CN103472361A

CN103472361A - 基于空间信号检测及高精度授时的输电线路故障定位系统

Info

Publication number: CN103472361A
Application number: CN2013104298852A
Authority: CN
Inventors: 孙岳才; 李鸥; 应森杰; 黄伟; 邹轩; 徐旭
Original assignee: SHANGHAI YUANBEI DIGITAL TECHNOLOGY Co Ltd; SHANGHAI SHENBEI TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI YUANBEI DIGITAL TECHNOLOGY Co Ltd; SHANGHAI SHENBEI TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2013-09-18
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2033-09-18
Also published as: CN103472361B

Abstract

本发明涉及一种基于空间电磁场场强检测故障行波信号的输电线路故障定位装置，包括电磁场天线、信号输入调理单元、高速A/D转换单元、启动判断单元、信号转换单元、数据采集单元、数据处理单元CPU、ns级精度时钟单元、GPRS通讯单元、缓存单元RAM、录波及参数存储单元、供电回路、数据分析主站。本发明还提供了一种基于高精度授时的输电线路故障定位方法。本发明的优点是：采用空间电磁场场强检测故障行波信号进行故障定位，故障定位只需知道线路长度参数和两端采样瞬时值。无需知道两侧的线路系统参数及其余部分的运行状态，不受故障发生位置、故障类型、过渡阻抗以及故障发生起始角的影响，能够推广运用到各种接线方式的线路中。

Description

基于空间信号检测及高精度授时的输电线路故障定位系统

技术领域

本发明涉及一种基于空间电磁场信号检测及高精度授时的输电线路故障定位装置及方法。

背景技术

随着电力系统的不断发展，超高压、长距离输电线路越来越多。高压输电线路的输电距离长、途经地形复杂，是电力系统中发生故障最多的地方。当输电线路发生故障时，需要迅速找到故障点查明并及时排除故障，故障排除时间越长，停电所造成的损失越大，对整个系统稳定运行的冲击也越大。因此尽快查明故障点不仅对及时恢复线路供电至关重要，精确的故障定位还能为现场巡线工作人员及时提供准确、可靠的信息，减轻人工巡线的负担，同时能够减少因停电造成的综合经济损失，为提高电力系统运行的安全性、经济性和可靠性发挥重要的作用，可见准确的故障测距定位具有很大的社会和经济效益。

传统故障测距的方法分为线路参数定位、暂态行波定位。利用线路参数法定位设备投入较小，但定位原理复杂，定位算法的设计与线路分布参数、运行方式、运行阻抗及负载电流等因素密切相关，定位精度不易控制。利用暂态行波法定位的设备投入较大，存在反射行波检测较为困难、两端通讯信道可靠性要求较高、短暂性故障判断困难等难题。由于高压输电线路的参数，会受到沿线地质、气候、大地电阻率分布均匀程度等因素，以及电压电流传感器、故障过渡电阻、系统运行方式变化等等一系列因素的综合影响，都会对传统故障测距系统带来测距定位的误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于空间电磁场场强检测故障行波信号及高精度授时的输电线路故障定位装置及方法，在各种情况下均能获得较高的测距精度，能在电力系统中产生很大的社会和经济效益。

为了解决上述技术问题，本发明的一个技术方案是提供了一种基于空间电磁场场强检测故障行波信号的输电线路故障定位装置，其特征在于：包括电磁场天线、信号输入调理单元、信号转换单元、启动判断单元、A/D转换单元、FPGA数据采集单元、数据处理单元、数据存储单元、ns级精度时钟单元、时钟天线及通讯单元，其中，

