CN204462305U - 一种基于电压电流向量的配电线路断线监测装置 - Google Patents

Abstract

一种基于电压电流向量的配电线路断线监测装置，应用于电网***为三相三线制且中性点不接地或不直接接地***，在线路的监测点安装断线监测装置，断线监测装置通过周期性三相同步采样配电线路的三相线电压波形、三相电流波形，计算出同一时刻的三相线电压、三相电流的有效值和相位角；通过分别计算、比较三相线电压有效值中最大电压同最小、次小电压之和的比例关系，及最小、次小电压的相位差数值关系，判断监测点的上侧线路是否发生单相断线故障；通过比较负序电流与正序电流的比例关系，判断监测点的上侧或下侧线路是否发生单相断线故障；计算零序电流数值，判断监测点的下侧线路是否发生单相接地故障。

Description

一种基于电压电流向量的配电线路断线监测装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于电压电流向量的配电线路断线监测装置。

背景技术

已有的配电线路断线监测技术都是假定配电网的电源侧电压三相对称、假定配电网三相负载对称的前提条件下，通过电压幅值(或有效值)、电流幅值(或有效值)的变化情况作为判断依据来识别配电线路的单相断线故障，但配电网实际运行时，并不总是满足三相对称运行状态。因此，基于电压幅值(或有效值)、电流幅值(或有效值)作为判断依据的单相断线故障识别判定方法误判概率高，电压幅值法只适用于断线故障点在测量装置上侧情况，如果断线故障点在监测点下侧，电压法失效；电压法无法识别单相断线是否同时有单相接地故障；电流幅值法既适用于断线故障点在测量装置上侧，也适用于断线故障点在监测点下侧的情况，但电流法信号不一定明显，配电线路负载不对称情况下误判概率高，轻载情况下易漏判误判，线路空载时无法判定，线路轻载时故障判断准确度受单相接地电流影响很大。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种可适应各种断线情况实现线路断线准确判断的基于电压电流向量的配电线路断线监测装置。

本实用新型的目的通过如下技术方案来实现：

一种基于电压电流向量的配电线路断线监测装置，设置在电网***的断线监测点，其特征在于：包括电源模块、处理器、电压采集电路、电流采集电路、电压互感器和电流互感器，电压互感器包括输出端分别与电压采集电路的输入端连接的AB线电压互感器、BC线电压互感器和CA线电压互感器；电流互感器包括输出端分别与电流采集电路的输入端连接的A相电流互感器、B相电流互感器和C相电流互感器；电压采集电路和电流采集电路均包括有调理电路和A/D转换电路；处理器通过数据线路分别与电压采集电路和电流采集电路连接；处理器还通过同步信号线路分别与电流采集电路和电压采集电路连接，可定时发出同步采集脉冲信号启动电压采集电路、电流采集电路进行电压、电流的同步采集。

进一步的，本实用新型还包括分别与所述处理器连接的远程通信模块、数据存储器和显示模块。

进一步的，所述电源模块为整流电路，所述整流电路的输入端分别与所述AB线电压互感器、BC线电压互感器和CA线电压互感器的输出端连接，所述整流电路的输出端与所述处理器连接。

本实用新型具有如下有益效果：

为解决线电压相向量法无法发现和判定单相断线故障点在监测点下侧的定位问题，解决线电流向量法无法判定配电网空载或轻载情况下的单相断线故障发现和判断问题，解决当发生单相接地断线故障情况下采用电流判断法因受单相接地电流干扰影响判断准确性问题，本实用新型针对中性点不接地或小电流接地配电网的单相断线故障，提出一种基于线电压向量、电流向量作为判断依据的配电网单相断线故障的监测判定方法，通过三相线电压之间有效值、相位关系比较实现基于电压向量为判据的单相断线故障识别，并且通过计算三相线电流的正序、负序、零序电流，以负序-正序电流比例关系及零序电流大小作为判定监测点下侧是否发生单相断线故障或单相接地断线故障的依据，通过对上述两种判定方法综合，实现判定配电网是否发生单相断线故障、单相接地故障的识别判定，确定断线相序号，以及确定断线点与监测点之间的上下侧相对位置关系。具有如下有益效果：

1、具有更好的通用性，本实用新型适用于各电压等级的中性点不接地或不直接接地配电网，不需要根据电压等级调整单相断线判断电压判据整定值μ_dx、θ_dx。

2、具有更好的适应性，当配电网的部分位置实测电压有效值与额定电压之间偏差数值较大时，采用本实用新型提供的监测方法仍可取得准确的判定结果。

3、对三相电流向量时行计算出正序、负序、零序电流对称向量数值，通过将负序、正序电流有效值比例系数ε同预先设定单相断线判断电流向量判据整定值ε_dx的比较，解决了配电网负载电流大幅度波动情况下判断结果的稳定可靠性问题。

