CN110501613B - 一种输电线路故障行波波头顶点时刻的检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种输电线路故障行波波头顶点时刻的检测方法及装置，该检测装置由罗氏线圈、隔离变压器、上下门限电压比较器、光耦隔离电路、GPS/BDS双模授时模块、通信模块、微处理器、DAC以及线性光耦隔离器构成；微处理器接收服务器命令，控制DAC输出、经光耦隔离器和放大器设定上下门限比较电压，将检测得到的故障行波微分信号经隔离变压器后，送入上下门限电压比较器进行比较；当超过上下门限比较器设定值事，比较器输出下降沿/上升沿脉冲信号，进而触发微处理器中断，微处理器得到脉冲对应时间信息，记录脉冲中断触发时间及相应触发通道，计算得到故障行波波头顶点时刻；本发明能有效提高现有的故障行波检测技术中故障行波波头顶点时刻的检测精度。

Description

一种输电线路故障行波波头顶点时刻的检测方法及装置

技术领域

本发明属于电力系统故障定位技术领域，涉及一种输电线路故障行波波头顶点时刻的检测方法及装置。

背景技术

电力系统在经济发展中的地位举足轻重，但是输电线路故障在电力系统运行过程中难以避免。特别在特高压输电线路中，线路发生故障后快速查找故障点是恢复供电的前提。输电线路发生故障后，故障点会产生一组高频故障行波，通过检测行波进而获取行波中所包含的信息可以进行线路保护和故障检测工作。因此，挖掘和利用行波故障信息，构造新的故障检测技术，提高故障检测和处理能力，对于增强电力系统的安全性和稳定性具有重大意义。

目前国内外的电力系统故障检测技术主要基于传统工频故障信息，随着电力系统对于故障检测的精确性、可靠性要求不断提高，这种方法日益暴露出其缺点与不足。故障行波信息与传统故障工频信息相比，包含的内容丰富，它是在故障时突变电压的作用下形成的，能够为故障的检测和定位提供主要依据。在电力系统发展过程中，行波故障检测技术已经有半个多世纪的历史，20世纪中期先后出现了三种不同原理的行波测距方法，到20世纪90年代，随着计算机技术、电子与通信技术的发展，特别是GPS时钟同步技术的出现，为实现基于故障行波的检测技术提供了基础。随着相关电力电子器件以及方法研究的发展，行波故障检测的故障定位精度正逐步提高。基于高频故障行波的故障检测技术正逐步深入电力系统故障检测领域，成为一个相对独立的故障检测理论与技术体系。

故障行波测距的关键问题是对行波信号的判断和提取，以及对波头信息的获取。在实际的电力系统应用中，尚无可以精确测量故障行波信号波头顶点时刻的方法。因此急需一种输电线路故障行波波头顶点时刻的检测方法及配套装置。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种输电线路故障行波波头顶点时刻的检测方法及装置，可以准确判断故障行波波头、计算波头顶点时刻，解决了测量电力系统中行波波头顶点时刻不准确的难题，有效提高了故障定位的准确度，为输电线路的故障行波定位计算提供可靠数据支撑。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种输电线路故障行波波头顶点时刻的检测装置，该检测装置由罗氏线圈、隔离变压器、上下门限电压比较器、数字光耦隔离电路、GPS/BDS双模授时模块、4G通信模块、微处理器、DAC以及线性光耦隔离器构成，其中罗氏线圈、隔离变压器、上下门限电压比较器、数字光耦隔离电路依次相连，接入微处理器的通用输入输出端口，DAC输出经线性光耦隔离器后与上下门限电压比较器相连，GPS/BDS双模授时模块、4G通信模块分别与微处理器的串口相连。

本发明还提供了一种输电线路故障行波波头顶点时刻的检测方法，该方法包括以下步骤：

S1：微处理器通过4G通信模块接收服务器命令，然后经内部集成的DAC转换器输出，经过线性光耦隔离器后，分别得到故障行波微分信号的上下门限比较电压；

S2：罗氏线圈将检测到的故障行波微分信号分别送入上门限电压比较器的反相输入端和下门限电压比较器的同相输入端；当故障行波微分信号的正负幅值超过上下门限比较电压时，上下门限电压比较器分别输出的上升沿和下降沿脉冲，经数字光耦隔离电路后，触发微处理器外部中断；

