一种配电网单相接地故障定位装置及方法

本发明涉及一种配电网故障定位技术领域，具体的说，是一种配电网单相接地故障定位装置及方法。

随着我国工业的发展，电力网络规模逐渐加大，网络结构逐渐复杂，用户对供电稳定的要求也越来越高。一方面，在系统正常运行时要防止故障的发生；另一方面，在故障发生后尽快进行故障定位，迅速排除故障，保证系统运行安全，将损失最小化。

现阶段我国配电网大多数采用中性点非有效接地系统(中性点不接地或经消弧线圈接地)，其特点是单相接地故障时不会形成短路回路，故障线路流过电流为所有非故障线路对地电容电流之和，数值小，不必立刻切断线路，允许带故障运行一段时间．但随着馈线的增多，电容电流增大，长时间运行就容易单相接地变成多点接地短路，弧光接地还会引起系统的过电压，损坏设备，破坏系统的安全运行，所以必须及时到故障线路和故障地点。

然而，配电网故障定位一直是电力系统中亟待解决的难题。这是由配电网络自身的特点决定的。配电网络与输电网络相比有以下三大特点：

(1)供电半径小。较短的线路使得在输电网故障定位中应用广泛的经典阻抗法在配电网络中误差明显加大。

(2)末端随机负荷多。这一特点使得阻抗法在配电网中无法精确定位。

(3)线路分支多。从结构上来说，分支多本身给精确某个分支带来了困难；从算法上来说，分支多所带来的信息就多，其中包含的真伪信息都多，混杂在一起，难于理清。

因而，配电网故障定位问题一直没有得到有效的解决．国内大多仍然采用人工巡线的方法，由于配电网络分支复杂，又不可能同时派出大量巡线工人，所以故障发生后停电时间较长，自动化水平低。如果能够到一种合适的技术方法，能够在故障发生后迅速精确的定出故障位置，一方面节省了人力物力，另一方面也提高了系统运行的长期稳定性。

针对现有技术的不足，本发明提供一种配电网单相接地故障定位装置及方法，其采用行波法对配电网单相接地故障进行定位，利用故障行波并借助GPS进行双端定位。

整个系统包括安装于被检测线路两端变电站的两套行波故障定位装置，行波故障定位装置由行波传感器、GPS采样单元、中央处理单元和故障定位主机四部分组成。行波传感器套接于线路两端的CVT地线上。

随着卫星通信技术的发展，卫星授时法已经从军用转向民用，目前基于GPS(全球定位系统)的同步采样方法已经在电力系统中得到广泛应用。目前可采用的同步卫星系统主要有三种，分别为：GOES系统(地球静止业务环境卫星)、GPS卫星系统以及我国自主研制的北斗卫星系统。

GPS的主要由空间部分、地面控制系统和用户设备共计3个部分构成。

基本原理是：首先测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后得到各个卫星信号到达接收机的时间，最后综合计算就可以确定出接收机所在位置，而只要有了位置坐标就能保证该位置点时间的准确性。

GPS行波采样单元包括行波信号处理模块和GPS计时模块。

行波信号处理模块对行波波头进行检测，辨识行波波头；GPS计时模块为行波波头的到达提供准确的时间。

行波信号处理模块由行波极性检测电路和行波波头突变检测电路组成，采用行波的幅值实现行波波头和极性检出。

全波整流电路将负行波转变为正行波，如果有幅值大于设定值的行波波头出现。则确定为故障行波，第二电平比较器输出行波波头突变信号；第一电平比较器与正行波比较，若正行波幅值大于设定值，则输出检测行波极性信号，对负行波不产生极性信号输出。为了防止电磁干扰等未造成线路故障的冲击波频繁启动GPS采样单元，应根据线路故障行波的特点调整设定幅值电平值。

GPS计时模块采用计数器和比较器对高精度晶振进行分频，产生晶振秒时钟信号，并由CPU对比较值进行修正，产生修正后的秒时钟。修正后的秒时钟触发第一锁存器锁存GPS秒脉冲的到达时刻，得到修正后的秒时钟与GPS秒脉冲的相位差。通过对该相位差和比较值的修正值分析，产生GPS秒时钟和晶振秒时钟的偏差序列。该偏差包括GPS时钟的随机漂移误差和晶振的累计误差；采用一元二次回归分析模型对两种误差进行估计，分离出各自误差；并对晶振累计误差进行修正，构造出高精度时钟发生装置。比较值每秒设置一次，由前n次测量的GPS秒时钟误差和前n次设置的比较值历史数据计算本次将要设置的比较值。

