CN102645613A - 一种基于非接触式磁场测量的输电线路故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非接触式磁场测量的输电线路故障定位方法，其特征在于：包括有A：确定故障区间、B；辨识故障类型、C：故障区间内定位；其中按照如下方式确定故障区间：构建一个安装在输电铁塔上的远程终端，所述远程终端由微处理器CPU、传感器，信号调理模块、数据采集模块DAQ、存储模块、数据通信模块以及电源模块组成，传感器用于测量磁场在三维空间的三维分量，该数据经过信号调理模块后送往DAQ模块。本发明所提供的一种基于非接触式磁场测量的故障定位新方法。通过由高灵敏度、高带宽、低成本的磁阻式磁场传感器测量的输电线路附近磁场数据定位故障区间。

Description

一种基于非接触式磁场测量的输电线路故障定位方法

技术领域

本发明涉及一种输电线路故障定位，尤其是一种基于非接触式磁场测量的输电线路故障定位方法。

背景技术

架空输电线路被广泛用于发电区域与受端电网之间的电能传输。近年来，随着电力系统的快速发展，输电线路也越来越多。这些线路由于雷击、短路、设备故障、误操作、过负载等原因容易发生故障。统计显示输电线路故障是电力系统中最为常见的故障。当输电线路发生故障时，检测并定位故障对于巡检人员对线路的维护和尽快的恢复系统供电具有重要意义。确定线路故障点的时间是评估电能传输的一项重要指标，因此也是影响全网性能的因素。这种认知越来越受到重视，由于电力和能源市场放松管制和自由化的新政策，可能导致更强调操作而减少传输系统的可靠性水平。长期以来，科研和工程人员致力于可靠有效的故障定位方法的研究。目前，可用于实际故障定位的方法主要有两类：基于行波测量的方法和基于阻抗测量的方法。在行波法中，捕获故障引起的瞬态脉冲信号或者在线路中注入脉冲信号，再捕获被反射回来的脉冲信号。通过分析行波信号在线路中的传输时间来实现故障定位。由于在输电线路一端获得的故障信号混有大量的噪声，一些现代信号处理的方法（如小波变换）也被引用到故障定位中。阻抗法是通过测量并分析故障前后线路的电压电流关系来进行故障定位的方法。线路参数可以通过计算线路模型得到，这样就能进行故障定位了。根据接收装置的分布情况，可以把这些模型分为单端、双端或者多端模型。随着继电保护的飞速发展，现在可以通过同步相量装置来获取故障定位所需的数据。并且已经证明该方法可以提高故障定位的精度。

综上所述方法均可以得到合理的故障定位结果，但是，这些方法需要在高压输电线上直接连接测量设备，提高了故障定位的成本。例如，行波法的故障定位精度取决于高价的数据采集系统的性能。而且，这些方法都是建立在输电线路参数一致的假设条件下。考虑到实际中，由于输电线路分布在广阔的地理环境中，与假设模型存在差异。例如，导线在空间的不对称性将会影响电抗，温度的不同导致阻抗的差异，弧垂会影响到电容。实际应用表明这样的故障定位方法的误差一般是监控线路总长的1-2%。在一些情况下，误差会高达到5%或者更多。对于远距离输电来说，故障定位的准确性就变得尤其重要了，因为即使是较小的算法误差也将导致故障定位有几千米的出入，这就使得维修人员要花费更多的时间去查找故障点。特别是在一些山区（比如中国的凉山），这种故障定位系统在500KV的输电线路中可能导致± 3km的误差，这样维护人员就不得不在山区中徒步6千米左右才能确定故障发生的具体位置。而且，对于一些非永久的故障来说，如由线路弧垂引起的飞弧等，由于该种故障具有瞬时性的特点，也就是说在故障发生后不久发生故障的位置又自动恢复到了正常状态，如果采用这种故障定位系统，维护人员将要花费更多的精力去确定故障的具体位置。

发明内容

本发明的目的在于在此提供一种低成本、高精度、高灵敏度的故障定位方法，通过在输电铁塔上安装传感器，然后将测量数据传送到数据处理单元通过故障分析软件确定故障所在的铁塔区间。其中由传感器采集到的磁场数据还可用于故障类型和故障点的进一步确定。