电磁场天线包括环形磁场天线和平板电场天线，用于捕获输电线路的高频行波信号；

信号输入调理单元，接收来自电磁场天线的高频行波信号后对其进行前置滤波及带通选频以消除干扰，随后再将该模拟信号高频放大后，分别输出给A/D转换单元及信号转换单元；

信号转换单元通过高通滤波得到高频模拟信号的波头信号幅值后输出给启动判断单元；

启动判断单元，将当前时刻的波头信号幅值与前一时刻的波头信号幅值相比较，其差值若大于通过数据处理单元设定的阈值，则向数据采集单元发出启动故障录波信号；

A/D转换单元，用于将高频模拟信号转换为高频数字信号后送给数据采集单元；

数据采集单元，实时采集电压场强和电流磁场的暂态高频数字信号，在接收到启动故障录波信号后，即时启动进行故障录波，并通过从ns级精度时钟单元获得的时间，对该录波信号进行精确时间标志，从而形成带时间标志的波形数据；

ns级精度时钟单元与时钟天线相连，用于向数据采集单元及数据处理单元提供ns级精度的时间；

数据处理单元，读取由数据采集单元采集到的带时间标志的录波波形数据，将其压缩处理后保存到数据存储单元，并通过通讯单元经由通讯网络将该波形数据传输给定位测距主站以进行故障定位计算，同时，由其完成与定位测距主站相互间的通信协议转换。

优选的，在所述数据采集单元与所述数据处理单元之间设有高速缓存单元，由该缓存单元缓存所述数据采集单元获得的带时间标志的波形数据。

优选的，所述数据处理单元还连接录波及参数存储单元、本地通讯接口及外部触控显示单元。

优选的，所述通讯单元采用GPRS通讯单元，GPRS通讯单元分别外接通讯天线及SIM卡接口。

本发明的另一个技术方法是提供了一种基于高精度授时的输电线路故障定位方法，其特征在于：

步骤1、在输电线路两侧合闸开关之间至少布置两个上述结构的输电线路故障定位装置，分别为靠近合闸开关的第一输电线路故障定位装置及远离合闸开关的第二输电线路故障定位装置，第一输电线路故障定位装置与第二输电线路故障定位装置之间的距离为L；

步骤2、输电线路正常合闸时，定位测距主站首先检测到由第一输电线路故障定位装置传来的带时间标志的波形数据，该时间标志标定的时刻为T_S；定位测距主站再检测到由第二输电线路故障定位装置传来的带时间标志的波形数据，该时间标志标定的时刻为T_R；定位测距主站计算得到该条输电线路的相对行波速度V，

V = \frac{L}{T_{R} - T_{S}};

步骤3、若输电线路在位于第一输电线路故障定位装置与第二输电线路故障定位装置之间的故障点出现故障，则定位测距主站将分别接收到来自第一输电线路故障定位装置的带时间标志的波形数据，该时间标志标定的时刻为T_S′，并接收到来自第二输电线路故障定位装置的带时间标志的波形数据，该时间标志标定的时刻为T_R′，计算得：

故障点(F)与第一输电线路故障定位装置之间的距离为X_S：

X_{S} = \frac{({T_{S}}^{'} - {T_{R}}^{'}) * V + L}{2};

故障点(F)与第二输电线路故障定位装置之间的距离为X_R：

X_{R} = \frac{({T_{R}}^{'} - {T_{S}}^{'}) * V + L}{2} .

本发明的优点是：采用空间电磁场场强检测故障行波信号进行故障定位，故障定位只需知道线路长度参数和两端采样瞬时值。无需知道两侧的线路系统参数及其余部分的运行状态，不受故障发生位置、故障类型、过渡阻抗以及故障发生起始角的影响，能够推广运用到各种接线方式的线路中。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于空间电磁场场强检测故障行波信号的输电线路故障定位装置的电路框图；

图2为本发明提供的一种基于空间电磁场信号检测及高精度授时的输电线路故障定位方法的原理图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图1所示，本发明提供了一种基于空间电磁场场强检测故障行波信号的输电线路故障定位装置，包括电磁场天线、信号输入调理单元、高速A/D转换单元、启动判断单元、信号转换单元、采用FPGA实现的数据采集单元、数据处理单元CPU、ns级精度时钟单元、GPRS通讯单元、缓存单元RAM、通讯接口、触控显示单元、录波及参数存储单元、供电回路、数据分析主站。

