故障全感知终端及其小电流单相接地精准定位方法

摘要

本发明提出一种故障全感知终端及其小电流单相接地精准定位方法，其特征在于，包括：电子式电压互感器、电子式电流互感器、保护线损板和主板；所述电子式电压互感器用于采集环网柜A相、B相、C相电压；所述电子式电流互感器用于对环网柜各个间隔的A相、B相、C相电流进行采集；所述电子式电压互感器和电子式电流互感器分别经保护线损板连接主板；所述电子式的电压和电子式电流互感器内集成有积分器和滤波器，为阻容型互感器；所述保护线损板用于对电压和电流信号进行模数转换。通过各类信号采集实现对于电缆运行状态进行实时刻画，提前预警消除故障设备，同时在故障时能在短时间内实现各类故障的精准定位。

说明书

技术领域

本发明属于配电网运维技术领域，尤其涉及一种故障全感知终端及其小电流单相接地精准定位方法。

背景技术

在电力行业中，现有的DTU缺乏对于小电流接地故障的诊断能力，对于老旧电缆的隐患特征未进行刻画。尤其在缆化率高，电缆类故障占比相对较高的场景下，10kV配网系统采用消弧线圈接地方式，实际运维过程，存在以下难点问题：

1.电缆故障点排查困难。电缆埋于地下，无法直接观察，再加上缺少接地故障研判手段，电缆网故障定位不准确，导致电缆故障点查找困难，从而引起故障抢修时长过长，对停电用户造成较大影响，无法满足提升供电服务质量的要求。

2.配网容易引发次生故障。由于缺乏电缆运行监控手段，配网接地故障时，相电压抬高至线电压，再加上老旧电缆隐患未能及时发现并消除，导致线路薄弱环节（如电缆头等）容易被击穿，近年来已引发多次多处次生故障。次生故障的产生，也说明石狮地区电缆网确实存在薄弱点，实现电缆运行实时监控是现阶段亟需解决的问题。

截止2020年3月，某省已投运一二次成套设备11661台，覆盖线路5018条，形成标准自动化馈线288条，全省2月份一二次成套设备失地故障研判准确率仅为11.74%。

经分析波形特征，发现实际可用于研判的波形仅9条，其余120条（占比93.02%）波形存在杂波严重、无零序电流、无零序电压、相电流不平衡等现象，该类现象是导致误判的主要原因。

综上，研制以中压配电网小电流接地故障定位关键技术为经线，以局放、温度等非电量监测为纬线，纵深剖析老旧故障电缆的特征，实现单相接地故障精准定位，隐患电缆的提前预警消除全感知终端成为目前的迫切需要。

发明内容

针对现有方案存在的缺陷和不足，本发明一种故障全感知终端及其小电流单相接地精准定位方法，其具体采用以下技术方案：

一种故障全感知终端，其特征在于，包括：电子式电压互感器、电子式电流互感器、保护线损板和主板；所述电子式电压互感器用于采集环网柜A相、B相、C相电压；所述电子式电流互感器用于对环网柜各个间隔的A相、B相、C相电流进行采集；所述电子式电压互感器和电子式电流互感器分别经保护线损板连接主板；所述电子式的电压和电子式电流互感器内集成有积分器和滤波器，为阻容型互感器；所述保护线损板用于对电压和电流信号进行模数转换。

优选地，所述主板和保护线损板设置在终端柜内。

优选地，通过设置两个进线间隔的电子式电压互感器采集环网柜A相、B相、C相电压，其采用的直接式电压传感器的引线固定在环网柜ABC三相铜排上并与铜排构成电气连接。

优选地，所述电子式电流互感器用于按照600A/1V变比对环网柜各个间隔的A相、B相、C相电流进行采集并卡扣式安装于电缆上；所述电子式电压互感器将线路的10kV电压转化为3.25V电压。

优选地，所述电子式电压互感器和电子式电流互感器经二次线集合成控揽连接保护线损板。

优选地，还包括：安装于环网柜下柜内壁的超声/TEV/UHF三合一电缆局放感知传感器、安装于电缆头的温度传感器以及安装于环网柜下柜下部的有害气体检测装置，并通过无线通信连接主板的无线接收模块。

