CN106093700B - 一种基于电压行波原理的故障录波装置及测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电压行波原理的故障录波装置及测距方法，基于电压行波原理的故障录波装置结构为：录波判据单元、行波单元、时间同步单元、管理单元均安装在录波器模拟机箱内，管理单元分别与行波单元、录波判据单元相连，录波判据单元负责判断录波启动以及各类特征参数的计算；行波单元负责软硬件结合判定行波波头到来时间；时间同步单元接入所需时间模块，为装置提供可靠精准的系统时间；管理单元负责装置的通信管理、录波管理、综合判据管理和系统任务管理。本发明通过在故障录波装置中集成母线电压行波的方法，提高故障录波器中输电线路故障点定位的准确度，可以大大缩短故障查线和故障修复时间。

Description

一种基于电压行波原理的故障录波装置及测距方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护故障录波测距技术领域，具体涉及一种基于电压行波原理的故障录波装置及测距方法。

背景技术

高压输电线路，输电走廊复杂，容易发生故障。尤其是超高压输电线路输送距离长，暴露在旷野，且多为山区丘陵地形，是高压输电网中故障发生率最高的地方。输电线路故障对系统的安全运行构成较大威胁，也给线路运行维护人员带来了繁重的查找故障点的负担。故障点的快速、准确定位，可以大大缩短故障修复的时间，减少因停电造成的损失，提高系统运行的可靠性，具有重大的社会和经济效益。

目前电力系统中的故障录波装置都具有故障测距功能，且通常采用阻抗原理实现。从原理上看，行波测距与阻抗类算法相比几乎不受过渡电阻和线路不对称等因素的影响，精度优于阻抗法；但行波法存在反射波识别问题，且在近区还存在无法识别反射波区域，而近端恰好是阻抗法测距较准确的区段，而现阶段市面上存在行波测距装置均采用电流行波测距装置，接入电流通道较多，无法与录波装置有效结合。

CN201310059206公开了一种采用行波测距算法的故障录波器，包括电压变送器，电流变送器，录波接入单元，故障录波单元，行波测距单元和CPU插件；电压变送器将电力系统中输入的电压信号转化成模拟电压信号；电流变送器将电力系统中输入的电流号转化成两路模拟电流信号；录波接入单元将模拟电压信号和模拟电流信号分别转化成数字电压信号和数字电流信号等；故障录波单元对数字电压信号、数字电流信号进行采样等；所述行波测距单元对模拟电流信号A/D转换成高速数字电流信号等，CPU插件接收行波数据和录波数据，并根据行波数据和录波数据计算出故障位置。

CN201310059206采用电流信号进行行波算法分析，行波插件最大接入15路电流信号，而对一个常见的双母线接线的变电站而言，满配情况下电流通道有至少有64路左右，因此该公开技术无法满足配置要求，当故障线路为未配置行波通道的(64-15)路之一时，行波插件未起到相应作用，局限性较大。

CN201310059206行波采样率为1M，已不能满足当前标准要求(国标要求行波测距采样率不小于2M)，同时受硬件平台性能以及内置交换机通信速率的限制(2M采用率下，15通道电流行波数据流量为480Mb，远大于交换机流量限制)。

发明内容

本发明的目的为了克服上述现有技术不足，提供一种一种基于电压行波原理的故障录波装置及测距方法，在故障录波装置中采用母线电压行波分析法集成行波测距装置的功能，并综合分析行波测距装置和录波装置的测距结果，得出最优的测距输出，提高输电线路故障点定位的准确性和精度，缩短故障查线和故障修复时间，以克服现有技术中存在的不足。本发明不仅可以正确分析和确定事故原因，研究有效的防止措施，而且通过与行波测距相结合，实现了准确性更高的故障点定位功能，对提高变电站基础理论研究水平、保障变电站可靠运行具有重要意义。

