CN104297639A - 一种中压配电网的故障行波采集装置和故障行波采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中压配电网的故障行波采集装置和故障行波采集系统，故障行波采集装置设置低速相电压采集电路和触发电路以2kHz的采样速率检测输电线路是否发生故障，并在线路发生故障后通过高速行波信号采集电路以1MHz的采样速率采集行波的电流电压信号，因此，本发明能够在确保高行波采样速率来保证行波采集高精度、高完整性的同时，降低装置对数据处理、保存、传输能力的要求，解决了现有技术中行波信号高完整度和高精度采集的需要与高速采集速度数据量太大的矛盾。本发明的故障行波采集系统能够在中压配电网电力系统中应用多端行波测距法，克服了配电网网络过于复杂的问题，极大提高了行波测距精度。

Description

一种中压配电网的故障行波采集装置和故障行波采集系统

技术领域

本发明涉及一种中压配电网的故障行波采集装置，本发明还涉及应用该故障行波采集装置的故障行波采集系统。

背景技术

随着我国各大电力系统的容量和电网区域不断扩大，中压配电网运行管理也更加复杂，中压配电网电力系统的安全稳定问题日益突出。配电线路故障后迅速、准确地判断出故障位置，不仅可以减轻巡线负担，及时修复线路，保证可靠供电，而且可以减少因停电造成的综合经济损失。因此快速、准确的故障测距对配电网电力系统安全稳定和经济运行具有十分重要的意义。

行波法根据行波传输理论实现输电线路的故障测距，故障行波的完整性对故障测距的精度有着重大的影响，而过低的行波采样速率不能很好的反映行波信息，影响测距精度，而过高的采样速率在多通道采集时产生的数据量较大，处理和传输都是问题，因此现有的故障行波采集装置往往存在行波信号高完整度和高精度采集的需要与高速采集速度数据量太大的矛盾。

并且，目前行波测距装置一般用于高压输电线路，不适用于网络复杂的中压配电网，且其测距原理也只基于单端法和双端法，对行波信号的测量、精度和超高速记录等都还存在缺陷。因此迫切需要一种适用于中压配电网的行波测距装置，采用多端采集技术，实现中压配电网故障定位和测距。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种中压配电网的故障行波采集装置及应用该装置的故障行波采集系统。

解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种中压配电网的故障行波采集装置，其特征在于：所述的故障行波采集装置设置在中压配电网的行波信号采集点，其包括低速相电压采集电路、触发电路、FPGA控制器、高速行波信号采集电路、高速缓存存储器、主控制器和数据存储器；

所述低速相电压采集电路以2kHz的采样速率采集中压配电网行波信号采集点所在位置的相电压；

所述触发电路预设有门限电压，其将该门限电压与低速相电压采集电路采集到相电压实时进行对比，在所述相电压低于门限电压时判定中压配电网产生故障并产生故障使能信号；

所述FPGA控制器在接收到触发电路产生的故障使能信号时，输出高速采样触发脉冲控制所述高速行波信号采集电路以1MHz的采样速率采集中压配电网行波信号采集点所在位置的电流电压信号，并将高速行波信号采集电路采集到的电流电压信号存储到高速缓存存储器中；

所述主控制器通过FPGA控制器读取存储在高速缓存存储器中的电流电压信号数据并保存到数据存储器中。

作为本发明的一种改进，所述的故障行波采集装置还包括GPS同步时钟；所述FPGA控制器在接收到触发电路产生的故障使能信号时控制GPS同步时钟记录下该时刻的GPS时间，所述主控制器从该GPS同步时钟读取该GPS时间并与所述电流电压信号数据一起保存到数据存储器中。

作为本发明的一种实施方式，所述的主控制器通过千兆级以太网或者DTU设备连接主站，所述主控制器在接收到主站的相应指令后将保存在数据存储器中的电流电压信号数据发送给主站，或者，强制所述触发电路产生故障使能信号，或者，修改所述触发电路预设的门限电压。

作为本发明的一种实施方式，所述高速行波信号采集电路具有分别用于采集中压配电网A、B、C三相和零线的电流电压信号的4路信号采集通道，每一路信号采集通过均设有电压互感器、电流互感器、阻抗变换模块、低通滤波模块、增益变换模块和高速模数转换器，所述电压互感器和电流互感器均安装在中压配电网行波信号采集点所在位置，所述高速模数转换器在接收到所述FPGA控制器输出的高速采样触发脉冲时，通过阻抗变换模块、低通滤波模块和增益变换模块接收电流互感器和电压互感器采集到的电流电压信号，并以2kHz的采样速率转换成数字信号发给所述FPGA控制器。

