CN105259470A - 一种基于光学电流互感器的故障测距系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光学电流互感器的故障测距系统和方法，该系统包括在两变电站内均设置依次连接的光学电流互感器、行波测距装置、交换机和时钟采集装置，各光学电流互感器均包括通过第一光缆相互连接的光学电流互感器敏感单元和光学电流互感器采集单元，各光学电流互感器敏感单元分别设置在输电线的两端，各光学电流互感器采集单元的行波信号输出端通过第二光缆连接同一变电站内的行波测距装置的输入端，故障测距系统还包括数据处理主站，两变电站的各行波测距装置的输出端均通过第三光缆输入至数据处理主站。本发明系统较大程度降低测距误差，提高其可靠性和精度，并符合智能变电站的行波测距要求。

Description

一种基于光学电流互感器的故障测距系统和方法

技术领域

本发明涉及一种输电网故障测距技术领域，特别是一种基于光学电流互感器的故障测距系统和方法。

背景技术

输电网故障的快速、可靠检测是实现智能电网安全可靠运行的主要功能之一，目前在我国110kV及以上电网中，中性点直接接地的变电站中广泛采用了输电线路故障测距系统，大多数是基于电磁式互感器来采集故障行波信号，使用硬电缆的方式将电磁式互感器输出的模拟量接入行波测距装置。当采集量增加和采集量改变时，相应的采集线路和接线必须加以调整，这增大了运行人员的工作量和系统出错的几率，己经无法满足数字化变电站的需求。

此外，实际运行结果表明，电磁式互感器在测距可靠性、精度以及系统优化应用方面，还存在诸多问题：因传感带宽受限，存在磁饱和、动态测量精度差，在电网故障时不能正确传变一次电流，原始故障波形信息不准确，导致测距系统测距结果的离散性很大，可以在数公里范围波动；有的变电站使用传统的通信手段，例如音频拨号，这种模式存在占用通道、专线利用率低、通信不稳定、时效性不好等问题；缺乏对智能变电站IEC61850协议的支持。

发明内容

本发明针对现有的输电线路故障测距系统采用电磁式互感器导致测距可靠性差、精度低无法满足数字化变电站的需求等问题，提供一种基于光学电流互感器的故障测距系统，采用光学电流互感器实现高保真行波采集，使用光缆的方式将数字信号传输至行波测距装置，较大程度降低测距误差，提高其可靠性和精度，并符合智能变电站的行波测距要求。本发明还涉及一种基于光学电流互感器的故障测距方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于光学电流互感器的故障测距系统，用于测定两变电站之间的输电线中的故障点的位置，其特征在于，包括在两变电站内均设置依次连接的光学电流互感器、行波测距装置、交换机和时钟采集装置，所述各光学电流互感器均包括通过第一光缆相互连接的光学电流互感器敏感单元和光学电流互感器采集单元，所述各光学电流互感器敏感单元分别设置在输电线的两端，所述各光学电流互感器采集单元的行波信号输出端通过第二光缆连接同一变电站内的行波测距装置的输入端，所述故障测距系统还包括数据处理主站，两变电站的各行波测距装置的输出端均通过第三光缆输入至数据处理主站。

所述输电线为三相输电线，所述三相输电线的两端均设置三个光学电流互感器，各变电站内的三个光学电流互感器敏感单元分别设置在三相输电线的三相端，各变电站内的三个光学电流互感器采集单元的行波信号输出端均连接同一变电站内的行波测距装置的输入端。

所述光学电流互感器为全光纤电流互感器，所述光学电流互感器敏感单元包括传感光纤环，输电线端穿过所述传感光纤环的内部。

所述各光学电流互感器均为全光纤电流互感器，所述各光学电流互感器敏感单元均包括传感光纤环，各变电站内的三相输电线端对应穿过三个传感光纤环的内部。

所述光学电流互感器选择采样频率为200KHz～2MHz的光学电流互感器。

所述光学电流互感器的采样频率为500KHz或1MHz。

一种基于光学电流互感器的故障测距方法，用于测定两变电站之间的输电线中的故障点的位置，其特征在于，在输电线两端的各变电站均通过光学电流互感器采集输电线上的电流行波信息，并且各变电站均采用行波测距装置，在各变电站均采集时间信息后通过各自的行波测距装置向各自的光学电流互感器发送同步时钟，各光学电流互感器将采集的电流行波信息传给各自的行波测距装置，各行波测距装置输出带有时间戳的电流行波数据并统一发送至数据处理主站进行数据处理，由数据处理主站获取故障行波数据并计算故障距离，完成故障点的定位。