4、满足配电线路在一定范围内的不对称(包括三相电源电压不对称、三相负载阻抗值不对称、三相负载阻抗角不对称)运行状态下，仍可以有效识别单相断线故障。

5、同时采用电压向量、电流向量数据作为单相断线故障判定依据，提高了判定结果的可信度，并互为补充，同时实现对测量装置上、下侧配电线中单相断线故障的识别判定功能。

6、通过计算测量装置安装位置的零序电流，可以同时识别单相接地类型故障，并防止单相接地电流对基于电流向量数据作为单相断线故障判定依据的干扰作用，提高判定准确性。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

图1为三相对称电路图。

图2为三相对称电路的电压、电流向量图。

图3为三相对称电路图，B相断线。

图4为图3中B相断线三相线电压电流向量图，阻抗角对称负载，θ为60°。

图5为图3中B相断线三相线电压电流向量图，阻抗角不对称负载。

图6为多个三相负载电路，部分三相负载发生不接地单相断线情况的电路图。

图7为图6中B相断线三相线电压电流向量图。

图8为B相断线前后三相线电压变化情况，α≤60°。

图9为本实用新型提供的监测装置的电路原理图。

具体实施方式

电路分析及断线判定原理：

1、电路分析

情况1：三相三线制Y-Y对称电路

设AB相线电压有效值为U_L、相位角为0度，各相阻抗为Z_a＝Z_b＝Z_c＝Z，各相线电压向量可表示如下：

各相线电压与相电压之间的对应关系为

则A相线电流为

B相线电流为

B相线电流为

此情况下，电网各处三相线电压、电流的相位差均为120°。电路图及其电压、电流向量如图1、图2。

情况2：三相三线制Y-Y对称电路，B相负载断线

断线点上侧(靠近电源的一侧)三相线电压仍保持不变。

令Z_a＝Z，则Z_a＝Z_b＝Z_c＝Z，断线点上侧附近(靠近电源的一侧)三相线电流如下：

${\stackrel{.}{I}}_b=0$

断线点下侧(远离电源的一侧)各线电压如下：

断线点下侧附近各线电流如下：

${\stackrel{.}{I}}_b=0$

此情况下，断线点上侧三相线电压仍保持不变；断线点下侧，AB、BC线电压有效值为1/2倍线电压，且相位相同，CA线电压仍保持不变；断线点上下侧A相、C相电流大小相等，相位差为180°，B相电流值为0。电路图如图3，电压、电流向量如图4。

情况3：三相三线制Y-Y电源对称、负载不对称电路，B相负载断线

设Z_a≠Z_b≠Z_c，则

断线点上侧(靠近电源的一侧)三相线电压仍保持不变。

断线点上侧附近(靠近电源的一侧)三相线电流

${\stackrel{.}{I}}_b=0$

断线点下侧(远离电源的一侧)各线电压如下：

断线点下侧附近各线电流如下：

${\stackrel{.}{I}}_b=0$

此情况下，断线点上侧三相线电压仍保持不变；断线点下侧，AB、BC线电压有效值为各自的串联分压阻抗比，其相位差为A、C相负载阻抗角的差值，CA线电压仍保持不变；断线点上下侧A相、C相电流大小相等，相位差为180°，B相电流值为0。电路图如图3，电压、电流向量如图5。情况2可作为为情况3中三相负载阻抗完全对称的特例，情况2和情况3可合并为统一的判定方法。

情况4：多个三相负载电路，部分三相负载发生不接地单相断线的情况。当监测点在B相断线点之前，且监测点与断线点之间、断线点之后都有三相负载。电路见图6所示。

线电压特点：断线点上侧(靠近电源的一侧)三相线电压仍保持不变。

电流特点：包含有对称三相负载电流或不对称三相负载电流，以及A、C两相串联负载电流。无论电路中有多少个三相负荷，电路都可归并为一个对称三相负载1，并联一个两相负载2。于是，负载1的三相电流向量将符合情况1的特点，负载2的三相电流向量将符合情况2的特点。

