一种配电变压器高压侧缺相故障的监测方法及终端

技术领域

本发明涉及电力系统配电监测的技术领域，特别涉及一种配电变压器高压侧缺相故障的监测方法及终端。

背景技术

配电变压器高压侧缺相运行是配电系统中最常见的故障类型之一，通常是由于配电变压器的三相高压供电回路中的某一相缺少电源输入所导致的。配电变压器高压侧缺相的原因包括：高压线路单相断线、隔离刀闸接触不良、配电变压器高压熔断器熔断等。其中由于配电变压器高压熔断器熔断导致的缺相运行尤为常见。配电变压器高压侧缺相故障发生后，将导致在低压侧电压的幅值、相位发生异常，从而导致低压用电设备无法使用，甚至可能导致低压电机类设备堵转烧毁，引起故障范围的扩大。

由于配电变压器缺相运行故障属于电网末端、局部类型的故障，一般不会影响高压配电线路其他部分的正常供电，因此，行业内对此类故障的重视度低、研究较少，对于此类故障，没有也成熟可靠的监测、保护装置在电网上应用。针对对此类故障，供电企业通常处理流程是：低压用户反馈电压异常--运维人员测量低压电网三相电压--检查配电变压器高压侧熔断器及高压线路--处理故障。

然而，低压电网侧的电压异常原因比较复杂，可能的因素有：线路过长和负载过大导致的电压降、三相负载不平衡、配电变压器高压侧缺相、低压侧相线断线、中性线断线等原因。在已有条件下，要迅速发现此类故障比较困难。根据从配电自动化系统及运维日志记录的抽查统计，此类故障的发现和故障点查找几乎依靠人工，从发生故障到找到故障点平均耗时约为1小时。由于此类故障将可能给供用电设备及人身安全带来较大风险，同时也影响供电可靠性和电质量，因此，非常有必要研究一种方法，利用现有的电网测量设备及采集系统提供的数据，自动快速发现此类故障。然而，在低压电网，现有的电网测量设备及采集系统所能提供的数据信息很有限，一般只包括低压三相电压、电流、功率、电量等标量数据，通过这些数据，现有的文献资料未发现有成熟的、稳定的理论和实践来支持电力自动化系统或装置来实现故障自动判定，一般采用经验数据来实现人工或半人工的故障判定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种配电变压器高压侧缺相故障的监测方法及终端，能够在不需要增加额外的高压侧缺相故障监测设备的情况下进行监测，并且提高故障发现的准确性和效率。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种配电变压器高压侧缺相故障的监测方法，包括步骤：

获取配电变压器的预设接线组别，根据所述预设接线组别确定缺相边界条件；

读取配电变压器低压侧的三相电压，根据所述低压侧的三相电压计算当前的三相电压幅值关系系数，若所述三相电压幅值关系系数在所述缺相边界条件的范围内，则将所述低压侧的三相电压中电压最大相的前一相的相序名作为高压侧缺相相序名，并输出所述高压侧缺相相序名和当前的三相电压幅值关系系数。

为了解决上述技术问题，本发明采用的另一种技术方案为：

一种配电变压器高压侧缺相故障的监测终端，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

获取配电变压器的预设接线组别，根据所述预设接线组别确定缺相边界条件；

读取配电变压器低压侧的三相电压，根据所述低压侧的三相电压计算当前的三相电压幅值关系系数，若所述三相电压幅值关系系数在所述缺相边界条件的范围内，则将所述低压侧的三相电压中电压最大相的前一相的相序名作为高压侧缺相相序名，并输出所述高压侧缺相相序名和当前的三相电压幅值关系系数。

本发明的有益效果在于：获取配电变压器的预设接线组别，根据预设接线组别确定缺相边界条件；读取配电变压器低压侧的三相电压，根据低压侧的三相电压计算当前的三相电压幅值关系系数，若三相电压幅值关系系数在缺相边界条件的范围内，则将低压侧的三相电压中电压最大相的前一相的相序名作为高压侧缺相相序名，并输出高压侧缺相相序名和当前的三相电压幅值关系系数。由于高压侧缺相导致三相相电压的幅值变化是有规律的，其核心规律是三相相电压的幅值之间的关系可以形成一个三相电压幅值关系系数，因此，利用现有的低压侧的三相电压有效值数据，即可确定高压侧缺相相序名，实现配电变压器高压缺相故障的自动监测，保证监测准确性的同时，可以适应于配电变压器的任何正常运行状态，不需要增加配电变压器高压缺相故障自动监测保护专用设备或系统；并且根据已有终端设备或系统的电压采集、传输周期，可以将故障发现时间降低到数秒级、数分钟级以内，提高故障处理效率，降低故障风险。