本发明是这样实现的，构造一种基于非接触式磁场测量的输电线路故障定位方法，其特征在于：包括有A：确定故障区间、B；辨识故障类型、C：故障区间内定位；其中按照如下方式确定故障区间：构建一个安装在输电铁塔上的远程终端，所述远程终端由微处理器CPU、传感器，信号调理模块、数据采集模块DAQ、存储模块、数据通信模块以及电源模块组成，传感器用于测量磁场在三维空间的三维分量，该数据经过信号调理模块后送往DAQ模块，CPU用于控制整个系统并不断处理DAQ模块发送来的磁场数据，处理后的有用信号将存储在存储模块中，并通过通信模块将这些数据发送到中心站进行分析处理，根据被测磁场的方向变化能确定故障区间，磁场反向的相邻两个测量点区间为故障区间。

根据本发明所述一种基于非接触式磁场测量的输电线路故障定位方法，所述传感器三维磁场分量输入计算为：

    （1）

其中Ba,Bb,Bc分别是三相电流ia ib ic对应产生的磁场分量，ix iy iz分别是x y z 轴的单位向量；

根据毕奥—萨伐尔定理计算磁场，Ba Bb Bc 计算如下：

,

,

 （2）。                                              

根据本发明所述基于非接触式磁场测量的输电线路故障定位方法：其特征在于：按照如下方式辨识故障类型为：根据毕奥—萨伐尔定理可知，由于电流较大时，该电流所激发的总磁场较强，当电流较小时，该电流所激发的总磁场较弱，故根据总磁场的大小来辨识故障类型；具体为：

当单相短路时，总磁场最弱；当单相短路故障时，测量点处磁场分量具有如下特点：

（3）

当三相短路时总磁场最强；两相短路时，总磁场介于两者之间；

其中两相短路又分为两相接地短路和相间短路，相间短路时，由式（1）可知测量点处磁场分量具有如下特点：

（4）

两相接地故障时，

(1)AB接地故障时，根据式（1）可知测量点处磁场分量具有如下特点：

，其中

表示三相短路时的磁场Y轴分量；

(2)AC接地故障时，根据式（1）可知测量点处磁场分量具有如下特点：

，其中

表示三相短路时的磁场Y轴分量；

(3)BC接地故障时，根据式（1）可知测量点处磁场分量具有如下特点：

，其中

表示三相短路时的磁场Y轴分量；

因此，根据上述三点判别两相接地短路故障；

建立出了各种故障情况下磁场分量的特点对照表，结合具体特点根据该对照表便能辨识故障类型。

根据本发明所述基于非接触式磁场测量的输电线路故障定位方法：其特征在于：进一步确定故障点的位置如下：

具体步骤如下：

a、根据输电线路上的测量终端的数据，确定故障区间；

b、根据所得的故障区间，得出故障线路长度，从而计算短路电流大小；

c、比较磁场测量值与理论值，确定故障类型为单相短路、两相短路，三相短路；

d、根据式（3）（4）进一步确定故障类型，比如：单相短路时，得出是具体哪一项出现故障；而两相短路时指的判断出是哪两相出现接地或是相间短路故障；

e、在得出具体故障类型之后进一步确定故障点的位置，具体为：假设传感器安装在距离故障导线为a处导线中的电流i(t)，根据毕奥-萨伐尔定理有如下关系：

    （5）

其中Bx和By是远离故障点处的磁场分量；

由于两相或是三相短路时，其存在相角的不同，因此不存在单相短路时这种简单的解析式，对于单相短路而言，故障区间内的定位可以通过分析Bx或By分量来实现；

对于两相或三相相间短路时，可以通过比较By分量实现故障区间内的定位。

本发明的优点在于：本文所提出的方法的最大优点在于定位的最大误差在一个铁塔跨距以内，并且不需要线路参数一致性的假设，而传统的方法却必须建立在该假设条件之上且误差是线路总长的百分比。根据误差估计的分析来看，弧垂和导线捆绑均不会影响到本文所提出的故障定位方法的有效性，因此该方法是可行的。与阻抗法相比，本文的方法与接地阻抗关系不大，而阻抗法则明显受到接地阻抗的影响。本发明所提供的一种基于非接触式磁场测量的故障定位新方法。通过由高灵敏度、高带宽、低成本的磁阻式磁场传感器测量的输电线路附近磁场数据定位故障区间。测量的磁场数据还可以用于辨识故障类型和故障区间内故障点的进一步确定。架空输电系统设计和数字仿真典型的输电铁塔参数。仿真结果会因不同的结构而不同。