电磁场天线用于捕获高频行波信号，其采用玻璃钢罩体，在罩体内设置高灵敏度天线，设计环形磁场天线检测故障行波信号，平板电场天线检测电压信号。电磁场天线采用外置式，通过特定长度专用电缆以螺旋扣接插件与由其他部件构成的主机连接。

电磁场天线捕获的高频行波信号经由同轴电缆接入信号输入调理单元，完成前置滤波和带通选频消除干扰，由信号输入调理单元内的高速模拟运放对高频行波信号进行放大。

高速A/D转换单元以20MHz采样频率对高频模拟信号进行采样并数字化后，送入数据采集单元。

信号转换单元，通过高通滤波得到高频模拟信号的波头信号幅值，送入启动判断单元，由启动判断单元实现数据采集单元录波条件自动判断。数据采集单元的启动判据采用波形突变启动，即由启动判断单元将当前时刻的波头信号幅值与前一时刻的波头信号幅值相比较，若其差值超出通过数据处理单元CPU设定的启动阀值，即向数据采集单元发出启动故障录波信号。

数据采集单元作为故障行波信号的检测核心，实时采集电磁场天线接收的电压场强和电流磁场暂态行波信号，当接收到来自启动判断单元的启动故障录波信号后，即时启动进行故障录波，并对由高速A/D转换单元送来的高频数字信号进行精确时间标志，从而形成带时间标志的波形数据。同时，将带时间标志的波形数据存入缓存单元RAM中供数据处理核心CPU提取波形数据进行分析存储。

与时钟天线相连的ns级精度时钟单元为数据采集单元及数据处理单元提供ns级的高精度卫星授时信号，时钟天线内置于装置顶部的信号良好位置。

数据处理单元CPU完成带时间标志的波形数据的采集分析、启动阀值设定、通过录波及参数存储单元完成数据存储、通过触控显示单元完成数据显示、数据上传通讯、供电回路等各部分的协调工作，同时完成与定位测距主站相互间的通信协议转换。数据处理单元CPU还连接本地通讯接口。

GPRS通讯单元与通讯天线及SIM卡接口相连，完成本发明提供的装置与定位测距主站的数据通信，SIM卡接口采用外置式方便插卡安装，通讯天线内置于装置顶部的信号良好位置。

录波及参数存储单元，采用大容量失电保存非易失性存储器，满足装置多条故障行波数据记录存储的需要。

通讯接口设计以太网通讯方式，用于现场手动数据拷贝，硬件电路设计有隔离保护。

触控显示单元用于装置记录数据的现场查询统计，动态显示装置运行状态，以及装置各项运行参数的设置，配置7寸WVGATFT-LCD触摸屏全中文液晶显示，与数据处理单元CPU间采用RS485接口，支持装置一体及外置独立安装固定方式。在主机的前面板上还提供丰富的状态指示信号灯和装置操作开关。

供电回路用于提供装置所需的内部工作电源转换、内置铁锂电池及充放电控制，外部输入可以选配交流供电、直流供电、太阳能供电等多种方式，各分路电源间设计电气隔离。

本发明提供的一种基于空间电磁场场强检测故障行波信号的输电线路故障定位方法，其原理大致为：在输电线路正常运行时，本发明提供的故障定位装置不断采集行波数据，利用线路两端测得的电磁场场强波形，通过不断分析两端波形中相同特征点的到达时差，估算该输电线的行波波速，并根据线路设计实际长度进行估算矫正。当输电线路发生故障时，故障点两侧的故障定位装置即进行数据录波，并对录波数据标记卫星授时的高精度时标，同时将录波数据通过GPRS网络传送给数据分析主站，根据电磁场畸变行波测得的时间，并结合该线路相对行波波速及线路实际长度数据，进行故障波形分析，计算故障定位距离，给出故障点位置。

如图2所示，本发明提供的一种基于空间电磁场信号检测及高精度授时的输电线路故障定位方法，具体步骤为：

步骤1、在输电线路两侧合闸开关之间至少布置两个上述结构的输电线路故障定位装置，分别为靠近合闸开关的第一输电线路故障定位装置S及远离合闸开关的第二输电线路故障定位装置R，第一输电线路故障定位装置S与第二输电线路故障定位装置R之间的距离为L；