本发明所要解上述技术问题的技术方案如下：

一种基于电压行波原理的故障录波装置，包括录波判据单元、行波单元、时间同步单元、管理单元，其特征在于：录波判据单元、行波单元、时间同步单元、管理单元均安装在故障录波装置内，管理单元分别与行波单元、录波判据单元进行数据交互，录波判据单元负责判断录波启动以及各类特征参数的计算；行波单元负责判定行波波头到来时间以及行波波形的存储；时间同步单元接入所需时间模块，为装置提供可靠精准的系统时间；管理单元负责装置的通信管理、录波管理、综合测距管理和系统任务管理。

所述的行波单元包括FPGA硬件波头检测、行波CPU、A/D转换电路、硬件波头调理电路、电压互感器、存储插件；电压互感器接入的母线电压信号分别与A/D转换电路、硬件波头调理电路相连，FPGA硬件波头检测分别与行波CPU、A/D转换电路、硬件波头调理电路相连，FPGA硬件波头监测接收时间同步信号，行波CPU与管理单元交互信息；其中FPGA硬件波头检测对电压行波信号进行有源带宽滤波，并经硬件波头调理电路的微分电路、正负变化率比较器、正负峰值比较器进行调理，结合大规模FPGA进行波头和极性检测；行波CPU接收经FPGA硬件波头检测处理的信号，根据波头检测结果进行深度小波分析，并连接存储插件进行波形存储。该部分结合FPGA硬件波头检测以及软件小波换算进行综合的行波波头判断，FPGA硬件波头检测时间分辨率较高，可弥补软件小波算法带来的时间误差，进一步提高测距精度，同时在FPGA硬件波头检测未检测到波头期间进行波形管理相关处理(绝大部分时间都没有行波波头)，解决了因为CPU性能瓶颈带来的成本问题，选用低性能CPU，降低装置生产成本。

所述的时间同步单元由泰斗模块和时钟同步单片机组成，泰斗模块和时钟同步单片机相连，泰斗模块实时接收天线信号，解析泰斗模块输出的串口报文以及PPS信号，提取出时间信息，为整个装置进行时间同步管理；同时该单元可以接受站内时间同步装 置输出的对时信号，作为辅助时间同步管理输入。时间同步单元有如下优点：可自动补偿泰斗模块产生的精度偏差，正常情况外部时间同步装置输出信号精度为1us，而通过装置内自动集成该模块，自动补偿精度偏差，可将信号精度提升到500ns以内，按行波速度为3*10⁸m/s速率计算，测距精度将直接由300米提升到150米，更有利现场故障点定位。

所述的录波判据单元包括FPGA、AD采样单元、录波判据CPU、信号调理电路，其中信号调理电路进行信号的低通滤波处理以及硬件测频，AD采样单元对故障录波模拟信号、数字开关信号进行AD采样，通过PCIE高速总线输出至录波判据CPU，录波判据CPU对信号进行数据分析，数据分析包括突变量启动判断、有效值、谐波值和序量值启动分析等，并将判据结果发送至管理单元。

管理CPU单元包括管理CPU、液晶显示屏、键盘鼠标接口、打印机接口、网口、USB口、串口、存储插件，管理CPU接收录波判断CPU、行波CPU发过来的录波判据启动信息、行波启动信息、实时波形信息，进行录波存储以及故障测距综合判据分析，同时通过液晶显示、键盘鼠标外设进行人机交互以及对外通信，存储插件存储管理CPU产生的波形数据、告警数据和日志数据等。