作为本发明的一种改进，所述的故障行波采集装置增设有一个所述高速行波信号采集电路。

一种应用上述故障行波采集装置的故障行波采集系统，其特征在于：所述的故障行波采集系统包括主站和多个权利要求2至5所述故障行波采集装置；所述各个故障行波采集装置分别设置在中压配电网的不同采集点，各个故障行波采集装置的GPS同步时钟时间同步，所述主站接收各个故障行波采集装置采集到的电流电压信号数据。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，本发明的故障行波采集装置设置低速相电压采集电路和触发电路以2kHz的采样速率检测输电线路是否发生故障，并在线路发生故障后通过高速行波信号采集电路以1MHz的采样速率采集行波的电流电压信号，因此，本发明能够在确保高行波采样速率来保证行波采集高精度、高完整性的同时，降低装置对数据处理、保存、传输能力的要求，解决了现有技术中行波信号高完整度和高精度采集的需要与高速采集速度数据量太大的矛盾。

第二，本发明的故障行波采集装置通过设置GPS同步时钟，能够确保故障行波采集系统中各采集装置采集行波信号的时间能够进行同步，因此，本发明的故障行波采集系统能够在中压配电网电力系统中应用多端行波测距法，克服配电网网络过于复杂的问题，极大提高了行波测距精度，满足中压配电网复杂网络中的故障定位和测距，从而可以在配电线路故障后迅速、准确地判断出故障位置，不仅可以减轻巡线负担，及时修复线路，保证可靠供电。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明的故障行波采集系统的系统框图；

图2为本发明的故障行波采集装置的电路原理框图；

图3为本发明中高速行波信号采集电路其中一路通道的电路原理框图；

图4为本发明中GPS同步时钟的信号处理流程框图；

图5为本发明中低速相电压采集电路的电路原理框图；

图6为本发明的故障行波采集装置的电源原理框图。

具体实施方式

如图2所示，本发明的中压配电网的故障行波采集装置，设置在中压配电网的行波信号采集点，其包括低速相电压采集电路、触发电路、FPGA控制器、高速行波信号采集电路、高速缓存存储器、主控制器和数据存储器。低速相电压采集电路以2kHz的采样速率采集中压配电网行波信号采集点所在位置的相电压；触发电路预设有门限电压，其将该门限电压与低速相电压采集电路采集到相电压实时进行对比，在相电压低于门限电压时判定中压配电网产生故障并产生故障使能信号；FPGA控制器在接收到触发电路产生的故障使能信号时，输出高速采样触发脉冲控制高速行波信号采集电路以1MHz的采样速率采集中压配电网行波信号采集点所在位置的电流电压信号，并将高速行波信号采集电路采集到的电流电压信号存储到高速缓存存储器中；主控制器通过FPGA控制器读取存储在高速缓存存储器中的电流电压信号数据并保存到数据存储器中。

本发明的故障行波采集装置还包括GPS同步时钟；FPGA控制器在接收到触发电路产生的故障使能信号时控制GPS同步时钟记录下该时刻的GPS时间，主控制器从该GPS同步时钟读取该GPS时间并与电流电压信号数据一起保存到数据存储器中。

本发明的主控制器通过千兆级以太网或者DTU设备连接主站，主控制器在接收到主站的相应指令后将保存在数据存储器中的电流电压信号数据发送给主站，或者，强制触发电路产生故障使能信号，或者，修改触发电路预设的门限电压。

另外，本发明的故障行波采集装置通过增设一个高速行波信号采集电路，可以实现两个采集点的电流电压信号采集。

其中，上述的高速行波信号采集电路具有分别用于采集中压配电网A、B、C三相和零线的电流电压信号的4路信号采集通道，每一路信号采集通过均设有电压互感器PT、电流互感器CT、阻抗变换模块、低通滤波模块、增益变换模块和高速模数转换器，电压互感器PT和电流互感器CT均安装在中压配电网行波信号采集点所在位置，高速模数转换器在接收到FPGA控制器输出的高速采样触发脉冲时，通过阻抗变换模块、低通滤波模块和增益变换模块接收电流互感器CT和电压互感器PT采集到的电流电压信号，并以2kHz的采样速率转换成数字信号发给FPGA控制器。