附图说明

图1是远程监测终端模块示意图

图2 典型500KV输电铁塔安装磁场传感器的示例示意图

图3测量点磁场计算示意图

图4数字仿真系统框图

图5三相短路故障时三相输电线中电流的典型波形示意图

图6显示了链接两个系统的输电线路上每个测量点的磁场测量值示意图

图7故障点两端测量的磁场的大小和方向

图8描述了单相短路故障时磁场波形

图9描述了传感器磁场测量分量

图10 故障区间内故障点到测量点的距离估计

图11描述了离故障点最近的测量点与其他测量点测量的磁场比值

图12 考虑弧垂时，瞬态系统产生的磁场示意图。

具体实施方式

下面结合附加图对本发明做出详细说明：

对于故障定位的应用来说，若能将故障的位置确定在相邻两个输电铁塔的一个跨距内（比如400m-1000m），这样就足够了。一旦故障发生的跨距确定了以后，线路维修人员就能比较容易的找到该跨距内的故障点。在本方案中，我们提出在每个输电铁塔上安装灵敏的传感器（对于长的跨距，考虑到该种测量终端价格低廉并且能够在远离输电导线的地方工作，因此可以在跨距的中间也安装上额外的测量终端）。该解决方法的总体方案如图1-2所示，图2圆圈表示远程监测终端即传感器的位置。从远程终端采集到的数据在客户软件中结合GIS（地理信息系统）技术可以被图形化显示出来，方便维修人员迅速的找到故障点。

如图1所示：远程监测终端是一种PCB集成的小型设备。整个系统由微处理器CPU和其外围设备（传感器、数据采集DAQ模块（用于测量数据）、存储模块、通信模块、信号预处理模块以及电源模块）组成。处理器控制整个系统并不断进行数据采集。通过简单的数据分析（比如幅值计算）便能提取出信号中的有用信息。一旦检测到该信号中有突变，则把这些数据存储起来并通过信道发送到中心站点处理。由于该系统服务于山区，因此使用电台通信（而不是依赖商业服务的通信方法）是非常理想的通信解决方案。传感器由能够进行x 轴y轴 z轴三维测量的磁场传感芯片和其放大以及滤波电路组成。传感器采用与主电路分离的设计方式，使得检测单元电源干扰不会影响到传感器。整个系统的电源可以通过由输电导线的耦合来提供或者通过太阳能方式提供，即太阳能电源模块包括一块太阳能电池板，一个充电器和一个电池。传感器用于测量磁场在三维空间的三维分量，该数据经过信号调理模块后送往DAQ模块，CPU用于控制整个系统并不断处理DAQ模块发送来的磁场数据，处理后的有用信号将存储在存储模块中，并通过通信模块将这些数据发送到中心站进行分析处理，根据被测磁场的方向变化能确定故障区间，磁场反向的相邻两个测量点区间为故障区间。

    传感器输入计算：载流输电导线产生的磁场可以通过麦克斯韦方程计算得到。在某些假设条件下，可以得到导线在距其一定距离的磁场计算的解析表达式。如图2所示的典型的500KV输电铁塔，其中，假设绝缘子的长度为4m，传感器安装在铁塔的中间位置（距离地面大约为18m）。图3显示了测量点总磁场的分解，可以写作（假设导线为无限长直导线）；

   （1）

其中Ba,Bb,Bc分别是三相电流ia ib ic对应产生的磁场分量，ix iy iz分别是x y z 轴的单位向量。如果系统是一个不对称系统，可以根据毕奥—萨伐尔定理计算磁场。但是对于简单的估计，导线的弧垂可以忽略不计，并且线路也被认为是无限长导线，因此，Ba Bb Bc 计算如下：