在监测点所得的三相总电流为

${\stackrel{\·}{I}}_a={\stackrel{\·}{I}}_{a1}+{\stackrel{\·}{I}}_{a2}$

${\stackrel{\·}{I}}_b={\stackrel{\·}{I}}_{b1}$

${\stackrel{\·}{I}}_c={\stackrel{\·}{I}}_{c1}+{\stackrel{\·}{I}}_{c2}$

因此，即使在多个三相负载对称的情况下，如果其中一个对称负载的一相线路断线，将导致各相的总电流有效值大小发生从相等到不不相等的变化，其总负载的三相电流之间相位也不再满足相差120°对称关系。其电流向量变化见图7所示。

配电网在实际运行中，无论在电网的哪个部位进行实际电流测量，由于分部于线路各处的负载并不完全三相对称，并且负载电流始终处于波动状态，因此，以各相电流的大小、相位数值作为线路断线判断依据并不可靠，容易出现漏判或误判。以电流的大小、相位数值作为线路断线判断依据的判断可信度受负载1、负载2之间各自所流经电流比例关系影响很大。以断线点为界，可将断线点之前的负载1视为三相对称或接近对称的负载，将断线点之后的负载2视为三相完全不称负载，在监测点所测得的电流数据为负载1、负载2的电流向量合成数据，为三相不对称电流。为此，可以按照正序、负序、零序对称向量分析方法来分析电流不平衡度，寻找判定断线的电流信号变化规律特征。

对于负载1，假定其为为对称负载电流，设α＝∠120°，则根据正序、负序、零序电流计算公式计算其数值如下：

正序电流为 ${\stackrel{\·}{I}}_{11}=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{I}}_{a1}+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{I}}_{b1}+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{I}}_{c1}),$ 代入计算得 ${\stackrel{\·}{I}}_{11}={\stackrel{\·}{I}}_{N1};$

负序电流为 ${\stackrel{\·}{I}}_{12}=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{I}}_{a1}+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{I}}_{b1}+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{I}}_{c1}),$ 代入计算得 ${\stackrel{\·}{I}}_{12}=0;$

零序电流为 ${\stackrel{\·}{I}}_{10}=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{I}}_{a1}+{\stackrel{\·}{I}}_{b1}+{\stackrel{\·}{I}}_{c1}),$ 代入计算得 ${\stackrel{\·}{I}}_{10}=0;$

于是，可计算出负载1的电流不平衡度ε₁，其计算公式为

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{12}\right|}{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{11}\right|}\×100\%$

代入计算得

ε₁＝0

对于负载2，大小相同，方向相反，设则根据正序、负序、零序电流计算公式计算其数值如下：

正序电流为 ${\stackrel{\·}{I}}_{21}=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{I}}_{a2}+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{I}}_{b2}+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{I}}_{c2}),$ 代入计算得 ${\stackrel{\·}{I}}_{21}=\frac{\sqrt{3}}{3}{e}^{j30}\·{\stackrel{\·}{I}}_{N2};$

负序电流为 ${\stackrel{\·}{I}}_{22}=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{I}}_{a2}+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{I}}_{b2}+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{I}}_{c2}),$ 代入计算得 ${\stackrel{\·}{I}}_{22}=\frac{\sqrt{3}}{3}{e}^{-j30}\·{\stackrel{\·}{I}}_{N2};$

零序电流为 ${\stackrel{\·}{I}}_{20}=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{I}}_{a2}+{\stackrel{\·}{I}}_{b2}+{\stackrel{\·}{I}}_{c2}),$ 代入计算得 ${\stackrel{\·}{I}}_{20}=0;$

于是，可计算出负载2的负序-正序电流比例系数ε₂，其计算公式为

${\mathrm{\ϵ}}_2=\frac{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{22}\right|}{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{21}\right|}\×100\%$

代入计算得

ε₂＝100％

将三相不对称电流向量转变为对称向量进行分析，根据电流叠加原理，监测点的正序、负序、零序电流分别列出算式为：

正序电流 ${\stackrel{\·}{I}}_1={\stackrel{\·}{I}}_{11}+{\stackrel{\·}{I}}_{21},$ 代入计算后 ${\stackrel{\·}{I}}_1={\stackrel{\·}{I}}_{N1}+\frac{\sqrt{3}}{3}{e}^{j30}\·{\stackrel{\·}{I}}_{N2}$

负序电流 ${\stackrel{\·}{I}}_2={\stackrel{\·}{I}}_{12}+{\stackrel{\·}{I}}_{22},$ 代入计算后 ${\stackrel{\·}{I}}_2=\frac{\sqrt{3}}{3}{e}^{-j30}\·{\stackrel{\·}{I}}_{N2}$