各光学电流互感器通过内部的光学电流互感器敏感单元对输电线上高频电流信号进行感应，基于法拉第磁光效应产生相位差，再由光学电流互感器内部的光学电流互感器采集单元采集携带相位信息的光并转化成电流行波信息输出；各变电站均通过连接天线的时间采集装置采集时间信息并送到交换机，各行波测距装置从交换机获取到时间信息后向光学电流互感器采集单元发送同步时钟，各光学电流互感器采集单元将电流行波信息传给各自的行波测距装置。

当输电线为三相输电线时，在三相输电线的两端均设置三个光学电流互感器，将各变电站内的三个光学电流互感器敏感单元分别设置在三相输电线的三相端，各变电站内的三个光学电流互感器采集单元均输出电流行波信息至各自变电站内的行波测距装置。

光学电流互感器将电流行波信息按照IEC61850协议传给各自的行波测距装置；

和/或，数据处理主站将获取到的电流变化率大的片段作为故障行波数据。

本发明的技术效果如下：

本发明提供的基于光学电流互感器的故障测距系统，在两变电站内均设置依次连接的光学电流互感器、行波测距装置、交换机和时钟采集装置，还包括设置在两变电站之间的数据处理主站，各部件配合工作，每个变电站中的光学电流互感器敏感单元对输电线上高频电流信号进行感应，基于法拉第磁光效应并配合光学电流互感器采集单元最终输出电流行波信号，采用具有高带宽特性的光学电流互感器能够实现高保真电流行波信号采集，光学电流互感器采集单元通过光缆与行波测距装置相连以进行两部件的双向信号传输，时间采集装置将时间信息送到交换机，行波测距装置从交换机获取到时间信息，从而给光学电流互感器采集单元发送同步时钟，光学电流互感器采集单元将采集的电流行波信息传输给行波测距装置，两变电站的行波测距装置输出带有时间戳的电流行波数据并通过光缆发送至数据处理主站进行简单方便的数据处理，获取故障行波数据并计算故障距离，完成故障点的定位。采用光学电流互感器进行故障测距避免了传统的输电线路故障测距系统采用电磁式互感器由于其性质导致的测距可靠性差、精度低无法满足数字化变电站的需求等问题，光学电路互感器实现高保真电流行波信号采集，使用光缆的方式能够提高通讯效率，本发明结构简单容易实现，准备方便地进行输电线故障测距，可以使得行波测距的误差相对于传统行波测距系统误差有较大程度降低，提高了其可靠性和测距精度，并符合智能变电站的行波测距要求。

本发明提供的基于光学电流互感器的故障测距方法，与上述基于光学电流互感器的故障测距系统向对应，可以理解为是实现该故障测距系统的方法，该方法通过在在输电线两端的各变电站均通过光学电流互感器采集输电线上的电流行波信息，配合各变电站均采用行波测距装置且最终各行波测距装置输出带有时间戳的电流行波数据，各变电站带有时间戳的电流行波数据统一发送至一数据处理主站进行数据处理，由数据处理主站获取故障行波数据并计算故障距离，完成故障点的定位，避免了现有技术的弊端，通过光学电路互感器实现高保真电流行波信号采集，降低行波测距的误差，准备方便地进行输电线故障测距。

附图说明

图1为本发明基于光学电流互感器的故障测距系统的结构示意图。

图中各标号列示如下：

1－输电线；2－故障点；3－光学电流互感器敏感单元；41－第一光缆；42－第二光缆；43－第三光缆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