，

，

   （2）

图3测量点磁场计算，假设电流方向是沿着Z轴方向并指向观测者。

     故障定位：由于MR传感器能够测量磁场在三维空间的3维分量，因此可以用来判断三相电流的变化。对于一个径向传输系统，即只在送端有电源，通过简单的判断输电线路中的短路电流存在的位置便能确定故障发生的位置。距离故障最近的测量数据有可能不满足无限长导线的假设，因此与其它测量点的数据会有所不用，可以用于故障位置的进一步确定。而其它测量点的数据可以用于故障类型的判断。对于一个两端系统，即输电线路的两端都有供电电源，此时可以通过两端短路程度的不同来确定故障位置。由于该方法能够准确的定位故障区间，因此即使是非永久性的故障也是比较容易找出具体的故障点。

下面进行数字仿真

本文仿真实验的系统模型如图4所示，系统参数设置如表1所示，输电铁塔如图2所示。假设某电力系统从送端传输630MW的负载到接受端，并假设在0.1s到0.2s内发生了故障。接下来，本文基于上述参数配置和假设的前提下，建立了分布式模型，并进行了各种仿真实验。

表1仿真输电系统参数

图4为数字仿真系统框图（l:输电线路总长；m:送端电网到故障点的距离）

（1）、定位故障区间

输电线路的典型故障有单相短路、两相短路和三相短路。在阻抗法中，必须要考虑故障阻抗和接地阻抗的影响，而在本发明中这些因素不会影响到定位的准确性。

其中图5（图5三相短路故障时三相输电线中电流的典型波形（m=100km））所示的波形是在输电线路中间发生三相短路故障时，故障点右端铁塔测量点采集到的电流波形。当线路中发生三相短路时，测量的磁场也会变大，并且磁场增幅的比例应该跟短路电流增幅的比例相同未考虑暂态过程。暂态过程磁场的增幅会更大。

为了观察整个输电线路瞬态过程的情况以帮助确定故障点，图6显示了链接两个系统的输电线路上每个测量点的磁场测量值（三相短路时沿着输电线空间磁场分布(m = 100 km)）。该图中，x轴是时间轴（描述了整个故障周期，即故障前，故障和故障后），y轴表示输电线路的分布（从0到总线路长），z轴表示磁场的测量值。注意到故障开始时较高的磁场幅值是由于三相电流的直流分量引起的。故障时，磁场稳定以后幅值的大小是由链接线路两端系统的短路电流程度决定的。通过简单的对比测量的磁场量，就可知道短路电流的不用，由于短路电流大小的差异可以确定故障区间因此对比磁场就能定位故障区间。虽然在故障两端测量的磁场会有差异，但这种差异较小。当由于元件失效，导致数据丢失时，可以用其他测量点的数据来判断故障类型。

如果故障发生的地方使得两端短路电流的程度相近，即磁场的幅值也相近，那么此时可以通过磁场的方向来确定故障区间。故障点两端测量的磁场（图4中铁塔M和N）的大小和方向如图7所示(图7 三相短路时磁场幅度和方向(故障开始时刻为0.2s结束时刻为0.3s，m = 100 km))。图中，中间的小圆圈表示正常状态下的磁场，由于径向即图3中的Z轴方向分量近似为0，因此只描绘了Bx和By的值。在故障时，Bx和By均是时间的函数。从图7 可以看出，在正常状态时，M和N两个测量点的磁场几乎完全相同，但故障发生后，磁场的方向近似相反，当故障解除或系统恢复以后，两个测量点的磁场又回到中间的小圆圈点。

（2） 、辨识故障类型

测量的磁场数据不仅能用于确定故障区间，还可以用于辨识故障类型。根据式（1）和（2），当故障发生时，可以根据磁场的大小和方向来辨识故障类型。由于短路电流远远大于稳态电流，因此由非故障相激发的磁场可以忽略。

因此，单相短路故障时，磁场满足下式:

（3）

图8描述了单相短路故障时磁场波形。图8单相短路时的磁场。(a)A相短路时电流波形。(b)B相短路时电流波形。(c)C相短路时电流波形。(d)单相短路时的磁场波形。

图9描述了传感器磁场测量分量，图9单相短路时测量的各轴向分量。(第一幅图是测量的x轴磁场波形图，第二幅图是测量的y轴磁场波形图；m = 100 km)。由此可以看出式（3）是正确的。