优选地，还包括：安装于环网柜电缆接地线处的泄露电流互感器；所述泄露电流互感器经保护线损板连接主板。

以及根据以上故障全感知终端的小电流单相接地精准定位方法，其特征在于：

通过所述电子式的电压和电子式电流互感器内集成的积分器及滤波器抑制二次杂波形成，所述保护线损板将电压和电流信号模数转化传输至主板；所述主板根据电压和电流信号和预设的小电流单相接地判据实现小电流单相接地的精准定位。

优选地，所述预设的小电流单相接地判据为：

当发生线路接地故障时，某一路满足以下条件，则定位为小电流单相接地故障：

零序电压超前零序电流60°至120°且投退状态下的零序电压均＞0；

两相电压升高与一相电压降低比例＞第一设定值，以及零序电压＞第二设定值，至少有其中之一满足；

零序电流＞第三设定值；

至少两相电压大于4kV。

优选地，所述预设的小电流单相接地定位小电流单相接地故障时，判断接地告警使能是否开启，如开启，则启动接地告警。

本发明及其优选方案相比于现有技术，具备以下主要特点和优势：

1、采用了先进的接地故障研判技术，选用的电压、电流传感器精度更高更安全，采用阻容型电子传感器，不会饱和，频响范围宽、测量范围大、线性度好，无铁磁谐振，无短路过压风险；从而能够使用通过暂态稳态、方向综合研判的先进算法。

2、加装电缆运行状态监测感知传感器：采用先进的三合一电缆局放感知传感器，无需后续运维充电，同时电缆接头处加装温度传感器，同时加装气体监测装置，通过局放和测温及有害气体检测装置及泄露电流监测，提前预警电缆绝缘隐患和潜在故障，改善老旧电缆运行环境，降低次生故障发生。

3、现终端免运维：终端功耗低，可以采用高性能免维护后备电源，减少终端运维量。可以应用质保8年的磷酸铁锂电池做后备电源，功耗低散热小，0-70度稳定运行，使用寿命不低于8年，容量不小于25Ah，容量衰减率不高于10%/年。

4、实现支撑同期线损等配网运维业务：具备电量数据自动采集，按计量精度采集三相电压、三相电流、零序电压、零序电流、有功/无功功率及电量等数据，便于线损考核。同时具备自动核相功能，减少人工操作负担，并实现强制闭锁相序不对应线路的合环，提升本质安全。

本发明及其优选方案通过各类信号采集实现对于电缆运行状态进行实时刻画，提前预警消除故障设备，同时在故障时能在短时间内实现各类故障的精准定位（特别是小电流接地的），减少故障停电时长、向零停电感知迈进一大步。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1是本发明实施例各传感器在环网柜的安装位置示意图；

图2是本发明实施例终端柜内的保护线损板和主板示意图；

图3是本发明实施例小电流单相接地判据示意图；

图4是界内故障示意图；

图5是界外故障示意图；

图6是单相接地界外波形示意图；

图7是单相断线波形示意图；

图8是三相断线波形示意图；

图9是航空接头接触不良波形示意图；

图10是本发明实施例装置启动流程示意图；

图11是本发明实施例有源型模拟积分器示意图；

图中：1-电子式电压互感器；2-电子式电流互感器；3-保护线损板；4-主板；5-三合一电缆局放感知传感器；6-温度传感器；7-有害气体检测装置；8-泄露电流互感器。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

如图1、图2所示，为了实现小电流单相接地精准定位的功能，本实施例装置提供的故障全感知终端包括：电子式电压互感器1、电子式电流互感器2、保护线损板3和主板4。

其中，电子式电压互感器1用于采集环网柜A相、B相、C相电压，并将线路的10kV电压转化为终端可用的3.25V电压。由于环网柜同母线，转电路径未定，因此只要加装了两个进线间隔的互感器，无论从哪边供电都能实现对线路三相电压进行采集同时将对应的电压共享给其他出线间隔（出于功能性及成本性要求采集两个间隔电压）。因此，在本实施例中，通过设置两个进线间隔的电子式电压互感器1采集环网柜A相、B相、C相电压，其采用的直接式电压传感器的引线固定在环网柜ABC三相铜排上并与铜排构成电气连接。在安装方面，可以在停电后先将ABC三相铜排的铜鼻子螺丝松开，将直接式电压传感器引线锁紧在对应的铜排上，底座用自攻螺丝固定在柜体底板上，并接上接地线。