零序电流 ${\stackrel{\·}{I}}_0={\stackrel{\·}{I}}_{10}+{\stackrel{\·}{I}}_{20},$ 代入计算后 ${\stackrel{\·}{I}}_0=0$

于是，可计算出在监测点包括负载1、2的负序-正序总电流比例系数ε，其计算公式为

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\left|{\stackrel{\·}{I}}_2\right|}{\left|{\stackrel{\·}{I}}_1\right|}\×100\%=\frac{{|\stackrel{\·}{I}}_{22}|}{|{\stackrel{\·}{I}}_{11}+{\stackrel{\·}{I}}_{21}|}\×100\%$

代入计算得

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\frac{\sqrt{3}}{3}\left|{\stackrel{\·}{I}}_{N2}\right|}{|{\stackrel{\·}{I}}_{N1}+\frac{\sqrt{3}}{3}{e}^{j30}{\stackrel{\·}{I}}_{N2}|}\×100\%$

此情况下，断线点上下侧的三相线电压变化规律仍符合情况2或情况3所述的规律。

关于电流方面，由以上算式可得出如下规律：当监测点在B相断线点之前，且监测点与断线点之间、断线点之后都有三相负载时，监测点所测得三相电流向量为不对称向量；当断线点之前的三相对称负载电流I_N1趋向于远远大于断线点下侧负载电流I_N2时，负序-正序电流比例系数ε趋向接近于0；当断线点之前的三相对称负载电流I_N1趋向于远远小于断线点下侧负载电流I_N2时，负序-正序电流比例系数ε趋向于100％。系数ε数值的大小反映的是配电线路单相断相的可能性的数值，可以间接判定在该时刻监测点下侧可能发生单相断线故障概率大小。由上述规律可得出如下判断标准：对于一个中性点不接地***配电网，在具有一定正常负载的运行情况下，当所测量的负序-正序电流比例系数ε为0时，则可确定其线路下侧未发生一相线路断线故障；当所测量的负序-正序电流比例系数ε为100％时，则可确定其线路下侧某处一定发生一相线路断线故障；当负序-正序电流比例系数ε介于0-100％之间时，则可根据ε数值大小进而推断断线故障的概率大小，ε越大，则线路一相断线可能性的概率就越高，可设定参数ε_dx作为比较判定监测点下侧线是否发生单相断线故障，参数ε_dx的大小设定可根据配电网的正常运行时三相不平衡情况来进行设定。

情况5：多个三相负载电路，部分三相负载发生接地单相断线的情况。当监测点在B相断线点之前，且监测点与断线点之间、断线点之后都有三相负载，且断线点至少一端接地。

线电压特点：断线点上侧(靠近电源的一侧)三相线电压仍保持不变。

电流特点：在监测点下侧，由于B相断线点至少有一端接地，受配电网接地电流影响(即零序电流)，即使监测点与断线点之间没有其它负载，非断线相A、C相所测得的电流不再满足大小接近相等、相位夹角180°的关系。对于断线相B相，如果接地点在断线点下侧，则B相电流为0，如果接地点在断线点上侧，则B相电流为电网接地电流(即3I₀电流，也就是3倍零序电流)，如果断线点上下侧均同时接地，则相当于B相线路在断线点处串联一个电阻并且断线点两端同时接地，大部份接地电流流经断线点上侧导线，仍可近似作B相电流为配电网接地电流。

计算三相电流的对称分量，包括正序电流负序电流零序电流并进行分析。

正序电流为 ${\stackrel{\·}{I}}_1=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{I}}_a+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{I}}_b+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{I}}_c)$

负序电流为 ${\stackrel{\·}{I}}_2=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{I}}_a+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{I}}_b+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{I}}_c)$

零序电流为 ${\stackrel{\·}{I}}_0=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{I}}_a+{\stackrel{\·}{I}}_b+{\stackrel{\·}{I}}_c)$

对于中性点不接地配网***，配电网具有较大负载且三相负载基本对称情况下，当线路未发生断线但发生B相单相接地故障时，由于配电网的接地点的电流为整段母线下的所有三相配电线路的对地电容电流，其有效值一般远小于相电流，大小为3倍的零序电流，即3I₀，则各对称分量之间大小的关系为

$\left\{\begin{array}{c}\left|{\stackrel{\·}{I}}_1\right|>>\left|{\stackrel{\·}{I}}_2\right|\\ \left|{\stackrel{\·}{I}}_1\right|>>\left|{\stackrel{\·}{I}}_0\right|\\ \left|{\stackrel{\·}{I}}_0\right|\≠0\end{array}\right.$