两相短路又分为两相对地短路和相间短路。相间短路时，有式(1)可知测量的磁场分量满足下式：

（4）

两相对地短路时，磁场分量不存在这样的关系式，但是可以对比单相短路时的磁场分量来辨识故障类型。表2中列出了各种故障情况下磁场分量的特点，根据该表便能辨识故障类型。步骤如下：

步骤1：根据输电线路上的测量终端的数据，确定故障区间。

步骤2：近似估计短路电流大小

步骤3：比较磁场测量值与理论值，确定故障类型（单相短路，两相短路，三相短路）

步骤4：根据式（3）（4）进一步确定故障类型

步骤5：进一步确定故障点的位置。

表2 根据磁场测量辨识故障类型

（3）、故障区间内定位

上面所述怎样定位故障所在的输电铁塔的区间。输电线路中测量的磁场差异不大，但是在故障点的两端的测量点（图4中的M和N点）会有所不同。可以通过这一点不同来进一步确定故障点距离测量点的距离。图10中的模型描述了估计故障点距离塔的位置的方法。假设传感器安装在距离故障导线为a处导线中的电流i（t）,根据毕奥-萨伐尔定理有如下关系：

     （5）

其中Bx和By是原离故障点处的磁场分量。

图10 故障区间内故障点到测量点的距离估计：

两相或是三相短路时，由于存在相角的不同，因此不存在单相短路时这种简单的解析式。不过，只要是已知了故障的类型，故障区间内的定位可以通过分析Bx和By分量来实现。例如，单相短路时，Bx或者By来估计位置，两相或三相相间短路时，可以通过比较By分量实现故障区间内的定位。图11描述了离故障点最近的测量点与其他测量点测量的磁场比值，可以作为区间内故障定位函数。当故障点距离测量点在100m以内时，最近测量点的数据与其他测量点的数据有显著的不同，如果没有太大的区别，则可认为故障点距离最近的测量点再100m以外。这样也能帮助到巡检人员加快查找故障。

图11 不同故障发生时，故障旁边测量点测量的磁场与其他测量点磁场的比值。

误差估计与讨论

本发明所提出的方法的故障定位误差主要来源于以下几点：（1）设备测量误差，主要与磁阻传感器和信号调节电路的特性有关；（2）输电线路弧垂引起的误差；（2）当该方法运用于多回输电系统时，电流的非均匀分布将会导致不确定的误差，或者当导线捆绑时，将会导致磁场的测量误差。其他一些因素，如趋肤效应等，由于传感器的位置原离输电导线，因此可以忽略不计。

（1）测量误差：磁阻传感器的一个优点是该传感器是一种固态传感器，因此具有数兆赫兹的典型带宽和数十高斯的分辨率。现代电路设计技术能够较容易实现数兆赫兹的信号调节电路。然而，如果只考虑到故障定位的话，频率在2000Hz以内就很合理了。实验显示，一个12位的A/D转换芯片能够把测量误差限定在1%以内。

（2）弧垂影响：当要考虑输电导线的弧垂时，输电导线在测量点处的产生磁场与直导线在该点产生的磁场大小不同。弧垂引起的误差可由毕奥—萨伐尔定理和悬链线方程来求解。在该等式中假设相邻区间的弧垂时相同的，如图12所示，图12 考虑线路弧垂时，瞬态系统产生的磁场。为了简化计算，采用了两套坐标系统(x,y,z)和(x’,y’,z’)。为了与图3中的坐标系统一致，设(x,y,z) 坐标系统的原点在传感器放置的位置，同时为了与垂链线方程的常用方式保持一致，设 (x’,y’,z’)坐标系统原点在三相输电导线的中间相（图12中的B相）的最大弧垂的位置。

图12中B相导线的在(x’,y’,z’)坐标系统下的悬链线方程为：

其中L表示一个铁塔跨度的长度，α表示由输电线路的机械参数决定的一个常数。

假设系统是对称的，则图12中A B C三相在中间传感器出产生的磁场为：

其中，

分别是x’,y’,z’轴的单位向量,点(x0’,y0’,z0’)是传感器在(x’,y’,z’)坐标系统中的位置，k表示相间距（在图2中为11.8m）。

与式（2）相比，可以看出只需计算定积分。如图2所示的输电系统中，若铁塔间的跨度为400m，弧垂为5m，则计算弧垂影响和不考虑弧垂影响的结果如表3 所示。可以看出误差在5%以内。