S3：微处理器记录触发外部中断脉冲的触发通道，通过内部的高精度定时计数器以及GPS/BDS双模授时模块得到脉冲对应时刻；

S4：微处理器根据步骤S3中得到的脉冲时刻以及触发通道判断故障行波信号波头的极性，计算得到故障行波波头顶点的时刻。

进一步，在步骤S2中，具体包括：

S21：当故障行波微分信号的正电压在上升过程中，高于设定上门限电压时，上门限电压比较器输出下降沿脉冲，当故障行波微分信号的正电压在下降过程中，低于设定上门限电压时，上门限电压比较器输出上升沿脉冲；

当故障行波微分信号的负电压在下降过程中，低于设定下门限电压时，下门限电压比较器输出下降沿脉冲，当故障行波微分信号的负电压在上升过程中，高于设定下门限电压时，下门限电压比较器输出上升沿脉冲；

S22：上下门限电压比较器分别产生的下降沿和上升沿脉冲经数字光耦隔离电路后，输出下降沿和上升沿脉冲，触发微处理器的外部边沿中断。

进一步，在步骤S3中，具体包括：

S31：GPS/BDS双模授时模块的秒脉冲信号触发微处理的外部中断，打开定时计数器，开始计数，定时计数器在GPS/BDS双模授时模块的两个秒脉冲之间的计数值为Second_Counter，当上下门限电压比较器产生的脉冲触发外部中断时，微处理器读取定时计数器对应的计数值Counter；

S32：GPS/BDS双模授时模块通过串口通信将秒级时间T送入微处理器，由步骤S31得到的脉冲触发中断对应计数值Counter与两个秒脉冲之间的计数值为Second_Counter得脉冲对应时刻t_m为：

S33：上升沿或下降沿脉冲触发微处理器外部中断时，微处理器记录下产生脉冲的触发通道，上门限电压比较器输出触发脉冲记为正极性脉冲，其对应时刻为t_Pm(m＝1～8)，下门限电压比较器输出触发脉冲记为负极性脉冲，其对应时刻为t_Nk(k＝1～8)。

进一步，在步骤S4中，具体包括：

S41：微处理器根据判据1和判据2计算故障行波波头的顶点时刻；

判据1：微处理器计算相邻相同极性脉冲的时间差，记为Δt_P1～Δt_P8和Δt_N1～Δt_N8，有：

式(2)中，t_Pm与t_Nk为时间差最大的各自相同极性脉冲对应时刻；

如果Δt_P＞Δt_N，则故障行波信号波头为正极性，故障行波信号波头顶点时刻为：

如果Δt_P＜Δt_N，则故障行波信号波头为负极性，故障行波信号波头顶点时刻为：

判据2：计算两相邻不同极性脉冲之间的时间差，时间差最小的两相邻不同极性脉冲时刻之间即为行波波头顶点时刻所在时间区间，即：

Δt_PN＝min|t_Pm-t_Nk| (5)

式(5)中，Δt_PN为时间差最小的两相邻不同极性脉冲之间的时间差；

如果t_Pm＜t_Nk，则故障行波信号波头为正极性，故障行波信号波头顶点时刻为：

如果t_Pm＞t_Nk，则故障行波信号波头为负极性，故障行波信号波头顶点时刻为：

本发明的有益效果在于：

本发明中微处理器通过4G通信模块接收服务器命令，DAC输出设定上下门限比较电压，将罗氏线圈检测得到的故障行波微分信号送入上下门限电压比较器比较后，输出上升沿/下降沿脉冲电平信号,进而触发微处理器中断，微处理器通过GPS/BDS双模授时模块得到脉冲对应时间信息，记录脉冲时间及触发通道后根据判据1或判据2计算得到故障行波波头顶点时刻。本方法能够有效提高现有的行波故障检测技术中故障行波波头顶点时刻的检测精度，为提高行波故障定位精度提供可靠保证。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为故障行波波头顶点检测装置硬件系统整体框图；