当行波波头到达时，将产生的行波波头突变信号送入第二锁存器，锁存GPS同步高精度授时时钟此时刻的时间值，启动CPU把第二锁存器数据读入计算机内存，对行波波头到达的最初时刻和行波波头的极性进行快速记录。

GPS接收机由天线接收到时钟信号后首先经过前置滤波、放大电路进行抗干扰之后再加以利用。前置滤波使得GPS接收机不易受相对于GPS的两个波段频带的带外强功率的干扰，采用具有陡的截止频率特性的无源滤波器来抑制大的带外功率，有较低的插入损耗和良好的截止带宽抗干扰特性。GPS信号到达接收机时信号很小，故需要使用放大电路来增加其幅值，并且使用限幅器来消除脉冲干扰，采用二极管置于前置放大器中来保护它免受任何形式大功率脉冲干扰。限幅器对正常信号或大多数的射频干扰信号无影响，只是削去高功率信号。

中央处理单元具有电源单元、RS485转换电路、光耦隔离单元、开关量输入接口、CPU单元、网卡、RS485通讯指示灯以及网卡通讯指示灯，其中RS485转换电路与GPS采样单元连接，并通过光耦隔离单元与CPU单元相连，开关量输入接口接收开关量输入信号，CPU单元通过网卡连接故障定位主机。

电源单元采用太阳能电池与蓄电池进行混合供电的方式作为其主要的电源供应方式，在选取蓄电池时，也应该根据太阳能电池功率的大小来选用不同的种类的充电电池和蓄电池。在电路中要串联一个整流二极管防止太阳能电池在电压下降或者不发电时蓄电池对太阳能电池逆放电，同时，为防止太阳能电池在强光下由于遮挡受损，最好在太阳能电池组件输出端的两极并联一个旁路二极管，防止某块电池组在得不到光照而成为负载产生严重发热，旁路二极管的电流值不能低于该块太阳能组件的电流值。

行波法对配电网单相接地故障进行定位方法为：

当线路为单一介质时，行波在线路上的传播速度恒定，波速用v表示。当线路MN中某一点F发生故障时，故障点产生的行波向线路两端传播。行波到达两端的时刻分别为t1和t2。则可得下列方程组：

其中L是线路MN的长度，是故障行波到达M端和N端的时间差。L和可由实际中查出或测得，可视为已知条件。因此，由式(1)可得：

其中是故障点到M端的距离，是故障点到N端的距离。

对于由架空线和电缆线组成的混合线路，由于行波在架空线和电缆上的传播速

度相差很大，上述方法失效。但是故障行波到达线路两端的时间仍满足以下方程组：

其中是故障行波到达M端和N端的时间差，t是行波从M段传到N端所需要的时间，和t可测得，视为已知条件，因此，由式（3）可得

其中是行波由故障点传到M端所需要的时间，是行波由故障点传到N端所需要的时间。

基于时间变量的故障搜索算法

行波的波速与线路的介质有关，在电气参数单一的线路中波速基本恒定。在架空一电缆混合线路中，只要知道线路的具体结构，以及行波在架空线和电缆线中的波速，就可以计算出行波在每段线路以及在整条线路中传播所需要的时间；即已知一段架空一电缆混合线路的具体结构和行波从线路一端运动到线路中某点所需的时间，就可以确定出该点的位置。基于上述原理，提出了基于时间变量的故障搜索算法，该算法解决了混合线路故障定位中波速不连续的问题。架空线和电缆线路均为均匀介质线路，行波在其中的传播速度分别为和。

算法步骤如下：

(1)确定线路MN的结构，每段线路的长度以及行波在不同线路中的传播速度。由于行波波速与线路的实际参数有关，而线路的参数是随频率变化的。因此，实际中要得到精确的行波波速需要进行在线测量。

