CN101799512A - 一种面向变电站内单间隔的单端故障录波测距装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种面向变电站内单间隔的单端精确故障录波测距装置，属于电力系统领域，该装置包括依次相连的信号变换调理模块、行波启动及数据采集模块、数据处理及人机接口模块三个模块，其中，行波启动及数据采集模块根据信号变换调理模块输入的电压信号，判别是否故障发生，如果判别故障发生则开始故障录波，并将故障录波数据传递给数据处理及人机接口模块；数据处理及人机接口模块从行波启动及数据采集模块中读取数据，并接收GPS信号输入及开关量信号输入，完成数据变换分析实现精确故障测距。该装置面向单间隔结构设计，结构简单、现场应用灵活性强；而且行波和低频信号采集在一个模块上统一设计，装置的稳定性高、成本大幅降低。
Description
技术领域
本发明属于电力系统故障检测技术领域，特别涉及一种面向变电站内单间隔的单端故障录波测距装置。
背景技术
根据电力行业标准DL/T553-1994和DL/T663-1999规定，220kV以上电压等级的变电站必须安装故障录波器，主要目的有两点：1、故障录波器能准确记录所在变电站及出线上出现的扰动和故障，以便于事后故障再现，分析事故原因，消除隐患；2、故障录波器都具有故障测距功能，便于现场电力工程师迅速确定故障点，排除故障，恢复供电。目前现场应用的主要故障录波器只能测量谐波、工频等低频信号，实现故障测距也是采用基于工频信号的阻抗法测距算法。由于阻抗法测距算法受到故障过渡电阻、对端系统阻抗，特别是电流互感器传变特性的影响，测距精度普遍不高，无法满足现场应用的要求。针对该问题，国内外继电保护工作者积极开展了利用行波信息的双端故障测距研究，成功研发了装置——双端行波测距装置，并在现场中得到广泛应用。因此在高压变电站中经常出现安装两套装置，一套为传统的工频故障录波器，主要实现故障录波的功能；另一套为双端行波测距装置，主要实现精确故障测距的功能。这种做法，硬件平台浪费，占地面积大，成本较高，影响了行波测距技术的进一步推广。
针对该问题，本发明人在2001年申报了专利号为01143448.1的《高精度故障录波器及其输电线路组合故障测距方法》专利，成功实现基于一套硬件平台，同时测量整个变电站所有出线状态，并能同时利用故障行波信号和工频信号实现测距的单端高精度故障录波器。该故障录波器包括前置机、后台机、电力系统同步时钟、打印机等四部分，其中前置机包括稳态电压、电流采集单元，暂态电压、电流采集单元，高频采集单元以及GPS时间同步单元；后台机采用工业控制机，用于故障数据分析和处理；电力系统同步时钟为故障录波器提供精确时间信息；打印机用于打印故障录波和测距结果。该装置不仅能记录工频和谐波故障信息，也能同时记录故障行波信息，实现单端精确故障测距。使得变电站只要安装一套该设备，就能同时满足故障录波与行波测距的功能，但是该高精度故障录波器的设计与使用仍然是面向整个变电站，即采用一台装置监测整个变电站的所有出线，缺乏现场应用灵活性；特别是如果装置出现异常，将导致整个变电站失去故障录波与测距的安全保障，装置性能的可靠性较差；而且该装置的低频信号采集处理和行波信号采集处理在不同的板卡上分离设计实现，使得行波信号启动的快速性和工频信号启动的可靠性难以兼顾，影响了装置的可靠启动录波。
发明内容
本发明目的是为了克服已有技术的不足之处，提出了一种面向变电站内单间隔的单端故障录波测距装置，该装置面向单间隔结构设计，结构简单、现场应用灵活性强；而且行波和低频信号采集在一个模块上统一设计，装置的稳定性高、成本大幅降低。
本发明提出的面向变电站内单间隔的单端精确故障录波测距装置，其特征在于，该装置包括依次相连的信号变换调理模块、行波启动及数据采集模块、数据处理及人机接口模块三个模块，其中，信号变换调理模块将来自变电站单间隔的电流互感器、电压互感器的模拟电流量和电压量转换为-5V～+5V之间的电压信号，输出给行波启动及数据采集模块；行波启动及数据采集模块根据输入的-5V～+5V之间的电压信号，判别是否故障发生，如果判别故障发生则开始故障录波，并将故障录波数据传递给数据处理及人机接口模块，同时也接受数据处理及人机接口模块对录波时序和数据缓存的控制；数据处理及人机接口模块从行波启动及数据采集模块中读取数据，并接收GPS信号输入及开关量信号输入，完成数据变换分析实现精确故障测距。