本发明涉及一种基于光学电流互感器的故障测距系统，某一条输电线1连接变电站I和变电站II，该故障测距系统用于测定两变电站之间的输电线1中的故障点2的位置，其结构如图1所示，包括在两变电站(变电站I和变电站II)内均设置依次连接的光学电流互感器、行波测距装置、交换机和时钟采集装置，还包括设置在变电站I和变电站II之间的数据处理主站。两变电站的光学电流互感器均包括通过第一光缆41相互连接的光学电流互感器敏感单元3和光学电流互感器采集单元，两光学电流互感器敏感单元3设置在输电线的两端(S端和R端)，各光学电流互感器采集单元的行波信号输出端通过第二光缆42连接同一变电站内的行波测距装置的输入端，时钟采集装置通过交换机连接行波测距装置的输入端，两变电站的各行波测距装置的输出端均通过第三光缆43输入至数据处理主站。

光学电流互感器可以是全光纤电流互感器或其它类型的光学电流互感器，如图1所示实施例的光学电流互感器为全光纤电流互感器，该光学电流互感器敏感单元包括拨片、传感光纤环和反射镜，输电线1的S端和R端分别穿过传感光纤环的内部，光学电流互感器采集单元包括光源、分光器、相位调制器、光电探测器、A/D转换电路以及数字信号处理电路等组件，光学电流互感器敏感单元受法拉第磁光效应作用产生相位差，光学电流互感器采集单元采集携带相位信息的光并转化成电流行波信息按照IEC61850协议传给行波测距装置，即具有高带宽特性的光学电流互感器接入行波测距装置并使得该光学电流互感器的输出符合IEC61850协议，进一步实现高保真行波采集。变电站I在输电线S端安装了光学电流互感器敏感单元S，变电站II在输电线R端安装了光学电流互感器敏感单元R，光学电流互感器敏感单元S和光学电流互感器敏感单元R即为光学电流互感器敏感单元3。在变电站I内，时间采集装置S连接天线S，将时间信息送到交换机S，行波测距装置S从交换机S获取到时间信息，从而给光学电流互感器采集单元S发送同步时钟，光学电流互感器采集单元S将采集到的电流行波信息按照IEC61850协议传给行波测距装置S，行波测距装置S输出带有时间戳的电流行波信息。同理，变电站II内，时间采集装置R连接天线R，将时间信息送到交换机R，行波测距装置R从交换机R获取到时间信息，从而给光学电流互感器采集单元R发送同步时钟，光学电流互感器采集单元R将采集到的电流行波信息按照IEC61850协议传给行波测距装置R，行波测距装置R输出带有时间戳的电流行波信息。两个变电站的行波测距装置将带有时间戳的电流行波数据记录、暂存并发送到数据处理主站进行数据处理，数据处理主站读取故障电流行波数据，可以自动或由操作人员在计算机辅助下分析故障行波数据，获取到的电流变化率大的片段即为故障行波数据，计算故障距离，保存故障记录并对系统进行配置、管理与维护。

输电线1的线路长度为L，输电线1出现故障点2时，故障产生的初始行波波头到达两侧母线的时间分别为T_S和T_R，如图1所示。分别安装于两个变电站的行波测距装置S和行波测距装置R记录下故障行波波头到达母线两侧的时间，则故障点2到母线(即输电线1)S端及R端的距离X_S、X_R分别为

X_S＝[(T_S-T_R)·v+L]/2(1)

X_R＝[(T_R-T_S)·v+L]/2(2)

其中ν是行波在输电线1上的波速度，与光速接近。

图1所示实施例中在各变电站中设置一个光学电流互感器，此处的输电线1可以理解为是单相输电线，也可以理解为是三相输电线中的一根输电线。当输电网应用中，输电线通常为三相输电线，具有a、b、c三相端，在三相输电线的两端均设置三个光学电流互感器，各变电站内的三个光学电流互感器敏感单元分别设置在三相输电线的三相端，当各光学电流互感器均为全光纤电流互感器时，各光学电流互感器敏感单元均包括传感光纤环，各变电站内的三相输电线端一对一的对应穿过三个传感光纤环的内部，各变电站内的三个光学电流互感器采集单元的行波信号输出端均连接同一变电站内的行波测距装置的输入端，最终两变电站的行波测距装置输出至数据处理主站，数据处理主站收到三相输电线的三对电流行波数据，获取电流变化率大的片段作为故障行波数据，计算故障距离，实现输电线上的故障点的定位。