在本实施中，电子式电流互感器2用于用于按照600A/1V变比对环网柜各个间隔的A相、B相、C相电流进行采集，停电后卡扣式安装于电缆上。

电子式电压互感器1和电子式电流互感器2分别经保护线损板3连接主板4；电子式的电压和电子式电流互感器2内集成有积分器和滤波器，为阻容型互感器；保护线损板3用于对电压和电流信号进行模数转换。主板4和保护线损板3设置在终端柜内。

电子式电压互感器1和电子式电流互感器2内集成的积分器及滤波器用于抑制二次杂波形成，再将对应的电流电压的二次线集合成控揽将对应的电压电流信号集中传输给保护线损板3，如图2所示，实现模数转化，再将对应的数字信号通过J1传输给主板4，在主板4中对采集到的电流电压进行处理，按照如图3所示的优化传统一二次成套开关算法逻辑，增加电流启动判据及功率研判判据，避开杂波干扰区间，实现小电流单相接地的精准定位。

如图3所示，本实施例采用的小电流单相接地判据为：

当发生线路接地故障时，某一路满足以下条件，则定位为小电流单相接地故障：

零序电压超前零序电流60°至120°且投退状态下的零序电压均＞0；

两相电压升高与一相电压降低比例＞第一设定值，以及零序电压＞第二设定值，至少有其中之一满足；

零序电流＞第三设定值；

至少两相电压大于4kV。

预设的小电流单相接地定位小电流单相接地故障时，判断接地告警使能是否开启，如开启，则启动接地告警。

此外，如图1、图2所示，为了实现电缆运行状态监测的功能，采用“超声/TEV/UHF”三合一电缆局放感知传感器5并安装于环网柜下柜内壁；将温度传感器6安装于电缆头；考虑SF6等气体密度较高等因素，将有害气体检测装置7安装于环网柜下柜下部，对电缆的运行状态进行监测；以上传感器模块采用无线通信的方式与如图2全感知终端主板4无线接收模块进行配套通讯，再经过模数处理传到主板4。

同时在电缆接地线处还加装了精准测量小电流的泄露电流互感器8对泄露电流进行监测，采用硬接线方式采集对应的电流信号传给如图2的保护线损板3，最终在主板4设定超限告警功能，将对应的故障信号上传给主站，以便制定相关的检修计划，对老旧电缆及分支箱进行更换，实现对于老旧电缆故障前的特征状态进行剖析，实现预警消除老旧隐患电缆。

以下提供具体的本实施例方案设计的原理分析：

1 一二次成套设备失地故障研判准确率较低原因分析

1.1一二次融合成套开关小电流接地研判逻辑

传统稳态零序过流需要线下整定各个保护量，而小电阻接地系统发生多回线同相复杂接地故障时容易照成传统零序电流保护因整定的保护量不合理而拒动或误动，无法满足电网对于保护装置选择性的要求。

如图4所示，为界内故障，如图5所示，为界外故障。

由于线路上的杂波比较复杂，为防止界外故障误报情况，电压启动阈值建议设置额定20%以上,具体原因如下：

传统小电流判断方式如下：

零序电压第N个有效采样点大于过零点的情形：

零序电压第N+1个有效采样点大于第N个有效采样点返回1，趋势向上，否则返回0

零序电压第N个有效采样点小于过零点的情形：

零序电压第N+1个有效采样点小于第N个有效采样点返回-1，趋势向下，否则返回0

零序电流第N个有效采样点大于过零点的情形：

零序电流第N+1个有效采样点大于第N个有效采样点返回1，趋势向上，否则返回0

零序电流第N个有效采样点小于过零点的情形：

零序电流第N+1个有效采样点小于第N个有效采样点返回-1，趋势向下，否则返回0

C=iN（返回值）*uN（返回值）(N=0,1,2,3,4,…)