本发明的特点及技术效果：
本发明面向单间隔设计，只记录单间隔的模拟量和开关量；对于模拟量，在同一个模块上设计实现既记录低频故障信息，又记录行波电流信息，保证了行波信号启动的快速性和工频信号启动的可靠性的有效兼容，实现了单间隔单端高精度故障录波与测距。
本发明可以全面记录变电站内单间隔故障后所出现的行波电流信息和低频电流、电压信息，实现输电线路的精确故障录波和测距，为事故原因分析提供了准确数据，也能够保障快速供电恢复。
该装置结构简单、现场应用灵活性强；而且行波和低频信号采集在一个模块上统一设计，装置的稳定性高、成本大幅降低。
附图说明
图1为本发明的构成框图。
图2为本实施例的行波启动及数据采集模块构成框图。
图3为本实施例的数据处理及人机接口模块构成框图。
图4为本实施例的DSP工作流程框图。
具体实施方式
本发明设计的一种面向变电站内单间隔的单端精确故障录波测距装置，其特点是仅面向于变电站内的单一间隔来构造故障录波和测距装置，其组成结构如图1所示。它包括依次相连的信号变换调理模块、行波启动及数据采集模块、数据处理及人机接口模块三个模块，其中，信号变换调理模块将来自变电站单间隔的电流互感器、电压互感器的模拟电流量和电压量转换为-5V～+5V之间的电压信号，输出给行波启动及数据采集模块；行波启动及数据采集模块根据输入的-5V～+5V之间的电压信号，判别是否故障发生，如果判别故障发生则开始故障录波，并将故障录波数据传递给数据处理及人机接口模块，同时也接受数据处理及人机接口模块对录波时序和数据缓存的控制；数据处理及人机接口模块从行波启动及数据采集模块中读取数据，并接收GPS信号输入及开关量信号输入，完成数据变换分析实现精确故障测距。
现结合图1-图3详细说明各模块的实施例：
1、信号变换调理模块
本实施例的信号变换调理模块由低频电流变换器、低频电压变换器和行波电流变换器组成。低频电流变换器和行波电流变换器串联连接变电站单间隔的电流互感器二次侧端子，分别变换电流信号的低频部分(500Hz以下信号部分)和行波部分(200kHz-500Hz信号部分)，其中低频电流变换器将输入的额定值为5A/1A的电流互感器二次电流信号的低频部分变换为-5V～+5V之间的电压信号；行波电流变换器将输入的额定值为5A/1A的电流互感器二次电流信号的行波部分变换为-2.5V～+2.5V之间的电压信号。低频电压变换器连接变电站单间隔的电压互感器二次侧端子，将额定值100V的电压互感器二次电压信号变换为-5V～+5V之间的电压信号；本实施例的低频电流变换器型号可为TR0143-2G 100A/3.53V；低频电压变换器型号可为HY 100/3V、行波电流变换器型号可为uCT-015A/3.53mA。
2、行波启动及数据采集模块
本发明的行波启动及数据采集模块的实施例结构如图2所示，主要由低频信号采集部件和行波信号采集部件及分别与低频信号采集部件和行波信号采集部件相连的CPLD器件和双口RAM组成，其中，低频信号采集部件由依次连接的500HZ低通滤波器、运算放大器和模数转换器(A/D转换器)构成；行波信号采集部件包括200kHZ低通滤波器，以及分别与该200kHZ低通滤波器相连的行波启动电路和行波信号采集电路；该行波启动电路由依次连接的2-10kHZ带通滤波器、比较器和光电隔离器组成；该行波信号采集电路由运算放大器、电压调理器、多路开关及单极性模数转换器(单极性A/D转换器)组成。
本模块中各组成器件均可采用通用的商品，例如：模数转换器可采用MAX125芯片，单极性A/D转换器可采用AD9240芯片，CPLD器件采可用EPM7192芯片，多路开关可采用四选一AD9300芯片，比较器可采用LM393，光电隔离器可采用TLP521-4，双口RAM可采用IDT7028。
本实施例行波启动及数据采集模块的工作过程为：来自信号变换调理模块的低频信号(3路稳态低频电压、3路稳态低频电流)首先经过截止频率为500赫兹的低通滤波器，然后经运算放大电路后输入A/D转换器，A/D转换由CPLD器件控制其采样速度和时序以及数据的缓冲，采样数据经CPLD器件控制输出给数据处理及人机接口模块中的DSP单元。