(2)根据每段线路的长度和行波在每段线路上的传播速度计算出行波在每段线路上的传播时间。MA、AB、BC、CD、DN段线路对应的时间分别记为。

(3)由线路两端的信号检测装置分别记录故障行波首次到达线路两端的时刻，进而求得故障行波到线路两端的时间差。再根据行波在整条线路上传播所需要的时间由式(4)可求出故障行波到达线路两端的时间。

(4)故障行波到达线路M端的时间记为，从M端开始搜索，由>可判断故障点在MA段线路之后；由可判断故障点在AB段线路上；AB段线路为架空线，可求出故障点到A点的距离为，进而求出故障点到M端的距离为。

本发明通过对配电线路的特点分析，提出了配电网单相接地故障定位方法，提高了故障定位的精确度，降低了巡线难度，从而保证了电网稳定及安全的运行。

图1为本发明配电网单相接地故障定位装置结构

图2为本发明配电网单相接地故障定位装置的中央处理器结构

图3为本发明配电网单相接地故障定位方法的仿真电路。

本发明提供一种配电网单相接地故障定位装置及方法，其采用行波法对配电网单相接地故障进行定位，利用故障行波并借助GPS进行双端定位。

如图1所示，整个系统包括安装于被检测线路两端变电站的两套行波故障定位装置，行波故障定位装置由行波传感器、GPS采样单元、中央处理单元和故障定位主机四部分组成。行波传感器套接于线路两端的CVT地线上。

随着卫星通信技术的发展，卫星授时法已经从军用转向民用，目前基于GPS(全球定位系统)的同步采样方法已经在电力系统中得到广泛应用。目前可采用的同步卫星系统主要有三种，分别为：GOES系统(地球静止业务环境卫星)、GPS卫星系统以及我国自主研制的北斗卫星系统。

GPS的主要由空间部分、地面控制系统和用户设备共计3个部分构成。

基本原理是：首先测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后得到各个卫星信号到达接收机的时间，最后综合计算就可以确定出接收机所在位置，而只要有了位置坐标就能保证该位置点时间的准确性。

GPS行波采样单元包括行波信号处理模块和GPS计时模块。

行波信号处理模块对行波波头进行检测，辨识行波波头；GPS计时模块为行波波头的到达提供准确的时间。

行波信号处理模块由行波极性检测电路和行波波头突变检测电路组成，采用行波的幅值实现行波波头和极性检出。

全波整流电路将负行波转变为正行波，如果有幅值大于设定值的行波波头出现。则确定为故障行波，第二电平比较器输出行波波头突变信号；第一电平比较器与正行波比较，若正行波幅值大于设定值，则输出检测行波极性信号，对负行波不产生极性信号输出。为了防止电磁干扰等未造成线路故障的冲击波频繁启动GPS采样单元，应根据线路故障行波的特点调整设定幅值电平值。

GPS计时模块采用计数器和比较器对高精度晶振进行分频，产生晶振秒时钟信号，并由CPU对比较值进行修正，产生修正后的秒时钟。修正后的秒时钟触发第一锁存器锁存GPS秒脉冲的到达时刻，得到修正后的秒时钟与GPS秒脉冲的相位差。通过对该相位差和比较值的修正值分析，产生GPS秒时钟和晶振秒时钟的偏差序列。该偏差包括GPS时钟的随机漂移误差和晶振的累计误差；采用一元二次回归分析模型对两种误差进行估计，分离出各自误差；并对晶振累计误差进行修正，构造出高精度时钟发生装置。比较值每秒设置一次，由前n次测量的GPS秒时钟误差和前n次设置的比较值历史数据计算本次将要设置的比较值。

当行波波头到达时，将中产生的行波波头突变信号送入第二锁存器，锁存GPS同步高精度授时时钟此时刻的时间值，启动CPU把第二锁存器数据读入计算机内存，对行波波头到达的最初时刻和行波波头的极性进行快速记录。