步骤2、输电线路正常合闸时，定位测距主站首先检测到由第一输电线路故障定位装置S传来的带时间标志的波形数据，该时间标志标定的时刻为T_S；定位测距主站再检测到由第二输电线路故障定位装置R传来的带时间标志的波形数据，该时间标志标定的时刻为T_R；定位测距主站计算得到该条输电线路的相对行波速度V，

V = \frac{L}{T_{R} - T_{S}};

步骤3、若输电线路在位于第一输电线路故障定位装置S与第二输电线路故障定位装置R之间的故障点F出现故障，则定位测距主站将分别接收到来自第一输电线路故障定位装置S的带时间标志的波形数据，该时间标志标定的时刻为T_S′，及收到来自第二输电线路故障定位装置R的带时间标志的波形数据，该时间标志标定的时刻为T_R′，计算得：

故障点F与第一架空线路故障测距装置S之间的距离为X_S：

X_{S} = \frac{({T_{S}}^{'} - {T_{R}}^{'}) * V + L}{2};

故障点F与第二架空线路故障测距装置R之间的距离为X_R：

X_{R} = \frac{({T_{R}}^{'} - {T_{S}}^{'}) * V + L}{2} .

Claims

1.一种基于高精度授时及空间电磁场场强检测故障行波信号的输电线路故障定位装置，其特征在于：包括电磁场天线、信号输入调理单元、信号转换单元、启动判断单元、A/D转换单元、数据采集单元、数据处理单元、数据存储单元、ns级精度时钟单元、时钟天线及通讯单元，其中，

2.如权利要求1所述的一种基于空间电磁场场强检测故障行波信号及高精度授时的输电线路故障定位装置，其特征在于：在所述数据采集单元与所述数据处理单元之间设有高速缓存单元，由该缓存单元缓存所述数据采集单元获得的带时间标志的波形数据。

3.如权利要求1所述的一种基于空间电磁场场强检测故障行波信号及高精度授时的输电线路故障定位装置，其特征在于：所述数据处理单元还连接录波及参数存储单元、本地通讯接口及外部触控显示单元。

4.如权利要求1所述的一种基于空间电磁场场强检测故障行波信号及高精度授时的输电线路故障定位装置，其特征在于：所述通讯单元采用GPRS通讯单元，GPRS通讯单元分别外接通讯天线及SIM卡接口。

5.一种基于高精度授时的输电线路故障定位方法，其特征在于：

步骤1、在输电线路两侧合闸开关之间至少布置两个如权利要求1所述的输电线路故障定位装置，分别为靠近合闸开关的第一输电线路故障定位装置(S)及远离合闸开关的第二输电线路故障定位装置(R)，第一输电线路故障定位装置(S)与第二输电线路故障定位装置(R)之间的距离为L；

步骤2、输电线路正常合闸时，定位测距主站首先检测到由第一输电线路故障定位装置(S)传来的带时间标志的波形数据，该时间标志标定的时刻为T_S；定位测距主站再检测到由第二输电线路故障定位装置(R)传来的带时间标志的波形数据，该时间标志标定的时刻为T_R；定位测距主站计算得到该条输电线路的相对行波速度V，

步骤3、若输电线路在位于第一输电线路故障定位装置(S)与第二输电线路故障定位装置(R)之间的故障点(F)出现故障，则定位测距主站将分别接收到来自第一输电线路故障定位装置(S)的带时间标志的波形数据，该时间标志标定的时刻为T_S′，并接收收到来自第二输电线路故障定位装置(R)的带时间标志的波形数据，该时间标志标定的时刻为T_R′，计算得：

故障点(F)与第一输电线路故障定位装置(S)之间的距离为X_S：

X_{S} = \frac{({T_{S}}^{'} - {T_{R}}^{'}) * V + L}{2};

故障点(F)与第二输电线路故障定位装置(R)之间的距离为X_R：

X_{R} = \frac{({T_{R}}^{'} - {T_{S}}^{'}) * V + L}{2} .