同时来自信号变换调理模块的行波信号(3路行波电流信号)，首先经过截至频率为200kHz的有源低通滤波器；然后分为两路：其中一路信号经过运算放大电路，输出到电压调理电路中，电压调理电路的主要作用是为了适合单极性A/D转换器的0～5V的电压范围，使得3路信号经过电压偏置调整后叠加上一个2.5V的电压；之后进入多路开关，然后由CPLD控制多路开关，分时选通多路开关不同的通道到单极性A/D转换器进行转换；转换结果由CPLD控制输入到双口RAM中，以备数据处理及人机接口模块中的DSP单元读取处理。
另一路信号在经过截至频率为200kHz的低通滤波后输入到带通滤波电路，通带为2～10kHz，中心频率为4.6kHz，然后经过比较器和设定的双极性阈值比较，超过正极性阈值或低于负极性则产生启动电平信号，通过光电隔离器整形接入到数字电路中的CPLD单元，作为中断启动信号。双极性阈值的取值应根据实际应用本发明装置的变电站间隔出线上故障时，可能出现的最小电压故障初始角对应的行波电流幅值，并经本发明中信号变换调理模块中的行波电流变换器变换后得到的数值；本实施例中针对110kV电力线路的典型参数计算得出正极性阈值为+200mV，负极性阈值为-200mV。CPLD收到任何一路启动信号后，控制单极性AD转换器和多路开关把每路信号转换4016个点，并正常存储在双口RAM中，4016点采集完毕后向DSP发出一个AD转换结束的电平信号，同时锁住所有高速采样模块，双口RAM右侧停止写入和寻址；由DSP负责把数据从双口RAM搬到RAM中，再由DSP给出解锁高速采样模块信号，使CPLD解锁，恢复高速采集模块到正常工作状态。
3、数据处理及人机接口模块
本实施例的数据处理及人机接口模块如图3所示。由非易失性随机访问存储器(NVRAM)数据缓存电路、双口RAM、CPLD、DSP、GPS对时电路、同步动态随机存储器(SRAM)、液晶驱动器、通信控制器以及输入键盘和液晶显示器组成；其中，NVRAM数据缓存电路、双口RAM、DSP通过数据地址总线相连；双口RAM与CPLD相连，DSP分别与GPS对时电路、SRAM、液晶驱动器、通信控制器相连，键盘输入与CPLD相连，液晶显示器与液晶驱动相连。
本模块中各组成器件均可采用通用的商品，例如：DSP可采用TMS320C32芯片，液晶显示模块可采用SG240128A，SRAM芯片可采用IS61C6416，通信控制器包括以太网通信控制模块和串口通信模块，其中以太网通信芯片可采用DM9000，串口通讯可采用MAX232芯片。
DSP通过数据地址总线从双口RAM中读取行波启动及数据采集模块输入的行波电流数据，同时通过CPLD控制读取行波启动及数据采集模块输入的低频电压、电流数据，CPLD芯片同时连接DSP芯片以及双口RAM芯片，控制双口RAM两侧的数据存储和读取时序。DSP芯片连接大容量的SRAM，以备完成复杂的数据运算处理。DSP通过数据地址总线连接NVRAM电路，可完成故障测距和录波数据掉电缓存。从本发明装置外部输入的GPS信号，首先输入到GPS对时电路，然后将对时分频后的微秒脉冲输入到DSP芯片的I/O口，用于计数记录准确的故障时刻。同时DSP还与液晶驱动单元相连，主要实现故障录波数据显示、故障测距结果显示等功能；DSP与通信控制器连接，通过以太网通讯、串口通讯实现与变电站后台或保护通信管理机通信等功能。此外，DSP芯片还通过CPLD的输入输出接口与外围的键盘输入电路相连接，实现键盘操作输入功能。
本实施例的DSP工作流程如图4所示，首先初始化硬件，然后实时监测行波信号是否启动。如果没有启动，继续查询是否有键盘操作，如果有键盘操作，则执行键盘操作处理流程；如果没有键盘操作，则检测是否需要液晶显示，如果需要液晶显示操作，则执行液晶显示操作流程；如果不需要液晶显示则检测是否需要通讯输出，如果需要通讯输出，则执行通讯输出流程，否则流程返回继续查询是否行波启动。
如果流程检测到了行波启动，则继续检测工频信号是否启动，如果工频未启动，则认为是高频干扰导致的行波启动，流程转向依次查询是否有键盘操作、液晶显示或通讯输出等要求；如果有键盘操作、液晶显示或通讯输出等要求，则流程响应该要求，执行相应的操作，否则流程返回继续查询是否行波启动。