如图1所示，本发明应用上述故障行波采集装置的故障行波采集系统，包括主站和多个上述故障行波采集装置；各个故障行波采集装置分别设置在中压配电网的不同采集点，各个故障行波采集装置的GPS同步时钟时间同步，主站接收各个故障行波采集装置采集到的电流电压信号数据。

本发明的故障行波采集装置及应用该装置的故障行波采集系统，它们的工作原理及优选的电路实现形式如下：

本发明的行波测距装置由故障判断低速采集、行波高速采集、GPS高精度时钟同步、高速采集触发、数据通讯、系统电源等部分构成。其信号采集包括采集线路相电压、线路A、B、C三相的电压电流信号以及零相的电压电流信号。通过低速相电压采集电路采集相电压，触发电路通过相电压的相对跌落来判断线路发生故障，一旦发现故障则产生高速采集触发脉冲使能高速采集，确保在行波到来之前使高速采集板进入高速采集，完整的将行波捕捉到。通道1到4采集到的行波的电压电流数据，传送到高速行波信号采集电路，电路采用了美国模拟器件半导体公司的高速14位模拟数字转换芯片AD9240，单通道采样速率设置在1MHz，两回路8通道同步采集，每次采样单通道产生2字节数据。每秒1M*2*8＝16M字节的数据。

上述行波测距装置的软件实现方式为，主控制器初始化后进入协议处理，同时故障诊断部分进入工作，故障诊断触发后，FPGA进入高速采集状态，数据进入高速缓存，同时主控制器从GPS读取触发时钟，等待高速采集完成，高速采集完成后，主控制器从高速缓存读取行波数据存入存储器中，重新初始化故障判断电路，进入下一次故障行波采集，主控制器根据主站的指令，将行波数据上传到主站运算。

其中行波高速采集设计包括四部分：前端调理电路、高速模数转换电路、时钟同步与触发电路、故障判断电路。

如图3所示，高速行波信号采集电路采用阻抗变换电路、低通滤波器、增益调整等几部分构成的前端调理电路采集PT CT等传感器输出的是正负信号，由于行波的频率范围较宽，分布在5k～100k，所以信号变换电路需要良好的动态响应和频率特性，本设计采用德州仪器TI的高速运放OPA2604构成的信号前端处理电路，OPA2604的增益带宽积高达20M，能够满足行波测距要求。

高速行波信号采集电路的高速模数转换器中，考虑到过低的采样速率不能很好的反映行波信息，影响测距精度，而过高的采样速率在多通道采集时产生的数据量较大，处理和传输都是问题，同时系统的时钟同步精度目前只能能做到1us，所以高速模数转换器采用高速14位模拟数字转换芯片AD9240，单通道采样速率设置在1MHz，两回路8通道同步采集，每次采样单通道产生2字节数据，达到每秒处理16M字节的数据。

如图4所示，GPS同步时钟采用了GPS接收机来实现行波测距装置的同步采集，由GPS接收机产生的高精度PPS秒脉冲对本地恒温晶振产生的时钟进行校准，通过GPS接收机的PPS时钟脉冲和系统配置的温度补偿晶振时钟通过锁相环倍频共同构成ADC采集触发脉冲，确保同步采集，提高故障距离测算精度。故障电路产生故障使能后，ADC触发时钟有效，同时主控制器读取通过232从GPS接收机读取触发时刻的当前时间，然后读取触发时钟与标准PPS脉冲的相位时间差，从而准确的获取到触发后第1个触发脉冲的准确时间。通过GPS的同步触发电路，能够实现1us的精度，相当于300米的距离，受限于时钟精度，目前能够达到的测距精度为300米。

如图5所示，触发电路通过相电压的相对跌落来判断线路发生故障，由于发生故障到行波的到来时间非常短，所以必须通过算法来实时的判断故障发生，本装置设计了低速相电压采集电路，其完全独立工作，采样速率为2K，实时读取数据判断故障，门限电压可以通过主站设置。故障检测电路分析采集的数据，实时算法分析数据，一旦发现故障则产生高速采集触发脉冲使能高速采集，确保在行波到来之前使高速采集板进入高速采集，完整的将行波捕捉到。

参见图2，本装置采用16位32M的SDRAM存储器作为高速缓存用来暂时存储行波数据，高速采集过程结束后，再将行波缓存数据搬运到非易失性存储器中，足够8通道300ms的采样数据存储，保证每个通道能存储12个以上周波