行波测距误差从测距系统的处理过程来分析，是指从一个模拟的故障行波，到转变为最终的带时标的数字量这一过程产生的累积误差。它包含了光学电流互感器敏感单元信号传变的误差、光学电流互感器采集单元的时间误差(如A/D转换的时间误差、数字信号处理的时间误差)、数据传播延迟抖动等。其中A/D转换的时间误差、数字信号处理的时间误差、数据传播延迟抖动等误差可以通过选择高速芯片处理将误差降到极小范围，但光学电流互感器敏感单元信号传变的误差主要受限于光学电流互感器的带宽范围和一致性。行波带宽能达到100KHz，要使得行波采样波形不失真，根据采样定理，光学电流互感器敏感单元的采样频率要达到200KHz以上，为了保证信噪比，通常还要比200KHz更高，如选择500KHz以上的采样频率。即行波测距用光学电流互感器的带宽最好能达到500KHz以上，从而使得Δ(T_SYS)误差降到可接受范围。而电磁式互感器的带宽通常只有几KHz，无法满足以上要求。行波测距的误差主要来源于对时误差和互感器传变特性导致的误差。

时钟采集装置通常是GPS时钟装置，GPS的对时误差小于1us，此项带来的测距误差约150m。如果使用对时精度更高的IEEE1588高精度时间同步方式，对时误差达到ns级，可将此项误差降低到几十米。

本发明光学电流互感器采样频率范围为200KHz～2MHz，优选地，光学电流互感器的采样频率要大于200KHz，建议在500KHz以上。500KHz采样率的测距系统误差为300m，加上之前的对时带来的150m误差和其它项，测距误差不超过500m。如果选择光学电流互感器的采样频率为1MHz，则总的测距误差约300m。光学电流互感器的采样频率越高，后端电路处理的压力也越大。因而需要综合考虑光学电流互感器的采样频率范围，光学电流互感器较适用的采样频率范围为500KHz～2MHz。本发明基于光学电流互感器的故障测距系统误差为几百米，而传统的采用电磁式互感器的行波测距系统误差通常是几公里，故本发明可以使得行波测距的误差相对于传统行波测距系统误差有较大降低。本发明的基于光学电流互感器的故障测距系统符合智能变电站的行波测距要求。

本发明的光学电流互感器采集单元，对于高速采样的数据，按照IEC61850协议发送时，可将N(优选N≥10)个数据组成一帧，则发送数据帧的频率为f/N，发送数据包给行波测距装置，使用此种方式可降低光学电流互感器与行波测距装置的通信速率压力。光学电流互感器采集单元也可以共用帧头及其它公共数据，可提高通讯效率。

本发明还涉及一种基于光学电流互感器的故障测距方法，该方法与上述本发明基于光学电流互感器的故障测距系统相对应，可以理解为是实现基于光学电流互感器的故障测距系统的方法，该方法是在输电线两端的各变电站均通过光学电流互感器采集输电线上的电流行波信息，并且各变电站均采用行波测距装置，在各变电站均采集时间信息后通过各自的行波测距装置向各自的光学电流互感器发送同步时钟，各光学电流互感器将采集的电流行波信息传给各自的行波测距装置，各行波测距装置输出带有时间戳的电流行波数据并统一发送至数据处理主站进行数据处理，由数据处理主站获取故障行波数据并计算故障距离，完成故障点的定位，实现了两变电站之间的输电线中的故障点的位置的测定。

优选地，该方法采用的光学电流互感器均包括通过第一光缆相互连接的光学电流互感器敏感单元和光学电流互感器采集单元，可参考图1，各光学电流互感器通过内部的光学电流互感器敏感单元对输电线上高频电流信号进行感应，基于法拉第磁光效应产生相位差，再由光学电流互感器内部的光学电流互感器采集单元采集携带相位信息的光并转化成电流行波信息输出；各变电站均通过连接天线的时间采集装置采集时间信息并送到交换机，各行波测距装置从交换机获取到时间信息后向光学电流互感器采集单元发送同步时钟，各光学电流互感器采集单元将电流行波信息按照IEC61850协议通过光缆传给各自的行波测距装置。各行波测距装置输出带有时间戳的电流行波数据通过光缆统一发送至数据处理主站进行数据处理，数据处理主站将获取到的电流变化率大的片段作为故障行波数据，并根据上述公式(1)(2)计算故障距离，完成故障点的定位。