因此，此情况下负序-正序电流比例系数ε一般很小，其大小为接近于0的数值。

如果B相单相断线接地故障，则零序电流、负序电流均不为零，即 则当断线点上侧单侧接地或断线点上下侧同时接地且监测点与断线点之间没有其它负载时，且由于大部分零序电流流经断线端上侧电线接地点，其有效值大小关系为

$\left|{\stackrel{\·}{I}}_b\right|=\left|3{\stackrel{\·}{I}}_0\right|$

当断线点上侧悬空、下侧单侧接地且监测点与断线点之间没有其它负载时，且由于断线点下侧的电流为接地电流，因此，其有效值大小关系为

$\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_b\right|<\left|3{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_0\right|$

因此，上述两种单相断线并且接地的故障的可合并为一个关系式来进行判断，即当B相单相断线并且接地故障时，无论接地点在断线点上侧还是下侧，断线点上侧附近所测量的断线相线电流有效值小于或等于零序电流有效值，即

$\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_b\right|\&le;\left|3{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_0\right|$

同情况4相同，当断线点前后都有三相负载时，通过监测负序-正序电流比例系数ε的大小，可以推断出配电网单相断线概率的大小，当发生单相断线并且接地的故障时，零序电流的因素会引起负序电流增大，从而叠加并增大负序-正序电流比例系数ε的数值，甚至可能出现负序电流大小超过正序电流大小的情况，即负序-正序电流比例系数ε大于100％。

实际运行中，尽管中压配电网所接入的终端负荷设备已尽量按照三相负载平衡的方式进行安装布置，其正常运行情况下三相电流的不平衡度很小，但在中压配电线路实际运行中，仍然无法实现三相电流完全平衡，其影响因素有：(1)配电变压器低压侧三相负载不平衡，将导致高压侧的三相电流存在差异；(2)配电网可能安装有少量的单相配电变压器，导致三相线路电流存在差异；(3)配电网中存在大量的二元件测量、计量装置，电压二元件测量装置如AB、BC相PT(电压互感器)，电流二元件测量装置如A、C相CT(电流互感器)，尽管其本身功耗极小，这也将导致电网始终存在着少量的三相不平衡电流；(4)配电网线路三相导线的排列方式、各相导线对地绝情况等因素也将使线路三相电流大小存在微小的差异影响。

在上述情况下，断线点上下侧的三相线电压变化规律仍符合情况2或情况3所述的规律；三相电流变化规律则符合下述规律。

结合情况4的有关规律和结论，并考虑情况5的单相接地电流的因素，再综合配电网本身正常运行时的三相电流不平衡情况，可以以负序-正序电流比例系数ε为判定依据，设定参数ε_dx作为比较判定监测点下侧线是否发生单相断线故障，以零序电流有效值是否大于0作为判定监测点下侧是否发生单相接地故障的依据。因此，情况4和情况5可合并为统一的判定方法。

2.断线判定原理及方法

通过上述情况1-5的电路分析，下面将讨论以三相线电压、线电流向量为数据源进行配电线路单相断线故障的判断原理及计算公式。

(1)基于三相线电压向量的单相断线故障判断原理及计算公式

已知条件：

通过测量，可得三相线电压向量各向量的有效值均应远大于0，并且无论监测点上侧是否发生单相断线故障，始终满足

根据配电网运行规程及电网实际情况，配电网任意两相的负载阻抗的阻抗值、阻抗角大小差异并不大，因此，可设三相负载之间阻抗大小差异率ΔR≤25％、各相阻抗的阻抗角相位差α≤60°。

图8为三相线电压向量与负载阻抗关系示意图，由示意图可看出如下规律，当线路未发生单相断线故障时，三相线电压的有效值大小相近，相位角差约为120°。设当线路发生B相断线故障，通过情况3的分析结果，可得知，的大小及相位角保持不变，的大小和相位角都发生较大变化，二者的大小取决于其于对应相阻抗值Z的比例关系，二都相位夹角取决于对应相阻抗角的差异。由图4可直观看出并推导证明，当AB、BC相所接入的阻抗角差值为60°，且AB、BC相阻抗值大小相等时，的有效值之和最大；当AB、BC相所接入的阻抗角差值为0°时，无论AB、BC相阻抗值大小相等或不相等，其的有效值之和均与不变；当AB、BC相所接入的阻抗角差值在大于0°且小于60°区间时，如果AB、BC相阻抗值大小相等时，的有效值之和最大。