参见图2，在故障发生后，主控制器读取缓存中的数据，根据设置将数据存储到SD卡存储器中，同时主控制器在收到主站的命令后将数据通过以太网或者是DTU上传到主站，主站也可以根据要求调用历史数据。行波测距装置与主站的通讯遵循101规约。

如图6所示，由于系统采用涉及到高精度高速数据采集模拟电路，所以本系统抛弃了开关电源的思路，采用了模拟线性电源，考虑到多通道高速采集ADC和高速运放的功耗比较大，系统电源设计功率为15W。考虑到PT CT传感器输出的信号为正负信号，所以前端调理电路需要正负电源供电，因此变压器设计了三抽头线圈，由此产生正负15V供运放等调理电路使用，另外主抽头产生正5V的电源作为系统供电。

综上所述，装置可实现行波数据采集、行波数据上送、接收并执行转发遥控及复归指令、应答主站召测命令。可实现故障发生并确认停电后，数据才上送，对于未停电的触发录波，遥信告知主站，由主站确定是否上送遥测要求。装置能定时上送三相电流电压有效值。支持IEC608-70-5-101通信规约，在严格遵守上述规约的基础上，终端设备接入配电自动化主站后，必须满足主站系统需求。

本发明不局限与上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种中压配电网的故障行波采集装置，其特征在于：所述的故障行波采集装置设置在中压配电网的行波信号采集点，其包括低速相电压采集电路、触发电路、FPGA控制器、高速行波信号采集电路、高速缓存存储器、主控制器和数据存储器；

所述低速相电压采集电路以2kHz的采样速率采集中压配电网行波信号采集点所在位置的相电压；

所述触发电路预设有门限电压，其将该门限电压与低速相电压采集电路采集到相电压实时进行对比，在所述相电压低于门限电压时判定中压配电网产生故障并产生故障使能信号；

所述FPGA控制器在接收到触发电路产生的故障使能信号时，输出高速采样触发脉冲控制所述高速行波信号采集电路以1MHz的采样速率采集中压配电网行波信号采集点所在位置的电流电压信号，并将高速行波信号采集电路采集到的电流电压信号存储到高速缓存存储器中；

所述主控制器通过FPGA控制器读取存储在高速缓存存储器中的电流电压信号数据并保存到数据存储器中。

2.根据权利要求1所述的故障行波采集装置，其特征在于：所述的故障行波采集装置还包括GPS同步时钟；所述FPGA控制器在接收到触发电路产生的故障使能信号时控制GPS同步时钟记录下该时刻的GPS时间，所述主控制器从该GPS同步时钟读取该GPS时间并与所述电流电压信号数据一起保存到数据存储器中。

3.根据权利要求2所述的故障行波采集装置，其特征在于：所述的主控制器通过千兆级以太网或者DTU设备连接主站，所述主控制器在接收到主站的相应指令后将保存在数据存储器中的电流电压信号数据发送给主站，或者，强制所述触发电路产生故障使能信号，或者，修改所述触发电路预设的门限电压。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的故障行波采集装置，其特征在于：所述高速行波信号采集电路具有分别用于采集中压配电网A、B、C三相和零线的电流电压信号的4路信号采集通道，每一路信号采集通过均设有电压互感器(PT)、电流互感器(CT)、阻抗变换模块、低通滤波模块、增益变换模块和高速模数转换器，所述电压互感器(PT)和电流互感器(CT)均安装在中压配电网行波信号采集点所在位置，所述高速模数转换器在接收到所述FPGA控制器输出的高速采样触发脉冲时，通过阻抗变换模块、低通滤波模块和增益变换模块接收电流互感器(CT)和电压互感器(PT)采集到的电流电压信号，并以2kHz的采样速率转换成数字信号发给所述FPGA控制器。

5.根据权利要求4所述的故障行波采集装置，其特征在于：所述的故障行波采集装置增设有一个所述高速行波信号采集电路。

6.一种应用权利要求2至5所述故障行波采集装置的故障行波采集系统，其特征在于：所述的故障行波采集系统包括主站和多个权利要求2至5所述故障行波采集装置；所述各个故障行波采集装置分别设置在中压配电网的不同采集点，各个故障行波采集装置的GPS同步时钟时间同步，所述主站接收各个故障行波采集装置采集到的电流电压信号数据。