GPS接收机由天线接收到时钟信号后首先经过前置滤波、放大电路进行抗干扰之后再加以利用。前置滤波使得GPS接收机不易受相对于GPS的两个波段频带的带外强功率的干扰，采用具有陡的截止频率特性的无源滤波器来抑制大的带外功率，有较低的插入损耗和良好的截止带宽抗干扰特性。GPS信号到达接收机时信号很小，故需要使用放大电路来增加其幅值，并且使用限幅器来消除脉冲干扰，采用二极管置于前置放大器中来保护它免受任何形式大功率脉冲干扰。限幅器对正常信号或大多数的射频干扰信号无影响，只是削去高功率信号。

如图2所示，中央处理单元具有电源单元、RS485转换电路、光耦隔离单元、开关量输入接口、CPU单元、网卡、RS485通讯指示灯以及网卡通讯指示灯，其中RS485转换电路与GPS采样单元连接，并通过光耦隔离单元与CPU单元相连，开关量输入接口接收开关量输入信号，CPU单元通过网卡连接故障定位主机。

电源单元采用太阳能电池与蓄电池进行混合供电的方式作为其主要的电源供应方式，在选取蓄电池时，也应该根据太阳能电池功率的大小来选用不同的种类的充电电池和蓄电池。在电路中要串联一个整流二极管防止太阳能电池在电压下降或者不发电时蓄电池对太阳能电池逆放电，同时，为防止太阳能电池在强光下由于遮挡受损，最好在太阳能电池组件输出端的两极并联一个旁路二极管，防止某块电池组在得不到光照而成为负载产生严重发热，旁路二极管的电流值不能低于该块太阳能组件的电流值。

行波法对配电网单相接地故障进行定位方法为

当线路为单一介质时，行波在线路上的传播速度恒定，波速用v表示。当线路MN中某一点F发生故障时，故障点产生的行波向线路两端传播。行波到达两端的时刻分别为t1和t2。则可得下列方程组：

其中L是线路MN的长度，是故障行波到达M端和N端的时间差。L和可由实际中查出或测得，可视为已知条件。因此，由式(1)可得：

其中是故障点到M端的距离，是故障点到N端的距离。

对于由架空线和电缆线组成的混合线路，由于行波在架空线和电缆上的传播速

度相差很大，上述方法失效。但是故障行波到达线路两端的时间仍满足以下方程组：

其中是故障行波到达M端和N端的时间差，t是行波从M段传到N端所需要的时间，和t可测得，视为已知条件，因此，由式（3）可得

其中是行波由故障点传到M端所需要的时间，是行波由故障点传到N端所需要的时间。

基于时间变量的故障搜索算法

行波的波速与线路的介质有关，在电气参数单一的线路中波速基本恒定。在架空一电缆混合线路中，只要知道线路的具体结构，以及行波在架空线和电缆线中的波速，就可以计算出行波在每段线路以及在整条线路中传播所需要的时间；即已知一段架空一电缆混合线路的具体结构和行波从线路一端运动到线路中某点所需的时间，就可以确定出该点的位置。基于上述原理，提出了基于时间变量的故障搜索算法，该算法解决了混合线路故障定位中波速不连续的问题。架空线和电缆线路均为均匀介质线路，行波在其中的传播速度分别为和。

如图3所示，算法步骤如下：

(1)确定线路MN的结构，每段线路的长度以及行波在不同线路中的传播速度。由于行波波速与线路的实际参数有关，而线路的参数是随频率变化的。因此，实际中要得到精确的行波波速需要进行在线测量。

(2)根据每段线路的长度和行波在每段线路上的传播速度计算出行波在每段线路上的传播时间。MA、AB、BC、CD、DN段线路对应的时间分别记为。

(3)由线路两端的信号检测装置分别记录故障行波首次到达线路两端的时刻，进而求得故障行波到线路两端的时间差。再根据行波在整条线路上传播所需要的时间由式(4)可求出故障行波到达线路两端的时间。

(4)故障行波到达线路M端的时间记为，从M端开始搜索，由>可判断故障点在MA段线路之后；由可判断故障点在AB段线路上；AB段线路为架空线，可求出故障点到A点的距离为，进而求出故障点到M端的距离为。

本发明通过对配电线路的特点分析，提出了配电网单相接地故障定位方法，提高了故障定位的精确度，降低了巡线难度，从而保证了电网稳定及安全的运行。

以上所述仅为本发明的优选并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。