过电流、短延时、长延时、漏电流。

断路器的保护整定值Iset≤故障电流/1.3倍

为实现分段保护，上下级动作应具有选择性，Iset_{上级短延时}≥1.2*Iset_下级瞬时；

对于长度较短的低压配电线路，配电线路末端接地故障电流较大，采用断路器的瞬时过电流方法兼做接地故障保护较容易实现。

对于长度较长的低压配电线路，配电线路末端接地故障电流较小，或者对于高阻接地故障，其故障电流较小。采用断路器的瞬时过电流方法无法兼做接地故障保护。需采用剩余电流互感器和电路实现漏电保护。

为避免误动作，断路器剩余电流保护整定值Iset应大于正常运行时线路和设备的泄漏电流总和的2.5～4倍，同时应满足I_单相接地≥1.3*Iset，如设定动作整定电流值为0.5A。

故障研判及定位：

当发生故障时，断路器采集得到电压、电流，可根据采集故障时刻数据和每相的状态来判断故障类型，若三相均超过短路故障电流整定值则定义为三相短路；若两相均超过短路故障电流整定值则定义为两相短路；若单相超过接地故障电流整定值则定义为单相接地；若相电流无明显故障电流而只判出剩余电流故障则定义为单相高阻接地。

断路器不仅上传停电事件、故障类型，且上传故障时刻的电压电流数据，其中，上传故障类型便于维护人员能有针对的抢修；其中上传故障时刻的数据，经汇总分析处理不仅能快速定位故障线路段为上下级两个断路器之间，且能实现精准研判故障点位置X，公式如下：

U_上级-I_上级*Z_上级-X＝U_下级+I_下级*(Z_{上级-下级}-Z_上级-X)；

L_上级-X＝Z_上级-X*(L_{上级-下级}/Z_{上级-下级})；

已知U_上级、I_上级、U_下级、I_下级、Z_{上级-下级}、L_{上级-下级}；

即可求得L_上级-X。

综上所述，本发明提供的一种断路器、低压配电网***和故障监控方法具有以下优势：1、高度集成化的小型智能断路器，将拓扑注入、拓扑识别、电压电流实时数据监测，电能计量，故障类型研判、定位及保护等功能和应用集为一体，提升数据源头的智能感知能力，实现全景感知与可视化监测。2、将拓扑功能集成在智能断路器内，避免外接辅助设备；采用内置小电流拓扑注入方式几乎对电网无影响；注入高频特征信号具备较好的抗干扰能力且可实现信息有效传输，解决低压配电网“户-变”、“户-箱-变”关系模糊问题，实现“变、线、箱、户”可观可测，从而提升供电服务能力。3、为了适应小尺寸、功能集成化的需求，计量、拓扑识别、故障保护三种采样共用同一套高精度互感器、采样电阻，利用精简的调理电路和元器件实现高精度计量、拓扑识别、故障电流采样，其互感器放置于匹配的塑胶壳内且用灌封胶固定，实现稳定、可靠。4、预研故障电流，合理设置保护整定值来实现稳定、可靠的防护，各级之间能协调配合，上下级动作具有选择性。5、实现故障类型研判、故障位置定位，显著提升停电抢修效率。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种断路器，其特征在于，包括小电流拓扑信号注入模块、小电流拓扑信号识别模块、故障研判定位模块、电能计量模块、检测模块、通信模块和处理模块；

所述小电流拓扑信号注入模块，用于根据所述处理模块的指令向配电网中注入小电流拓扑信号；

所述小电流拓扑信号识别模块，用于接收并识别配电网中的小电流拓扑信号，并输送到所述处理模块中；

所述检测模块，用于检测配电线路的电压数据和电流数据；

所述故障研判定位模块，用于根据所述电压数据和所述电流数据识别故障信息，并将故障信息发送到所述处理模块中；

所述电能计量模块，用于根据所述电压数据和所述电流数据识别故障信息形成计量数据，并发送到所述处理模块中；

所述处理模块，驱动所述小电流拓扑信号注入模块、所述小电流拓扑信号识别模块正常工作，并接收所述故障信息、所述计量数据，同时通过所述通信模块与服务器进行信息交互。

2.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述小电流拓扑信号注入模块包括注入光耦、全桥整流单元、信号发生开关；所述全桥整流单元通过所述信号发生开关与所述注入光耦的副边连接，同时所述全桥整流单元接入配电线路的单相回路中；所述注入光耦的原边与所述处理模块连接。

3.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述检测模块包括多个电流互感器和多个电压传感器，均分别与所述故障研判定位模块、所述电能计量模块连接。

4.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述故障研判定位模块包括多个相同的研判单元；所述研判单元包括运算放大器，所述运算放大器的输入端与所述检测模块连接，输出端与处理模块连接。

5.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述电能计量模块为计量芯片；所述计量芯片型号为HT7132。

6.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述通信模块为无线通信装置。

7.一种低压配电网***，其特征在于，包括融合终端和若干如权利要求1-6任一所述的断路器；若干所述断路器分设在配网拓扑结构中的若干关键节点，接入配电网；

所述融合终端装设在台区变压器的节点位置，与当前节点位置的断路器通信连接，用于获取台区拓扑结构以及台区故障监控。

8.根据权利要求7所述的低压配电网***，其特征在于，所述台区拓扑结构的获取步骤为：

依次启动端节点位置的断路器向配电网中注入附有当前表信息的小电流拓扑信号；

接收到所述小电流拓扑信号的断路器在附加本表信息后再次向配电网中小电流拓扑信号；

直到所述台区变压器的节点位置的断路器汇总后发送到所述融合终端中形成配电网的拓扑结构。

9.一种适用于权利要求7-8任一所述的低压配电网***的低压配电网故障监控方法，其特征在于，包括步骤：

各个关键节点的断路器根据采集得到的电压数据和电流数据，确定故障类型；

将故障类型数据、电流数据、电压数据以及自身参数数据上传到融合终端。

10.根据权利要求9所述的低压配电网故障监控方法，其特征在于，所述故障类型包括：三相故障、两相短路、相对中性线故障、相对地故障。

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