利用无线4G网络实现配网故障定位的方法

摘要

本发明公开了一种利用无线4G网络实现配网故障定位的方法，属于配电网保护自动化领域。它包括主机对光纤终端实时上传的SMV数据进行录波处理，检测到电流变化量启动后，启动故障录波，然后无线4G终端检测到电流发生了突变，利用电流变化量启动信号触发故障录波，录波结束后主动上传至主机，主机直接计算线路差动、制动电流，按线路差动保护原理可快速判出是否发生故障。本发明完全由光纤终端覆盖的配网馈线部分，金属性故障能在40ms以内实现快速准确故障定位；对于包含无线4G终端覆盖的配网馈线部分，也能实现精确故障定位(定位速率网络通信延时而定，平均应＜1s)。

说明书

技术领域

本发明属于配电网保护自动化领域，具体涉及一种利用无线4G网络实现配网故障定位的方法。

背景技术

随着城乡一体化建设的不断深入，户外10kV配电网也迅速得到发展壮大，过去10kV配网主要采用树状结构，其特点是线路长，分支线多，连接的配电变压器多，结构简单，但可靠性差。在配网故障时，使用故障快速隔离及定位装置有助于调控中心实现故障设备的快速定位并准确隔离，非故障设备快速恢复供电，从而缩小停电范围，提高配网的供电可靠性。

传统10kV配电网系统采用的运行方式是辐射式运行，不考虑分布式能源的接入，除了变电站线路出口断路器配置和过流保护，其余地方均不配置保护。配电网发生故障后，由线路出口断路器对应的保护动作切除故障，然后由配网自动化定位、隔离故障，转供负荷。通常配网自动化通过是各个测量点是否有故障电流的组合来定位故障，此类方法适用于常规的无分布电源的配网系统。对于接入分布电源的配网系统，故障时，各量测点均有流，因此上述方案不再适用。

目前配网自动化建设程度不一，部分地区配网自动化程度很低，限于条件现状，部分开关/环网柜处无光纤等通信设备，无法采用光纤通信方式。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术问题，提出了一种利用无线4G网络实现配网故障定位的方法。

第一方面，本发明的技术方案为：一种利用无线4G网络实现配网故障定位的方法，包括光纤智能采集终端、无线4G智能采集终端和故障定位主机，包括如下步骤：

S1、配网系统中主干/分支线路的进/出口都配备相应的电流互感器和配电开关，每个配电开关与一组电流互感器相对应，通过智能采集终端采集主干/分支线路的进/出口处开关位置及开关所对应到电流模拟量；

S2、智能采集终端包括光纤终端和无线4G终端，光纤终端通过光纤以太网络与故障定位主机相连，无线4G终端通过公网无线4G网络与故障定位主机相连；

S3、故障定位主机与光纤终端实现精确时钟同步，与无线4G终端实现非精确时钟同步；

S4、光纤终端与无线4G终端在本地同步时钟基准下同步采集主干/分支线路上电流模拟量，光纤终端实时上传同步采样值至故障定位主机；无线4G终端采用检测电流突变启动录波并将此录波文件上传至故障定位主机的机制；

S5、光纤终端采用GOOSE机制将开关位置信号上传至主机，无线4G终端定时周期性上传开关位置信号；

S6、对于完全由光纤终端所构成的某条主干/分支线路，故障定位主机实时计算主干/分支线路的三相差动、制动电流；

S7、对于包含无线4G终端所构成的某条主干/分支线路，当故障定位主机接收到其中某一个无线4G终端上传录波文件后，检索录波文件中的某一个开关对应的某相电流模拟量突变所对应的采样时刻T1，并预设一个时间偏差范围T，检索馈线分支线路中其它处于合位状态的开关所对应的同一相电流模拟量，在采样时间(T1-T，T1+T)范围内是否同时存在着唯一一个电流突变，分别对应电流突变时刻T2、T3……Tn(馈线分支线路包含N个处于合位的开关)，如果存在则将T1、T2、T3……Tn作为统一基准参考时间，并计算基准参考后主干/分支线路的三相差动、制动电流；否则，认为三相差动电流为0，制动电流为无求大，防止后续误判。