下面进行AB、BC相阻抗值大小相等时B相断线后三相线电压之间大小与相位角关系变化情况的分析。

比较线电压有效值大小，区分出电压有效值数据最大值、次小值、和最小值并分别赋值给变量U_max、U_mid、U_min，将其对应相位角赋值给变量φ_max、φ_mid、φ_min。

设系数μ为电压最大相有效值与次小、最小两相电压有效值之和的比例系数，系数θ为电压次小、最小相之间的相位差数值，其计算公式表示如下：

$\mathrm{\&mu;}=\frac{U_{\max }}{U_{\min }+U_{\mathrm{mid}}}---\left(1\right)$

θ＝|φ_mid-φ_min|   (2)

未发生单相断线故障时，三相线电压大小接近相等，相位差均相差约120°，即U_max≈U_mid≈U_min、|φ_mid-φ_min|≈120°，因此，可计算得

μ≈0.5

θ≈120°

当B相断线故障发生后，如果AB、BC相所接入的负载的阻抗角相等，则满足情况2的论述结论，即U_max＝U_min+U_mid、|φ_mid-φ_min|≈0°，因此，可计算得

μ＝1

θ＝0°

当B相断线故障发生后，如果AB、BC相所接入的负载的阻抗角不相等，根据情况3的论述，并限定AB、BC相所接入的阻抗大小相等、阻抗角相差60°，即U_min＝U_mid、|φ_mid-φ_min|＝60°，因此，可计算得

$\mathrm{\&mu;}=\frac{U_{\max }}{U_{\min }+U_{\mathrm{mid}}}=\frac{\sqrt{3}}{2}=0.866$

θ＝60°

将系数μ、θ作为线路是否发生单相断线的判定依据，可得出如下结论：

当μ≈0.5且θ≈120°时，监测点上侧线路未发生单相断线故障；

当1≥μ≥0.866且0°≤θ≤60°时，在监测点上侧(即靠电源侧)线路发生单相断线故障，单相故障相为线电压最大对应相的超前相。

(2)基于三相电流向量的单相断线故障判断原理及计算公式

已知条件：

通过测量，可得三相线电流向量由三相线电流向量可计算出正序、负序、零序电流

由于配电网实际运行中，负载始终处于随机波动状态，电流的波动幅度、频度远大于电压，直接根据三相线电流的有效值、相对相位角来判定线路是否断线，则误判的概率很高，在线路空载、或极轻载时会无法判断线路是否发生单相断线故障。因此，应用基于三相线电流向量的单相断线故障判断必须有一个前提条件，即三相电流的有效值必须至少有两相电流大于电流最小整定值参数I_ini，即满足关系算式

如果三相电流有效值不满足上述关系算式，则表明线路空载或所采集电流数据无法满足要求，不进行基于三相电流向量的单相断线故障判断。

下面进行单相断线故障判断方法分析。

设系数ε为负序-正序电流比例系数，其计算公式表示如下：

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_2\right|}{\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_1\right|}---\left(4\right)$

由于负序-正序电流比例系数ε是用来反映配电线路单相断线概率高低的系数，为提高判断精度，可根据配电网的特性，设定一个适当比较参照参数ε_dx来判断线路是否发生单相断线故障。根据相关规程，电网正常运行情况下，三相电流的不平衡度一般不大于25％，如果三相负载的阻抗不相等但阻抗角相等，在此条件，可仿真计算出负序-正序电流比例系数ε＝0.1644；如果三相负载的阻抗相等但阻抗角不相等，设三相负载阻抗中两相相等、其中有一相阻抗与其它两相的阻抗角差值为60°，则可仿真计算出其三相不平衡度大于25％，负序-正序电流比例系数ε＝0.3725。因此，在配电网正常运行的约束条件为：系数ε小于0.3725。综合考虑电网中可能的最大不对称负载、三相负载变动等不对称因素，本实用新型将系数ε的断线判断参考整定值增大并设为ε_dx＝0.5，整定值ε_dx大小可根据配电网的实际运行情况进行调整。