附图说明

图1为本发明实施例的一种配电变压器高压侧缺相故障的监测方法的流程图；

图2为本发明实施例的一种配电变压器高压侧缺相故障的监测终端的示意图；

图3为本发明实施例的配电变压器缺相故障判定流程图；

图4为本发明实施例的配电变压器缺相故障判定简化流程图；

图5为本发明实施例的配电变压器缺相故障判定简化改进流程图；

图6为本发明实施例的配电变压器一、二次电压相量图；

图7为本发明实施例的配电变压器非全相运行下a、b相等效电路图；

图8为本发明实施例的配电变压器非全相运行下c相等效电路图；

图9为本发明实施例的Zb阻抗角为60°时，Za-Zb-ε的数值分布；

图10为本发明实施例的Zb阻抗角为60°时，Za-ε的数值分布；

图11为本发明实施例的缺相仿真数据图。

标号说明：

1、一种配电变压器高压侧缺相故障的监测终端；2、存储器；3、处理器。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

请参照图1，本发明实施例提供了一种配电变压器高压侧缺相故障的监测方法，包括步骤：

获取配电变压器的预设接线组别，根据所述预设接线组别确定缺相边界条件；

读取配电变压器低压侧的三相电压，根据所述低压侧的三相电压计算当前的三相电压幅值关系系数，若所述三相电压幅值关系系数在所述缺相边界条件的范围内，则将所述低压侧的三相电压中电压最大相的前一相的相序名作为高压侧缺相相序名，并输出所述高压侧缺相相序名和当前的三相电压幅值关系系数。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：获取配电变压器的预设接线组别，根据预设接线组别确定缺相边界条件；读取配电变压器低压侧的三相电压，根据低压侧的三相电压计算当前的三相电压幅值关系系数，若三相电压幅值关系系数在缺相边界条件的范围内，则将低压侧的三相电压中电压最大相的前一相的相序名作为高压侧缺相相序名，并输出高压侧缺相相序名和当前的三相电压幅值关系系数。由于高压侧缺相导致三相相电压的幅值变化是有规律的，其核心规律是三相相电压的幅值之间的关系可以形成一个三相电压幅值关系系数，因此，利用现有的低压侧的三相电压有效值数据，即可确定高压侧缺相相序名，实现配电变压器高压缺相故障的自动监测，保证监测准确性的同时，可以适应于配电变压器的任何正常运行状态，不需要增加配电变压器高压缺相故障自动监测保护专用设备或系统；并且根据已有终端设备或系统的电压采集、传输周期，可以将故障发现时间降低到数秒级、数分钟级以内，提高故障处理效率，降低故障风险。

进一步地，根据所述低压侧的三相电压计算当前的三相电压幅值关系系数，包括：

将读取到的三相电压Ua、Ub、Uc按从大到小的顺序赋值至U1、U2、U3；

计算当前的三相电压幅值关系系数ε：ε＝(U2+U3)/U1。

由上述描述可知，通过取得低压侧三相电压有效值，利用三相电压值转换得到一个三相电压幅值的关系系数，便于后续通过简单的不等式就可以判断缺相故障。

进一步地，读取配电变压器低压侧的三相电压，之后包括：

判断所述三相电压是否均大于预设电压值，若是，则执行根据所述低压侧的三相电压计算当前的三相电压幅值关系系数的操作，否则结束监测；

所述预设电压值为0或者预设的电压值下限。

由上述描述可知，如果至少有一相电压小于预设电压值，则判定为电压采集异常或其他故障，退出程序；如果三相电压均不为零，则比较三相电压大小。其中预设电压值为0是为了保证电压是正常的情况下进行监测，而设预设电压值为预设的电压值下限是为了避免配电变压器低压侧发生单条相线断线故障时出现误判的情况。

进一步地，获取配电变压器的预设接线组别，包括：

读取配电变压器的型号参数，根据所述型号参数确定所述配电变压器的接线组别，若所述配电变压器的接线组别为预设接线组别，则执行根据所述预设接线组别确定缺相边界条件的操作，否则结束监测。

由上述描述可知，便于针对预设接线组别Dyn11的配电变压器进行检测。

进一步地，输出所述高压侧缺相相序名和当前的三相电压幅值关系系数，之后包括：

根据所述高压侧缺相相序名输出配电变压器高压侧缺相故障的告警信号，或者根据所述高压侧缺相相序名执行跳闸保护动作。

由上述描述可知，根据监测到的配电变压器缺相故障情况，执行对应的跳闸保护动作或者发起对应的告警信号，能够在监测的基础上进行故障保护。

请参照图2，本发明另一实施例提供了一种配电变压器高压侧缺相故障的监测终端，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述一种配电变压器高压侧缺相故障的监测方法的各个步骤。