本发明的基于电压行波原理的故障录波装置的测距方法，其特征在于按以下步骤进行：

(1)行波单元进行母线电压硬件波头检测，如果检测到硬件波头，进行软件小波算法深度分析判断；

(2)如果软件小波算法检测到波头信息，认为有行波波形产生；若未检测到波头信息，则认为是小波滤波算法本身产生的干扰，跳过；

(3)由于波头的反射，折射性质，可能检测到N个波头，把每个波头的时间、N-1个可能的测距结果传递给管理单元；

(4)录波判据单元根据数据进行故障启动、正反向故障判别、故障选相、以及单端故障测距处理，把故障测距信息以及跳闸和合闸的时间信息反馈给管理单元。

(5)管理单元根据行波波头信息、录波判据单元测距信息进行综合判断分析，具体有以下几种情况：

(a)情况一相近时间内无行波波头信息且无故障录波信息，认为无故障；

(b)情况二相近时间内无行波波头信息，但有故障录波信息，认为是母线近端故障，以阻抗法判据为最终结果输出；

(c)情况三相近时间内有行波波形信息，但波头只有1个，且有故障录波信息，认为是对侧远距离母线反射造成的行波衰减，是母线近端故障，以阻抗法判据为最终结果输出。

(d)情况四相近时间内有有效的行波信息，但无故障录波信息，则认为是雷击等干扰导致行波启动，认为无故障；

(e)情况五相近时间内有有效的行波信息，有故障录波信息，则根据上述N-1个行波测距结果与故障录波阻抗法测距结果进行数据比对，将最相近的行波测距信息作为测距结果输出。

(f)情况六若上述情况五中所有行波测距数据与故障录波阻抗法测距结果相差极大，则认为是母线上出线过多，行波入射衰减过大造成波头不稳定的影响，以故障录波阻抗法测距结果输出。

本发明在故障录波装置中采用电压行波原理进行测距，将具备以下有益效果：

本发明进一步的完善故障录波装置的功能，使得故障录波装置从故障后的事故分析转向为故障中的精确分析，同时，对变电站内的母线电压信号的高频采样，可以帮助分析整个区域电网的电压变化细节。既能提取高频信号用于测距，也可研究故障时电压的变化过程，准确的把握住电压的暂态变化过程，对信号的获取以及电磁波的研究实际应用有很重大的意义。

本发明改变传统输电线路以阻抗法和电流行波进行故障定位的方式，直接由PT二次回路获取母线电压行波信号。且不受出线数量限制，可实现站内相关的整个电网的故障定位。不同变电站的设备可互补测量，并互相通讯，智能化，可靠度比电流行波高。使得电力系统二次设备由分散往集中的方向发展，保证了设备运行功能的高效性，可靠性，为录波器的功能拓展与完善实现了很大的跨越。

本发明实现了故障录波和行波测距的融合，解决了基于传统故障录波无法获取到精确故障距离的难题，减少由行波测距不稳定性、录波器故障测距不准确性带来的人工干预工作量通过精确的故障定位，使得检修人员快速而又准确的发现故障位置，加快了巡线的效率，制定相应的检修计划。同时可以节约变电站站内电气屏柜的位置，节约了电气设备的安装空间，其社会与经济效益非常可观。

本发明基于电压行波理论，直接由PT二次回路获取母线电压行波信号，完全不受出线数量限制，只需接入母线电压(典型的双母线接线为6路电压通道)即可进行行 波判断分析，更具备现场实用性。本发明采用全新硬件平台，最大采样率为5M，完全满足行波标准要求。本公开技术内部集成时间同步接入单元，根据泰斗模块特性内部补偿时间精度，大幅度提高行波测距的准确性。

附图说明

图1为本发明的基于电压行波原理的故障录波装置硬件结构图；

图2为本发明的行波波头检测原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种基于电压行波原理的故障录波装置，包括录波判据单元、行波单元、时间同步单元、管理单元，其特征在于：录波判据单元、行波单元、时间同步单元、管理单元均安装在故障录波装置内，管理单元分别与行波单元、录波判据单元进行数据交互，录波判据单元负责判断录波启动以及各类特征参数的计算；行波单元负责判定行波波头到来时间以及行波波形的存储；时间同步单元接入所需时间模块，为装置提供可靠精准的系统时间；管理单元负责装置的通信管理、录波管理、综合测距管理和系统任务管理。