通过零压启动小电流接地研判，零压及零流夹角研判小电流接地故障区间。

1.2一二次融合成套开关小电流接地误判分析

现场故障前波形如图6所示的单相接地界外波形。可以发现，在78ms左右的时候有个电压电压已经达到电压阈值，后期的变化特征已经满足以上逻辑要求。

如图7-图9所示，分别为：单相断线波形、三相断线波形和航空接头接触不良波形

抽取129条成套开关误报的样本。经分析波形特征，发现实际可用于研判的波形仅9条，其余120条（占比93.02%）波形存在杂波严重、无零序电流、无零序电压、相电流不平衡等现象，该类现象是导致误判的主要原因。

1.3一二次融合成套开关小电流接地误判原因归结

经对上述异常波形有以下特点：1、杂波的幅值（有效值）相对较小，大概率低于1A。2、杂波正负相对对称同时变化频率相对较快。

根据上述特点，确定三个主攻方向：1、根据杂波的幅值较小特点，但是又因不平衡电流干扰单纯电流判据，电压判据在表征小电流接地更为可靠，因此可以考虑修正目前启动逻辑为电压电流联合启动判据，避开杂波影响区间。2、采用高精度的电压电流互感器、滤波回路、积分器等滤除杂波的影响3、采用增加功率判据，通过积分效果达到“软件滤波”抵消高频杂波影响。

本实施例基于传统的一二次融合成套开关存在依赖固定的安装方式来实现研判小电流接地考虑，优化算法逻辑及相关硬件，实现自适应故障全感知终端的研制。

2故障全感知终端电压电流联合启动判据的研究

2.1电流启动判据理论分析

将采样信号与启动门槛值相比较，当采样窗口的所有采样点存在连续三个采样点中有两个采样点的幅值大于装置启动的门槛值的情况时，则装置启动、记录故障数据；否则，装置不对主站上传数据，继续对系统中的零模电流信号进行采样。具体实现流程如图10所示。

2.2电压电流联合启动判据总结归纳

由于分界开关处小电流接地故障稳态特征分界开关一般安装在分支线或线路末端，其下游(用户侧)线路长度远远小于系统中其他部分线路长度之和，对应的，下游线路对地分布电容远远小于其他线路对地分布电容，下游线路对地分布电容电流也远远小于上游(系统侧)线路对地分布电容电流。

如果接地点位于分界开关上游，无论系统为不接地还是经消弧线圈接地方式，分界开关检测到的故障工频零序电流均为其下游线路的对地分布电容电流。按照1 km长10kv架空线路对地电容电流30 mA、1 km长10 kV电缆线路对地电容电流600 mA计算，幅值一般不超过1A.

综上所述，增加稳态电流1A形成电压电流联合启动判据可以有效保证分界开关动作正确性同时抑制高频杂波及低幅杂波的干扰。

3 故障全感知终端电压电流互感器的研究

3.1阻容互感器的研究背景及意义

传统电磁式PT取电是目前绝大部分自动化设备和开关操作机构采用的供电方式，由于技术原理本身的局限，电磁式PT装置的故障率非常高，是目前现场故障率最高的部件，而且还有电压二次侧短路产生过电流以及电磁谐振等安全问题，另外，电压传感器的二次额定电压为100V或 100/3V，不便于直接与现代化的微机保护和测量设备接口，难以适应电力系统自动化、数字化的要求。阻容分压式电压传感器具有测量准确度高、线性范围大、频带宽等优点，消除了在铁磁谐振和二次侧短路带来的安全隐患，从工作原理上较好的克服了电磁式 PT 存在的各种问题。