图2为上下门限电压比较器原理框图；

图3为故障行波微分信号波头为正极性波头顶点时刻检测方法示意图；

图4为故障行波微分信号波头为负极性波头顶点时刻检测方法示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为行波波头顶点检测装置硬件系统整体框图，如图所示，本发明提供的一种输电线路故障行波波头顶点时刻的检测装置，由罗氏线圈、隔离变压器、上下门限电压比较器、数字光耦隔离电路、GPS/BDS双模授时模块、4G通信模块、微处理器、DAC以及线性光耦隔离器构成其中罗氏线圈、隔离变压器、上下门限电压比较器、数字光耦隔离电路依次相连，接入微处理器的通用输入输出端口，DAC输出经线性光耦隔离器后与上下门限电压比较器相连，GPS/BDS双模授时模块、4G通信模块分别与微处理器的串口相连。图2为上下门限电压比较器原理框图。

在本实施例中，输电线路故障行波波头顶点时刻的检测方法，包括以下步骤：

步骤S1：微处理器通过4G通信模块接收服务器命令，然后经内部集成的DAC转换器输出,经过线性光耦隔离器后，分别得到故障行波微分信号的上下门限比较电压；

步骤S2：罗氏线圈将检测到的故障行波微分信号分别送入上门限电压比较器的反相输入端和下门限电压比较器的同相输入端；当故障行波微分信号的正负幅值超过上下门限比较电压时，上下门限电压比较器分别输出的上升沿和下降沿脉冲，经数字光耦隔离电路后，触发微处理器外部中断；

步骤S3：微处理器记录触发外部中断脉冲的触发通道，通过内部的高精度定时计数器以及GPS/BDS双模授时模块得到脉冲对应时刻；

步骤S4：微处理器根据步骤S3中得到的脉冲时刻以及触发通道判断故障行波信号波头的极性，计算得到故障行波波头顶点的时刻。

在步骤S2中，故障行波微分信号与上下门限电压比较器的上下门限电压比较的具体过程为：

1)当故障行波微分信号的正电压在上升过程中，高于设定上门限电压时，上门限电压比较器输出下降沿脉冲，当故障行波微分信号的正电压在下降过程中，低于设定上门限电压时，上门限电压比较器输出上升沿脉冲；

当故障行波微分信号的负电压在下降过程中，低于设定下门限电压时，下门限电压比较器输出下降沿脉冲，当故障行波微分信号的负电压在上升过程中，高于设定下门限电压时，下门限电压比较器输出上升沿脉冲；图2为上下门限电压比较器原理框图。

2)上下门限电压比较器分别产生的下降沿和上升沿脉冲经数字光耦隔离电路后，输出下降沿和上升沿脉冲，触发微处理器的外部边沿中断；

在步骤S3中，微处理器通过GPS/BDS双模授时模块得到脉冲对应时刻的方法为：

1)GPS/BDS双模授时模块的秒脉冲信号触发微处理的外部中断，打开定时计数器，开始计数，定时计数器在GPS/BDS双模授时模块的两个秒脉冲之间的计数值为Second_Counter,当上下门限电压比较器产生的脉冲触发外部中断时，微处理器读取定时计数器对应的计数值Counter；

2)GPS/BDS双模授时模块通过串口通信将秒级时间T送入微处理器，由步骤S31得到的脉冲触发中断对应计数值Counter与两个秒脉冲之间的计数值为Second_Counter得脉冲对应时刻t_m为：

3)上升沿或下降沿脉冲触发微处理器外部中断时，微处理器记录下产生脉冲的触发通道，上门限电压比较器输出触发脉冲记为正极性脉冲，其对应时刻为t_Pm(m＝1～8)，下门限电压比较器输出触发脉冲记为负极性脉冲，其对应时刻为t_Nk(k＝1～8)。