但是如果行波启动后工频信号也启动了，则明确表明被监测间隔中发生了故障，DSP依次记录每路行波故障数据6000点；以及采用快速录波记录每路工频故障数据1000点后，再采用慢速录波每10个采样点记录依次故障数据；完成行波和工频故障数据录波以后，流程依次执行工频阻抗法故障测距算法和行波数据的小波变换算法，在两者计算结果的基础上再利用组合法故障测距算法，实现精确测距。实现了精确测距以后，流程仍然依次查询是否有键盘操作、液晶显示或通讯输出等要求；如果有键盘操作、液晶显示或通讯输出等要求，则流程响应该要求，执行相应的操作，否则流程返回继续查询是否行波启动；实现流程的自循环。
本实施例装置面向单间隔设计，只记录单间隔的模拟量和开关量；对于模拟量，既能够记录低频故障信息(包括谐波分量、工频分量、衰减直流分量等)，也能够记录行波电流信息，实现单间隔高精度故障录波。可实现连续4次故障录波；针对任一次故障扰动，可实现采样频率1千赫兹下，最大记录时间15分钟的低频信号录波，以及采样频率1兆赫兹下，最大记录时间6毫秒的行波信号录波；同时可记录16路开关量(开入、开出)信号。针对任一次故障录波数据，本装置均可采用单端组合法故障测距算法实现精确故障测距，测距误差低于1公里。
Claims (4)
1.一种面向变电站内单间隔的单端精确故障录波测距装置，其特征在于，该装置包括依次相连的信号变换调理模块、行波启动及数据采集模块、数据处理及人机接口模块三个模块，其中，信号变换调理模块将来自变电站单间隔的电流互感器、电压互感器的模拟电流量和电压量转换为-5V～+5V之间的电压信号，输出给行波启动及数据采集模块；行波启动及数据采集模块根据输入的-5V～+5V之间的电压信号，判别是否故障发生，如果判别故障发生则开始故障录波，并将故障录波数据传递给数据处理及人机接口模块，同时也接受数据处理及人机接口模块对录波时序和数据缓存的控制；数据处理及人机接口模块从行波启动及数据采集模块中读取数据，并接收GPS信号输入及开关量信号输入，完成数据变换分析实现精确故障测距。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，信号变换调理模块由低频电流变换器、低频电压变换器和行波电流变换器所组成，低频电流变换器和行波电流变换器串联连接变电站单间隔的电流互感器二次侧端子，分别变换电流信号的500Hz以下低频部分信号和200kHz-500Hz行波部分信号；其中低频电流变换器将输入的额定值为5A/1A的电流互感器二次电流信号的低频部分变换为-5V～+5V之间的电压信号；行波电流变换器将输入的额定值为5A/1A的电流互感器二次电流信号的行波部分变换为-2.5V～+2.5V之间的电压信号；所述低频电压变换器连接变电站单间隔的电压互感器二次侧端子，将额定值100V的电压互感器二次电压信号变换为-5V～+5V之间的电压信号。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述行波启动及数据采集模块主要由低频信号采集部件和行波信号采集部件及分别与低频信号采集部件和行波信号采集部件相连的CPLD器件和双口RAM组成，其中，低频信号采集部件由依次连接的500HZ低通滤波器、运算放大器和模数转换器构成；行波信号采集部件包括200kHZ低通滤波器，以及分别与该200kHZ低通滤波器相连的行波启动电路和行波信号采集电路；该行波启动电路由依次连接的2-10kHZ带通滤波器、比较器和光电隔离器组成；该行波信号采集电路由运算放大器、电压调理器、多路开关及单极性模数转换器组成。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据处理及人机接口模块由非易失性随机访问存储器数据缓存电路、双口RAM、CPLD、DSP、GPS对时电路、同步动态随机存储器、液晶驱动器、通信控制器以及输入键盘和液晶显示器组成；其中，非易失性随机访问存储器数据缓存电路、双口RAM、DSP通过数据地址总线相连；双口RAM与CPLD相连，DSP分别与GPS对时电路、同步动态随机存储器、液晶驱动器、通信控制器相连，键盘输入与CPLD相连，液晶显示器与液晶驱动相连。
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