S8、故障定位主机根据上述S6、S7所计算的线路差动、制动电流，基于线路差动保护原理，分别判断对应的每一条主干/分支线路是否存在故障，从而实现整个配电网的快速、准确的故障定位。

在上述技术方案中，所述步骤S4中无线终端上传的录波文件采用原始采样值录波，每个录波点都同时记录对应采样点的采样时刻。

在上述技术方案中，所述步骤S7中的时间偏差范围T的T值应大于这个时段的网络时钟的同步偏差。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明基于集中式分相差动技术，依据电流吉尔霍夫定律实现配网故障定位，适合于供电网络架构多变的配电网系统，特别是有分布式电源接入的多潮流的配网系统。

2)本发明的智能采集终端可通过光纤和公网无线4G混合接入故障定位主机，应用范围广泛，公网无线4G网络覆盖率高，方便现有配网系统的各种改造建设。

3)本发明完全由光纤终端覆盖的配网馈线部分，金属性故障能在40ms以内实现快速准确故障定位；对于包含无线4G终端覆盖的配网馈线部分，也能实现精确故障定位(定位速率网络通信延时而定，平均应＜1s)。

4)本发明的故障定位采用集中式控制模式，方便后续扩展故障定位、隔离及自动恢复等功能实现。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为基于无线4G网络的配网故障定位系统应用框图。

图2为一种配网系统的供电网络架构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术目的、技术方案以及技术效果更为清楚，以便于本领域技术人员理解和实施本发明，下面将结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

图1为基于无线4G网络的配网故障定位系统应用框图，配网故障定位系统包括智能采集终端(光纤终端和无线4G终端)和故障定位主机，智能采集终端负责采集配网系统主干/分支线路上线路电流模拟量、配电开关位置信号，并通过光纤网络、公网无线4G网络上传至故障定位主机。故障定位主机基于集中式分相差动技术，依据电流吉尔霍夫定律，精确快速定位配网系统的故障线路位置，并可将故障定位结果上送至配网主站。

故障定位主机与终端通过时钟同步协议进行时钟同步，与光纤终端之间可采用IEEE1588协议进行高精度时钟同步，与无线4G终端可采用标准NTP协议进行简单对时。主机作为NTP服务器，4G无线终端作为NTP客户端，应用NTP协议的Client/Server模式，NTP协议，对时精度不高，时钟存在同步误差，无法满足电流差动计算要求，在本技术方案中，通过电流变化量启动辅助对时方式，解决差流计算时因时钟同步所带来的问题。

光纤终端将同步采集的模拟量按IEC-61850-9-2SMV报文格式打包上传，每秒1200点，报文以SmvCnt计数器值来标记，整秒时刻采样对应SmvCnt编号为0。

无线4G终端考虑公网4G网络带宽较窄，以及流量计费等问题，尽量少上传数据，并且鉴于线路发生金属性短路故障时，一定会产生较大的电流突变，因此无线4G终端可通过采用检测电流突变启动故障录波，录波文件采用原始采样值录波，每周波24点，每个录波点记录对应采样点的采样时刻。无线4G终端采用主动上传机制，当录波结束后，立即将录波文件上传至主机。

对于采集的开关位置信号，光纤终端采用GOOSE机制上传至主机，无线4G终端采用定时周期性上传机制。

图2为一种配网系统的单环网网架的结构示意图，两个变电站之间有多个开关(断路器、负荷开关、联络开关)、环网柜、线路，此处为了简化说明，假设每个开关对应一个智能采集终端，每个终端负责采集开关处电流模拟量以及开关位置信号。开关编号为104、105和106所对应的智能采集终端为无线4G终端，其余终端为光纤终端。

下面针对线路1、线路2、线路3三种情况，分别描述判断线路故障的基本方法。

1)对于线路1，线路两端的电流完全由光纤终端采集，光纤终端实时上传同步模拟采样数据，主机直接计算线路差动、制动电流，按线路差动保护原理可快速判出是否发生故障。

2)对于线路3，线路两端的电流完全由无线4G终端采集。当线路3发生短路故障时，开关105所对应的无线4G终端，检测到电流发生了突变，利用电流变化量启动信号触发故障录波，录波结束后主动上传至主机。