系数中为零序电流有效值，其数值大小反映了配电网是否存在单相接地，当时，配电网线路未发生单相接地故障；当配电网线路发生单相接地故障。

将系数ε作为线路是否发生单相断线的判定依据，可得出如下结论：

当ε＜ε_dx时，监测点下侧线路发生单相断线故障概率较小；

当ε≥ε_dx并且时，监测点下侧线路发生单相不接地断线故障概率较大，其概率大小与系数ε呈正相关性，断线相为三相电流有效值最小相；

当ε≥ε_dx并且时，监测点下侧线路发生单相接地断线故障概率较大，其概率大小与系数ε呈正相关性，断线相为三相电流有效值最小相。

断线监测装置

在配电线路中安装一台或多台断线监测装置，该装置周期性三相同步采样配电线路的三相线电压波形、三相电流波形，计算出同一时刻的三相线电压、三相电流的有效值和相位角；通过分别计算、比较三相线电压有效值中最大电压同最小、次小电压之和的比例关系，及最小、次小电压的相位差数值关系，判断监测地点的上侧线路(即靠近电源侧)是否发生单相断线故障；通过比较负序电流与正序电流的比例关系，判断装置安装地点的上侧(即靠近电源侧)或下侧线路(即远离电源侧)是否发生单相断线故障；计算零序电流数值，判断装置安装地点的下侧线路是否发生单相接地故障。

具体的，在线路上设置多个监测点，每个监测点设置至少一个断线监测装置，该断线监测装置可作为新增功能集成到包含有电压互感器和电流互感器***测量元件的变电站馈线出线断路器、分段断路器、分段负荷开关、分界断路器或分界负荷开关的智能控制器中。

参照图9所示，一种基于电压电流向量的配电线路断线监测装置，包括电源模块6、微处理器1、电压采集电路2、电流采集电路3、电压互感器和电流互感器，电压互感器包括AB线电压互感器41、BC线电压互感器42和CA线电压互感器43，其输出端分别与电压采集电路2的输入端连接；电流互感器包括A相电流互感器51、B相电流互感器52和C相电流互感器53，其输出端分别与电流采集电路3的输入端连接；电压采集电路2和电流采集电路3均包括有调理电路和A/D转换电路；微处理器1通过数据线路分别与电压采集电路2、电流采集电路3、远程通信模块12、时钟模块11、数据存储器13、本地I/O设备15和显示模块14连接；微处理器1还通过同步信号线路分别与电流采集电路2和电压采集电路3连接，可定时发出同步采集脉冲信号启动电压采集电路2、电流采集电路3进行电压、电流的同步采集。电源模块6为整流电路，整流电路的输入端分别与AB线电压互感器41、BC线电压互感器42和CA线电压互感器43的输出端连接，整流电路的输出端与微处理器1连接，通过远程通信模块12可向后台监控设备16发送监测信息以供后台监控。

具体工作原理为：微处理器1定时发出同步采集脉冲信号给电压采集电路2的A/D转换电路和电流采集电路3的A/D转换电路，使A/D转换电路将六路模拟信号(三路电压、三路电流)同步转换成数字信号并反馈给微处理器1，由微处理器1根据电压和电流数据进行断线判断，并将判断结果显示在显示屏14中，及通过远程通信模块12输送给后台监控设备16。

具体方法如下：

1、同步采集三相线电压、线电流向量数据。

特征：周期性同步采样三相线电压波形、三相电流波形，计算、统计相同时刻的各线电压向量的有效值、相位角，记作

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{bc}}=U_{\mathrm{bc}}\&angle;{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{bc}}$

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{ca}}=U_{\mathrm{ca}}\&angle;{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{ca}}$

计算、统计相同时刻的各线电流向量的有效值、相位角，记作

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_a=I_a\&angle;{\mathrm{\&phi;}}_a$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_b=I_b\&angle;{\mathrm{\&phi;}}_b$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_c=I_c\&angle;{\mathrm{\&phi;}}_c$

如果所采集计算出的线电压或电流有效值数据极小，其数据采集精度与区分度难以满足判断要求，则将该项线电压或电流向量数值记作0，即线电压或或线(相)电流或或如果三相线电压或三相线电流的有效值数值都为0，则表明配电线路停电或都测量装置本身发生故障，不执行后续的电压、电流校验步骤，也不执行后续相应的根据电压向量或电流向量作为判据的单线断线故障判断步骤，如果线电压均不为0，但三相线电流有效值均小于或等于可保证断线判断准确率的最小值I_ini，则线路为空载状态或接近空载状态，采用电流有效值/电流相位法失效，因此不执行后面的电流核验步骤，也不执行后面根据电流向量作为判据的单线断线故障判断步骤。

2、线电压校验、线电流校验、计算负序-正序电流比例系数。

校验电压、电流数据：由于测量的对象是运行中的配电网，电网***为三相三线制且中性点不接地或不直接接地***，在采集的数据正确且精度满足要求前提下，则所采集的三相线电压向量和应为零或接近于零的数值，设该整定值为U_jy，则