本发明上述的一种配电变压器高压侧缺相故障的监测方法及终端，适用于在不需要增加额外的高压侧缺相故障监测设备的情况下进行监测，并且提高故障发现的准确性和效率，以下通过具体的实施方式进行说明：

实施例一

请参照图1和图3，一种配电变压器高压侧缺相故障的监测方法，包括步骤：

S1、获取配电变压器的预设接线组别，根据所述预设接线组别确定缺相边界条件。

S11、读取配电变压器的型号参数，根据所述型号参数确定所述配电变压器的接线组别，若所述配电变压器的接线组别为预设接线组别，则执行步骤S12，否则结束监测。在本实施例中，预设接线组别为Dyn11。

S12、根据预设接线组别确定缺相边界条件。

具体的，根据配电变压器型号参数确定接线组别，如果是Dyn11组别，则计算设定缺相边界条件参数ε

其中，正常情况下，对于接线组别为DYn11的10kV/0.4kV配电变压器，其铁芯结构为三柱心式，设配电变压器高压侧线电压-低压侧相电压变比为k，配电变压器高压侧AB、BC、CA三相线电压分别为：

其相量关系如图6所示，表示正常情况下，配电变压器高压侧线电压与二侧相电压呈一一对应关系，即相位相同或相近，高压侧线电压与二侧相电压幅值比为k。

当配电变压器高压侧输入电压缺少一相时，假设缺少B相输入，侧配电变压器的低压侧电压将发生明显变化。请参照图7和图8，图中，Z

可计算低压侧相电压为：

结合高压侧线电压与低压侧相电压的关系以及低压侧相电压，可推导出配电变压器高压侧单相缺相与低压侧电压幅值关系如下表1：

表1配电变压器高压侧单相缺相与低压侧电压幅值关系表

根据表1中的条件2，设ε为配电变压器低压侧三相电压幅值关系系数，如果低压侧电压最大相为c，则高压侧为B相缺相，可计算得到：

将低压侧相电压的公式代入关系系数的公式，可得：

可见，ε的大小与配电变压器高压侧输入电压

为求ε的下限，则配电变压器Uc应为最大值，Ua+Ub应为最小值。为此，将c相负载阻抗设为接近开路状态，即Zc＝1MΩ，将a、b相阻抗设为满载状态，设Za＝Zb＝0.16Ω，并将已知配电变压器参数Zm、Zt及三相负载阻抗Za、Zb、Zc代入上式，可得ε的下限ε

为求ε的上限，则配电变压器Uc应为最小值，Ua+Ub应为最大值。为此，将c相负载阻抗设为满载状态，即Zc＝0.32Ω，可将a、b相阻抗设为接近开路阻抗状态，设Za＝Zb＝1MΩ。同样将已知条件代入上式，可得ε的上限ε

在一些实施例中，考虑到低压配网实际运行中，三相负载阻抗值及阻抗角并不一致，尤其是Za、Zb的阻抗值与阻抗角的差异，将明显影响Ua+Ub的大小，因此，需要进一步确定ε的上限。在实际运行中，配电变压器负载一般为感性负载，其三相负载的阻抗、功率因素相近。为确定极端情况下的边界条件，将Zb的阻抗角设为60°，其他条件不变，则Za-Zb-ε的数值分布如图9所示。Za-ε的数值分布如图10所示。由图9、10可知，在Za＝0.97Ω、Zb＝1∠60°Ω时，ε有最大值1.15。

因此，对于接线组别为Dyn11的10/0.4kV配电变压器，当高压侧发生缺相故障时，根据配电变压器三相负载阻抗情况，低压侧三相电压幅值关系系数ε将在一定范围内变化，ε数值有边界。设ε

对于本实施例所述的500kVA配电变压器，ε的边界条件为ε∈[0.97,1.15]。

在一些实施例中，通过对目前在国内不同型号、容量的Dyn11配电变压器参数进行计算,在前面所述约束条件下，各类配电变压器的缺相边界条件参数ε

S2、读取配电变压器低压侧的三相电压，根据所述低压侧的三相电压计算当前的三相电压幅值关系系数，若所述三相电压幅值关系系数在所述缺相边界条件的范围内，则将所述低压侧的三相电压中电压最大相的前一相的相序名作为高压侧缺相相序名，并输出所述高压侧缺相相序名和当前的三相电压幅值关系系数。

S21、判断所述三相电压是否均大于预设电压值，若是，则执行根据所述低压侧的三相电压计算当前的三相电压幅值关系系数的操作，否则结束监测。

其中，预设电压值为0或者预设的电压值下限。

在本实施例中，读取Ua、Ub、Uc三相电压有效值，如果至少有一相电压为零，则判定为电压采集异常或其他故障，退出程序；如果三相电压均不为零，则执行步骤S22。

在另一实施例中，由于配电变压器低压侧可能发生单条相线断线故障，在某些条件下，可能导致本发明所述方法出现错误的判断结果。为防止出现误判，可以将预设电压值设定未三相电压最低下限阈值U