主机收到开关105所对应的无线4G终端上传的录波文件后，检索录波文件中第一个电流突变点，并获取此突变点所对应的录波文件中记录采样数据时刻TA，并预设一个时间范围偏差T，此处T是考虑无线4G终端与主机之间网络对时误差，通过测试NTP对时协议在公网无线4G网络中对时精度平均最大误差<100ms，因此，此处T取值150ms。

主机检测到开关105处第一个电流突变时刻TA后，然后判断对此开关106是否处于合位状态(分位状态应该无流，也就是不存在电流突变及故障录波文件)。开关106为合位状态，接着查找106开关所对应无线4G终端上传的录波文件，搜索在采样时间(TA-T，TA+T)范围内是否也存在一个唯一的电流突变点，如果存在则将突变时刻记为TB。

当线路发生故障时，线路进/出端口处一定会同时发生电流突变，电流在线路中传播时间基本上可以忽略不计，因此可将TA、TB作为同一个参考基准时间，以此时间点为起点，开始往后计算线路的差动、制动电流，再依据电流差动保护原理，判断线路是否发生故障。

实际工作时，更具体的，本发明所述的配网故障定位的方法包括如下步骤：

S1、配网系统中主干/分支线路的进/出口都配备相应的电流互感器和配电开关，每个配电开关与一组电流互感器相对应，通过智能采集终端采集主干/分支线路的进/出口处开关位置及开关所对应到电流模拟量；

S2、智能采集终端包括光纤终端和无线4G终端，光纤终端通过光纤以太网络与故障定位主机相连，无线4G终端通过公网无线4G网络与故障定位主机相连；

S3、故障定位主机与光纤终端实现精确时钟同步，与无线4G终端实现非精确时钟同步；

S4、光纤终端与无线4G终端在本地同步时钟基准下同步采集主干/分支线路上电流模拟量，光纤终端实时上传同步采样值至故障定位主机；无线4G终端采用检测电流突变启动录波并将此录波文件上传至故障定位主机的机制；

S5、光纤终端采用GOOSE机制将开关位置信号上传至主机，无线4G终端定时周期性上传开关位置信号；

S6、对于完全由光纤终端所构成的某条主干/分支线路，故障定位主机实时计算主干/分支线路的三相差动、制动电流；

S7、对于包含无线4G终端所构成的某条主干/分支线路，当故障定位主机接收到其中某一个无线4G终端上传录波文件后，检索录波文件中的某一个开关对应的某相电流模拟量突变所对应的采样时刻T1，并预设一个时间偏差范围T，检索馈线分支线路中其它处于合位状态的开关所对应的同一相电流模拟量，在采样时间(T1-T，T1+T)范围内是否同时存在着唯一一个电流突变，分别对应电流突变时刻T2、T3……Tn(馈线分支线路包含N个处于合位的开关)，如果存在则将T1、T2、T3……Tn作为统一基准参考时间，并计算基准参考后主干/分支线路的三相差动、制动电流；否则，认为三相差动电流为0，制动电流为无求大，防止后续误判。

S8、故障定位主机根据上述S6、S7所计算的线路差动、制动电流，基于线路差动保护原理，分别判断对应的每一条主干/分支线路是否存在故障，从而实现整个配电网的快速、准确的故障定位。

实际工作时，步骤S4中无线终端上传的录波文件采用原始采样值录波，每个录波点都同时记录对应采样点的采样时刻。

实际工作时，所述步骤S7中预设一个时间偏差范围T，设置此时间范围，是考虑到无线4G终端与故障定位主机之间时钟同步精度不高，存在时间偏差。同时，实际工作时，步骤S7中的时间偏差范围T的T值应大于这个时段的网络时钟的同步偏差，时间偏差范围T的具体数值可依据实测网络延时而定。

3)对于线路2，线路两端的电流由光纤终端(103开关)、无线4G终端采集(104开关)。故障定位的基本方法是，主机对光纤终端实时上传的SMV数据进行录波处理，检测到电流变化量启动后，启动故障录波，然后按照上述2)所描述的方法进行。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。