如果关系式则电压测量回路及测量装置所采集电压向量数据正常，线电压数据校验通过。

如果关系式则表明所采集的电流向量数据符合作为进行单相断线判断的基本条件，电流数据校验通过。接着进行正序、负序、零序电流计算和电网是否存在单相接地故障判断。

计算三相电流的对称分量，包括正序电流负序电流零序电流并进行分析。

正序电流为 ${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_1=\frac{1}{3}({\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_a+\mathrm{\&alpha;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_b+{\mathrm{\&alpha;}}^2{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_c)$

负序电流为 ${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_2=\frac{1}{3}({\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_a+{\mathrm{\&alpha;}}^2{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_b+\mathrm{\&alpha;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_c)$

零序电流为 ${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_0=\frac{1}{3}({\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_a+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_b+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_c)$

其中，当即采集的三相线电流向量和应为接近于零数值，设该整定值为I_jd，则

如果则监测点下侧线路不存在单相接地故障。

如果则监测点下侧线路存在单相接地故障。

3、三相线电压之间有效值、相位比较(确定是否一相断线，哪相断线)

比较线电压有效值大小，区分出电压有效值数据最大值、最小值和中间值并分别赋值给变量U_max、U_min、U_mid，分别对应代表最大相、最小相和次小相电压；比较φ_ab、φ_bc、φ_ca相位角之间的关系，计算其相邻两相之间的相位角差φ₁＝φ_bc-φ_ab、φ₂＝φ_ca-φ_bc、φ₃＝φ_ab-φ_ca，根据电压比较的结果，将电压次小相与最小相的相位差绝对值赋值给系数θ。

设单相断线判断电压判据整定值为μ_dx＝0.866、θ_dx＝60°。

如果三相线电压的最大、最小、次小相电压有效值之间的关系满足

$\mathrm{\&mu;}=\frac{U_{\max }}{U_{\min }+U_{\mathrm{mid}}}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{dx}}$

并且，线电压次小相与最小相之间相位差值满足

θ≤θ_dx

则监测点上侧线路发生单相断线故障，断线相为电压最大相的超前相。

4、三相线电流之间有效值、相位比较(确定是否一相断线，哪相断线)

设单相断线判断电流向量判据整定值为ε_dx＝0.5。

利用步骤2已计算出三相电流的对称分量，包括正序电流负序电流零序电流再根据零序电流有效值的大小，分两种情况进行判断：

(1)计算数值。当时，如果ε≈1时，则判定监测点附近线路必然发生单相断线故障；如果ε_dx≤ε＜1时，则判定监测点附近线路可能发生单相不接地断线故障；如果ε＜ε_dx时，则判定监测点附近发生单相不接地断线故障可能性较低。

(2)计算数值。当时，如果ε≥1时，则判定监测点附近线路必然发生单相接地断线故障；如果ε_dx≤ε时，则判定监测点附近线路可能发生单相接地断线故障；如果ε＜ε_dx时，则判定监测点附近发生单相断线可能性较低，但线路存在单相接地故障。

5、通过3、4结果组合断线点判定(上侧、下侧)及判断依据类型(根据电压或电流)。

6、输出判定结果数据。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，故不能以此限定本实用新型实施的范围，即依本实用新型申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本实用新型专利涵盖的范围内。

Claims (3)

1.一种基于电压电流向量的配电线路断线监测装置，设置在电网***的断线监测点，其特征在于：包括电源模块、处理器、电压采集电路、电流采集电路、电压互感器和电流互感器，电压互感器包括输出端分别与电压采集电路的输入端连接的AB线电压互感器、BC线电压互感器和CA线电压互感器；电流互感器包括输出端分别与电流采集电路的输入端连接的A相电流互感器、B相电流互感器和C相电流互感器；电压采集电路和电流采集电路均包括有调理电路和A/D转换电路；处理器通过数据线路分别与电压采集电路和电流采集电路连接；处理器还通过同步信号线路分别与电流采集电路和电压采集电路连接，可定时发出同步采集脉冲信号启动电压采集电路、电流采集电路进行电压、电流的同步采集。

2.根据权利要求1所述的一种基于电压电流向量的配电线路断线监测装置，其特征在于：还包括分别与所述处理器连接的远程通信模块、数据存储器和显示模块。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于电压电流向量的配电线路断线监测装置，其特征在于：所述电源模块为整流电路，所述整流电路的输入端分别与所述AB线电压互感器、BC线电压互感器和CA线电压互感器的输出端连接，所述整流电路的输出端与所述处理器连接。