S22、将读取到的三相电压Ua、Ub、Uc按从大到小的顺序赋值至U1、U2、U3，计算当前的三相电压幅值关系系数ε：ε＝(U2+U3)/U1。

S23、如果ε

在本实施例中，当高压侧正常，低压侧电压正常，以及三相负载不平衡、零线断线(或接触不良)导致中性点偏移，满足ε

对本实施例的配电变压器高压侧缺相故障的监测方法进行仿真验证，将Za、Zb、Zc阻抗初始值分别设为0.485Ω、1∠60°Ω、0.32Ω。仿真时间在0.04s时，k1开关动作，由闭合变为断开，此时，配电变压器处于高压侧缺B相的运行状态。在0.08s时，Za变为0.97Ω，0.14s时，Za变为9.7Ω。于是形成图11的仿真数据图形，各时间点的统计数据如表2所示。

表2缺相仿真数据表

由表2可看出，0-0.04s期间，k1处于合闸位置，配电变压器正常运行，低压侧三相电压基本相同，ε值约为2。0.04s时，k1处于分闸位置，配电变压器高压侧B相失压，配电变压器处于非全相运行状态。0.04-0.08s期间，Za、Zb的阻抗值比约为1：2，Ua、Ub之比也约为1：2，ε值为1.12，根据“ε∈[0.97,1.15]”以及表6，可判定配电变压器为高压侧缺B相电源的非全相运行状态。0.08-0.14s期间，Za≈Zb，Ua≈Ub，ε值为1.15，达到最大值。0.14-0.2s期间，Za增大，Ua同步增大，ε值减小为1.04。0.2s之后，配电变压器负载侧开路，Za值为无穷大，Ua升至233.19V，Ub降至8.18V，ε值为1.01。

通过仿真实验取得Ua、Ub、Uc三相电压数据发送给按图3所示流程编写的计算机程序系统，无论低压负载侧阻抗如何变动，系统将自动判断配电变压器高压侧是否发生缺相故障，并确定是哪一相发生缺相。

因此，本实施例中选择Dyn11接线组别的配电变压器作为研究对象，根据配电变压器发生缺相运行故障时低压侧三相电压标量数据的变化规律，提出该类型配电变压器缺相故障的自动监测保护方法。

通过将本实施例的方法增加、集成到现有的配电变压器监控终端、配电变压器低压侧三相智能电能表、配电变压器低压侧总开关、用电信息采集系统或配电自动化系统等装置或系统中，利用现有的三相电压有效值数据，即可实现配电变压器高压缺相故障的自动监测保护功能。

其优点在于：

1、不需要增加配电变压器高压缺相故障自动监测保护专用设备或系统，不需要在现有设备或系统中增加采集单元和执行单元，直接将本实施例所述方法编写成程序，集成到现有智能终端设备或系统中，即可实现所述功能。

2、提高配电变压器高压缺相故障发现的准确性。

3、显著缩短配电变压器高压缺相故障发现时长，根据已有终端设备或系统的电压采集、传输周期，可以将故障发现时间降低到数秒级、数分钟级以内，提高故障处理效率，降低故障风险。

实施例二

请参照图2，一种配电变压器高压侧缺相故障的监测终端1，包括存储器2、处理器3以及存储在所述存储器2上并可在处理器3上运行的计算机程序，所述处理器3执行所述计算机程序时实现实施例一的一种配电变压器高压侧缺相故障的监测方法的各个步骤。

综上所述，本发明提供的一种配电变压器高压侧缺相故障的监测方法及终端，获取配电变压器的预设接线组别，根据预设接线组别确定缺相边界条件；读取配电变压器低压侧的三相电压，根据低压侧的三相电压计算当前的三相电压幅值关系系数，若三相电压幅值关系系数在缺相边界条件的范围内，则将低压侧的三相电压中电压最大相的前一相的相序名作为高压侧缺相相序名，并输出高压侧缺相相序名和当前的三相电压幅值关系系数。由于高压侧缺相导致三相相电压的幅值变化是有规律的，其核心规律是三相相电压的幅值之间的关系可以形成一个三相电压幅值关系系数，因此，利用现有的低压侧的三相电压有效值数据，即可确定高压侧缺相相序名，实现配电变压器高压缺相故障的自动监测，保证监测准确性的同时，可以适应于配电变压器的任何正常运行状态，不需要增加配电变压器高压缺相故障自动监测保护专用设备或系统；并且根据已有终端设备或系统的电压采集、传输周期，可以将故障发现时间降低到数秒级、数分钟级以内，提高故障处理效率，降低故障风险。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。