所述的行波单元包括FPGA硬件波头检测、行波CPU、A/D转换电路、硬件波头调理电路，电压互感器、存储插件；电压互感器接入的母线电压信号分别与A/D转换电路、硬件波头调理电路相连，FPGA硬件波头检测分别与行波CPU、A/D转换电路、硬件波头调理电路相连，FPGA硬件波头监测接收时间同步信号，行波CPU与管理单元交互信息；其中FPGA硬件波头检测对电压行波信号进行有源带宽滤波，并经硬件波头调理电路的微分电路、正负变化率比较器、正负峰值比较器进行调理，结合大规模FPGA进行波头和极性检测；行波CPU接收经FPGA硬件波头检测处理的信号，根据波头检测结果进行深度小波分析，并连接存储插件进行波形存储。该部分结合FPGA硬件波头检测以及软件小波换算进行综合的行波波头判断，FPGA硬件波头检测时间分辨率较高，可弥补软件小波算法带来的时间误差，进一步提高测距精度，同时在FPGA硬件波头检测未检测到波头期间进行波形管理相关处理(绝大部分时间都没有行波波头)，解决了因为CPU性能瓶颈带来的成本问题，选用低性能CPU，降低装置生产成本。

所述的时间同步单元由泰斗模块和时钟同步单片机组成，泰斗模块和时钟同步单片机相连，泰斗模块实时接收天线信号，解析泰斗模块输出的串口报文以及PPS信号，提 取出时间信息，为整个装置进行时间同步管理；同时该单元可以接受站内时间同步装置输出的对时信号，作为辅助时间同步管理输入。时间同步单元有如下优点：可自动补偿泰斗模块产生的精度偏差，正常情况外部时间同步装置输出信号精度为1us，而通过装置内自动集成该模块，自动补偿精度偏差，可将信号精度提升到500ns以内，按行波速度为3*10⁸m/s速率计算，测距精度将直接由300米提升到150米，更有利现场故障点定位。

所述的录波判据单元包括FPGA、AD采样单元、录波判据CPU、信号调理电路，其中信号调理电路进行信号的低通滤波处理以及硬件测频，AD采样单元对故障录波模拟信号、数字开关信号进行AD采样，通过PCIE高速总线输出至录波判据CPU，录波判据CPU对信号进行数据分析，数据分析包括突变量启动判断、有效值、谐波值和序量值启动分析等，并将判据结果发送至管理单元。

管理CPU单元包括管理CPU、液晶显示屏、键盘鼠标接口、打印机接口、网口、USB口、串口、存储插件，管理CPU接收录波判断CPU、行波CPU发过来的录波判据启动信息、行波启动信息、实时波形信息，进行录波存储以及故障测距综合判据分析，同时通过液晶显示、键盘鼠标外设进行人机交互以及对外通信，存储插件存储管理CPU产生的波形数据、告警数据和日志数据等。