3.2故障全感知终端电压电流互感器的滤波器及积分器的选取

1)低通滤波器的设计

为了提高测量的精度，被测量的输入信号需要先通过一个低通抗混叠滤波器来滤除噪声的影响。最常用的低通滤波器有三种，分别是巴特沃斯(Butterworth)滤波器，切比雪夫(Chebychev)滤波器和贝塞尔(Bessel)滤波器。其中Butterworth滤波器的幅频响应在通带内具有最大平坦度，但从通带到阻带衰减较慢，Chebychev滤波器能迅速衰减，但误差值在通带内会等纹波变化。Bessel滤波器只满足相频特性而不关心幅频特性，可得到相位失真较小的波形。同时所选滤波器的阶数不宜太高，否则容易导致电压电流通道的相移误差增大。滤波器的选择要能满足一定的带宽特性，保证其相位偏移值在符合测量误差的精度范围内，Chebychev或Butterworth二阶低通滤波器都是实际处理中常见的选择。

2)积分器的原理及设计

积分器是传感器信号处理环节的关键部分，其积分精度直接关系到传感器输出的准确度。由前面的分析可知，模拟积分和数字积分作为两种常用的积分方式各有其优点和不足。模拟积分器具有结构简单、响应速度块、输入动态范围大等优点，而且技术已经比较成熟。在使用模拟器件实现积分过程，其性能和温度的稳定性由模拟元件决定。但由于实际运放器件不是理想器件，运放失调，电容的泄漏和损耗，运放及其他模拟器件的时漂和温漂等因素都会对积分的结果产生影响，造成积分误差。此外模拟积分器的反馈和补偿的设计不够灵活，并且补偿环节可能引入新的误差。对于电子式互感器来说，要求积分器必须长时间稳定工作，完全克服这些因素造成的误差是比较困难的。

数字积分器其硬件电路简单，温度稳定性好，设计灵活，并具有可靠性、可重复性高等优点。使用积分算法计算原信号的幅值及相位数据，其准确度只受A／D转换准确度、采样点数及计算准确度的影响。但是数字积分器需要解决高速A／D转换后数字积分的算法问题，而且必须使这个过程尽量短才能达到快速采样积分的目的，因此对微处理器的运算速度要求很高，同时在实用中要综合考虑速度和精度等因素，选择合适的采样点数。此外，在数字积分器的设计中还需要解决直流偏移，积分初值和输入饱和等的影响因素，并通过增加补偿环节，保证数字积分器的精度和稳定性。

选择采用有源型模拟积分器件来实现积分功能。结合两种改进积分电路，所制作的积分器电路如图11所示。除了电容电阻参数合理选择，还在电路中增加微调器件保证传变信号的精度。

综上所述，故障全感知终端电压电流互感器选用阻容互感器保证精度的同时可以抑制二次杂波的形成。

3.3 故障全感知终端暂态无功功率方向法

由于暂态电流幅值一般是工频的数倍到数十倍，不受消弧线圈补偿及不稳定电弧影响，为配网故障定位提供了可靠的判断依据，在我国配电网中得到广泛应用。

暂态无功功率定义为暂态电压信号的希尔伯特变换值与暂态电流信号在暂态时段内的平均功率。其计算公式如下：

式中：

小电流接地系统发生单相接地故障后，系统的零序网络在故障点下游及健全线路都可看作末端开路的简单均匀线路，其输入阻抗不受消弧线圈影响在第一次串联谐振前呈容性。而故障点上游至母线间的测量点，其输入阻抗等于各健全线路阻抗的并联再与各测量点至母线间的阻抗串联，其输入阻抗在第一次串联谐振也呈容性，当频率大于150Hz时可忽略消弧线圈的补偿作用，因此利用3倍工频到第一次串联谐振间输入阻抗等效呈容性，选取各线路都呈容性的低频段为特征频段，在特征频段内，故障线路故障点上游所有测量点暂态无功功率小于0，而故障点下游及健全线路的暂态无功功率大于0，利用该特性进行定位。

综上所述，功率法实现了电压电流乘积的积分效果，可以实现“算法滤波”的效果，同时可以作为自适应研判的启动判据，根据功率的正负自动修正电流夹角及自身功率运算，实现小电流接地的自适应研判。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的故障全感知终端及其小电流单相接地精准定位方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。