当输电线为三相输电线时，在三相输电线的两端均设置三个光学电流互感器，将各变电站内的三个光学电流互感器敏感单元分别设置在三相输电线的三相端，各变电站内的三个光学电流互感器采集单元均输出行波信号至各自变电站内的行波测距装置。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种基于光学电流互感器的故障测距系统，用于测定两变电站之间的输电线中的故障点的位置，其特征在于，包括在两变电站内均设置依次连接的光学电流互感器、行波测距装置、交换机和时钟采集装置，所述各光学电流互感器均包括通过第一光缆相互连接的光学电流互感器敏感单元和光学电流互感器采集单元，所述各光学电流互感器敏感单元分别设置在输电线的两端，所述各光学电流互感器采集单元的行波信号输出端通过第二光缆连接同一变电站内的行波测距装置的输入端，所述故障测距系统还包括数据处理主站，两变电站的各行波测距装置的输出端均通过第三光缆输入至数据处理主站。

2.根据权利要求1所述的故障测距系统，其特征在于，所述输电线为三相输电线，所述三相输电线的两端均设置三个光学电流互感器，各变电站内的三个光学电流互感器敏感单元分别设置在三相输电线的三相端，各变电站内的三个光学电流互感器采集单元的行波信号输出端均连接同一变电站内的行波测距装置的输入端。

3.根据权利要求1所述的故障测距系统，其特征在于，所述光学电流互感器为全光纤电流互感器，所述光学电流互感器敏感单元包括传感光纤环，输电线端穿过所述传感光纤环的内部。

4.根据权利要求2所述的故障测距系统，其特征在于，所述各光学电流互感器均为全光纤电流互感器，所述各光学电流互感器敏感单元均包括传感光纤环，各变电站内的三相输电线端对应穿过三个传感光纤环的内部。

5.根据权利要求1至3之一所述的故障测距系统，其特征在于，所述光学电流互感器选择采样频率为200KHz～2MHz的光学电流互感器。

6.根据权利要求5所述的故障测距系统，其特征在于，所述光学电流互感器的采样频率为500KHz或1MHz。

7.一种基于光学电流互感器的故障测距方法，用于测定两变电站之间的输电线中的故障点的位置，其特征在于，在输电线两端的各变电站均通过光学电流互感器采集输电线上的电流行波信息，并且各变电站均采用行波测距装置，在各变电站均采集时间信息后通过各自的行波测距装置向各自的光学电流互感器发送同步时钟，各光学电流互感器将采集的电流行波信息传给各自的行波测距装置，各行波测距装置输出带有时间戳的电流行波数据并统一发送至数据处理主站进行数据处理，由数据处理主站获取故障行波数据并计算故障距离，完成故障点的定位。

8.根据权利要求7所述的光学电流互感器的故障测距方法，其特征在于，各光学电流互感器通过内部的光学电流互感器敏感单元对输电线上高频电流信号进行感应，基于法拉第磁光效应产生相位差，再由光学电流互感器内部的光学电流互感器采集单元采集携带相位信息的光并转化成电流行波信息输出；各变电站均通过连接天线的时间采集装置采集时间信息并送到交换机，各行波测距装置从交换机获取到时间信息后向光学电流互感器采集单元发送同步时钟，各光学电流互感器采集单元将电流行波信息传给各自的行波测距装置。

9.根据权利要求7或8所述的光学电流互感器的故障测距方法，其特征在于，当输电线为三相输电线时，在三相输电线的两端均设置三个光学电流互感器，将各变电站内的三个光学电流互感器敏感单元分别设置在三相输电线的三相端，各变电站内的三个光学电流互感器采集单元均输出电流行波信息至各自变电站内的行波测距装置。

10.根据权利要求7或8所述的光学电流互感器的故障测距方法，其特征在于，光学电流互感器将电流行波信息按照IEC61850协议传给各自的行波测距装置；

和/或，数据处理主站将获取到的电流变化率大的片段作为故障行波数据。