表3 估算弧垂效应对磁场计算的影响

3 、导线捆绑误差

为了估计由于导线的捆绑产生的误差，研究了典型的四分裂导线，其空间间隔为0.3m。这里以B相为例说明，并假设电流是均匀的流过四根导线，则可用式(13)来计算误差。

数字仿真结果显示，采用本文中的参数时误差仅为0.01%。

Claims (4)

1.一种基于非接触式磁场测量的输电线路故障定位方法，其特征在于：包括有A：确定故障区间、B；辨识故障类型、C：故障区间内定位；其中按照如下方式确定故障区间：构建一个安装在输电铁塔上的远程终端，所述远程终端由微处理器CPU、传感器，信号调理模块、数据采集模块DAQ、存储模块、数据通信模块以及电源模块组成，传感器用于测量磁场在三维空间的三维分量，该数据经过信号调理模块后送往DAQ模块，CPU用于控制整个系统并不断处理DAQ模块发送来的磁场数据，处理后的有用信号将存储在存储模块中，并通过通信模块将这些数据发送到中心站进行分析处理，根据被测磁场的方向变化能确定故障区间，磁场反向的相邻两个测量点区间为故障区间。

2.根据权利要求1所述一种基于非接触式磁场测量的输电线路故障定位方法，其特征在于：所述传感器三维磁场分量输入计算为：

    （1）

其中Ba,Bb,Bc分别是三相电流ia ib ic对应产生的磁场分量，ix iy iz分别是x y z 轴的单位向量；

根据毕奥—萨伐尔定理计算磁场，Ba Bb Bc 计算如下： 

,

, （2）。

3.根据权利要求1所述基于非接触式磁场测量的输电线路故障定位方法：其特征在于：按照如下方式辨识故障类型为：根据毕奥—萨伐尔定理可知，当电流较大时，该电流所激发的总磁场较强，当电流较小时，该电流所激发的总磁场较弱，故根据总磁场的大小来辨识故障类型；具体为：

当单相短路时，总磁场最弱；当单相短路故障时，测量点处磁场分量具有如下特点：

（3）

当三相短路时总磁场最强；两相短路时，总磁场介于两者之间；

其中两相短路又分为两相接地短路和相间短路，相间短路时，由式（1）可知测量点处磁场分量具有如下特点：

（4）

两相接地故障时，

AB接地故障时，根据式（1）可知测量点处磁场分量具有如下特点：

，其中

表示三相短路时的磁场Y轴分量；

AC接地故障时，根据式（1）可知测量点处磁场分量具有如下特点：

，其中

表示三相短路时的磁场Y轴分量；

BC接地故障时，根据式（1）可知测量点处磁场分量具有如下特点：

，其中

表示三相短路时的磁场Y轴分量；

因此，根据上述三点判别两相接地短路故障；

建立出了各种故障情况下磁场分量的特点对照表，结合具体特点根据该对照表便能辨识故障类型。

4.根据权利要求1所述基于非接触式磁场测量的输电线路故障定位方法：其特征在于：进一步确定故障点的位置如下：

具体步骤如下：

a、根据输电线路上的测量终端的数据，确定故障区间；

b、根据所得的故障区间，得出故障线路长度，从而计算短路电流大小；

c、比较磁场测量值与理论值，确定故障类型为单相短路、两相短路，三相短路；

d、根据式（3）（4）进一步确定故障类型，比如：单相短路时，得出是具体哪一项出现故障；而两相短路时指的判断出是哪两相出现接地或是相间短路故障；

e、在得出具体故障类型之后进一步确定故障点的位置，具体为：假设传感器安装在距离故障导线为a处导线中的电流i(t)，根据毕奥-萨伐尔定理有如下关系：

    （5）

其中Bx和By是远离故障点处的磁场分量；

由于两相或是三相短路时，其存在相角的不同，因此不存在单相短路时这种简单的解析式，对于单相短路而言，故障区间内的定位可以通过分析Bx或By分量来实现；

对于两相或三相相间短路时，可以通过比较By分量实现故障区间内的定位。

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