主要硬件特性如下：

高6U，宽19英寸；液晶显示屏柜安装开孔尺寸为450mm×267mm(宽×高)；

液晶显示屏：分辨率不低于1024*768，颜色数不低于256K，尺寸不小于9寸16:9；

常规模拟量通道：16－64路(采样率10kHz)；

常规开关量通道：32－128路(采样率10kHz)；

行波测距通道：6路电压/电流(采样率最大支持5MHz)；

行波互感器支持电压/电流型，采用内置互感器；

对时接口：IRIG-B(DC)，1路，天线接口。

远传通信接口：RJ45×4，SFP×2(选配扩展)；

USB2.0接口：4路(键盘、鼠标、打印机、U盘，其中U盘接口引出到装置前面板，其他引出到装置后面板)；

SATA硬盘接口：1－4个(工程应用时按需配置)；

SD卡：1个；

告警开出：4路；

显示输出：装置背板1路(可引出到前面板接液晶屏)；

通信串口：1路(选配)；

按键：装置前面板引出1个；

各组件功能描述如下：

1)录波判据单元功能描述：

模块名	主要功能
		启动判据模块	负责暂态录波的启动判据
录波存储	负责暂态录波的原始数据存储

2)电压行波单元功能描述

模块名	主要功能
		主模块	负责电压行波的采集、波头识别，原始录波数据存储

3)管理单元功能描述

4)时间同步单元功能描述

模块名	主要功能
		泰斗解析模块	负责解析泰斗模块输出的串口报文信息以及PPS信息。
B码解析模块	负责解析外部时间同步信号输出的B码报文嘻嘻。

本发明的基于电压行波原理的故障录波装置的测距方法，如图2所示，本发明的基于电压行波原理的故障录波装置的测距方法，其特征在于按以下步骤进行：

(1)行波单元进行母线电压硬件波头检测，如果检测到硬件波头，进行软件小波算法深度分析判断；

(2)如果软件小波算法检测到波头信息，认为有行波波形产生；若未检测到波头信息，则认为是小波滤波算法本身产生的干扰，跳过；

(3)由于波头的反射，折射性质，可能检测到N个波头，把每个波头的时间、N-1个可能的测距结果传递给管理单元；

(4)录波判据单元根据数据进行故障启动、正反向故障判别、故障选相、以及单端故障测距处理，把故障测距信息以及跳闸和合闸的时间信息反馈给管理单元。

(5)管理单元根据行波波头信息、录波判据单元测距信息进行综合判断分析，具体有以下几种情况：

(a)情况一相近时间内无行波波头信息且无故障录波信息，认为无故障；

(b)情况二相近时间内无行波波头信息，但有故障录波信息，认为是母线近端故障，以阻抗法判据为最终结果输出；

(c)情况三相近时间内有行波波形信息，但波头只有1个，且有故障录波信息，认为是对侧远距离母线反射造成的行波衰减，是母线近端故障，以阻抗法判据为最终结果输出。

(d)情况四相近时间内有有效的行波信息，但无故障录波信息，则认为是雷击等干扰导致行波启动，认为无故障；

(e)情况五相近时间内有有效的行波信息，有故障录波信息，则根据上述N-1个行波测距结果与故障录波阻抗法测距结果进行数据比对，将最相近的行波测距信息作为测距结果输出。

(f)情况六若上述情况五中所有行波测距数据与故障录波阻抗法测距结果相差极大，则认为是母线上出线过多，行波入射衰减过大造成波头不稳定的影响，以故障录波阻抗法测距结果输出。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于电压行波原理的故障录波装置的测距方法，其特征在于按以下步骤进行：

（1）行波单元进行母线电压硬件波头检测，如果检测到硬件波头，进行软件小波算法深度分析判断；

（2）如果软件小波算法检测到波头信息，认为有行波波形产生；若未检测到波头信息，则认为是软件小波算法本身产生的干扰，跳过；

（3）由于波头的反射和折射性质，可能检测到N个行波波头，把每个行波波头的时间和N-1个可能的行波测距结果传递给管理单元；

（4）录波判据单元根据数据进行故障启动、正反向故障判别、故障选相以及单端故障测距处理，把故障测距信息以及跳闸和合闸的时间信息反馈给管理单元；

（5）管理单元根据行波波头信息和录波判据单元故障测距的信息进行综合判断分析，具体有以下几种情况：

（a）情况一 相近时间内无行波波头信息且无故障测距信息，认为无故障；

（b）情况二 相近时间内无行波波头信息，但有故障测距信息，认为是母线近端故障，以故障录波阻抗法判据为最终结果输出；

（c）情况三 相近时间内有行波波头信息，但波头只有1个，且有故障测距信息，认为是对侧远距离母线反射造成的行波衰减，是母线近端故障，以故障录波阻抗法判据为最终结果输出；

（d）情况四 相近时间内有有效的行波波头信息，但无故障测距信息，则认为是雷击干扰导致行波启动，认为无故障；

（e）情况五 相近时间内有有效的行波波头信息，有故障测距信息，则根据上述N-1个可能的行波测距结果与故障录波阻抗法测距结果进行数据比对，将与故障录波阻抗法测距结果最相近的行波测距结果作为测距结果输出；

（f）情况六 若上述情况五中所有行波测距结果与故障录波阻抗法测距结果相差极大，则认为是母线上出线过多，行波入射衰减过大造成波头不稳定的影响，以故障录波阻抗法测距结果输出。