在步骤S4中，微处理器判断并计算得到故障行波波头顶点时刻，具体的方法为：

微处理器根据判据1和判据2计算故障行波波头的顶点时刻；图3及图4为行波微分信号波头为正极性以及负极性对应波头顶点时刻检测方法示意图。

判据1：微处理器计算相邻相同极性脉冲的时间差，记为Δt_P1～Δt_P8和Δt_N1～Δt_N8，有：

式(2)中，t_Pm与t_Nk为时间差最大的各自相同极性脉冲对应时刻；

如果Δt_P＞Δt_N，则故障行波信号波头为正极性，故障行波信号波头顶点时刻为：

如果Δt_P＜Δt_N，则故障行波信号波头为负极性，故障行波信号波头顶点时刻为：

判据2：计算两相邻不同极性脉冲之间的时间差，时间差最小的两相邻不同极性脉冲时刻之间即为行波波头顶点时刻所在时间区间，即：

Δt_PN＝min|t_Pm-t_Nk| (5)

式(5)中，Δt_PN为时间差最小的两相邻不同极性脉冲之间的时间差；

如果t_Pm＜t_Nk，则故障行波信号波头为正极性，故障行波信号波头顶点时刻为：

如果t_Pm＞t_Nk，则故障行波信号波头为负极性，故障行波信号波头顶点时刻为：

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种输电线路故障行波波头顶点时刻的检测装置，其特征在于：该检测装置由罗氏线圈、隔离变压器、上下门限电压比较器、数字光耦隔离电路、GPS/BDS双模授时模块、4G通信模块、微处理器、DAC以及线性光耦隔离器构成；其中罗氏线圈、隔离变压器、上下门限电压比较器、数字光耦隔离电路依次相连，接入微处理器的通用中断输入端口，DAC输出经线性光耦隔离器后与上下门限电压比较器相连，GPS/BDS双模授时模块、4G通信模块分别与微处理器的串口相连；

微处理器通过4G通信模块接收服务器命令，DAC输出设定上下门限比较电压，将罗氏线圈检测得到的故障行波微分信号送入上下门限电压比较器比较后，输出上升沿/下降沿脉冲电平信号，进而触发微处理器中断，微处理器通过GPS/BDS双模授时模块得到脉冲对应时间信息，记录脉冲时间及触发通道后根据判据计算得到故障行波波头顶点时刻；

所述微处理器根据判据1和判据2计算故障行波波头的顶点时刻；

判据1：微处理器计算相邻相同极性脉冲的时间差，记为Δt_P1～Δt_P8和Δt_N1～Δt_N8，有：

式(2)中，t_Pm与t_Nk为时间差最大的各自相同极性脉冲对应时刻；

如果Δt_P＞Δt_N，则故障行波信号波头为正极性，故障行波信号波头顶点时刻为：

如果Δt_P＜Δt_N，则故障行波信号波头为负极性，故障行波信号波头顶点时刻为：

判据2：计算两相邻不同极性脉冲之间的时间差，时间差最小的两相邻不同极性脉冲时刻之间即为行波波头顶点时刻所在时间区间，即：

Δt_PN＝min|t_Pm-t_Nk| (5)

式(5)中，Δt_PN为时间差最小的两相邻不同极性脉冲之间的时间差；

如果t_Pm＜t_Nk，则故障行波信号波头为正极性，故障行波信号波头顶点时刻为：

如果t_Pm＞t_Nk，则故障行波信号波头为负极性，故障行波信号波头顶点时刻为：

2.一种输电线路故障行波波头顶点时刻的检测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：微处理器通过4G通信模块接收服务器命令，然后经DAC转换器输出，经过线性光耦隔离器和放大器后，分别得到故障行波微分信号的上下门限比较电压；

S2：罗氏线圈将检测到的故障行波微分信号经隔离变压器后，分别送入上门限电压比较器的反相输入端和下门限电压比较器的同相输入端；当故障行波微分信号的正负幅值超过上下门限比较电压时，上下门限电压比较器分别输出上升沿和下降沿脉冲，经数字光耦隔离电路后，触发微处理器外部中断；

S3：微处理器记录触发外部中断脉冲的触发通道，通过内部的高精度定时计数器以及GPS/BDS双模授时模块得到脉冲对应时刻；

S4：微处理器根据步骤S3中得到的脉冲时刻及触发通道判断故障行波信号波头的极性，计算得到故障行波波头顶点的时刻；

在步骤S2中，具体包括：

S21：当故障行波微分信号的正电压在上升过程中，高于设定上门限电压时，上门限电压比较器输出下降沿脉冲，当故障行波微分信号的正电压在下降过程中，低于设定上门限电压时，上门限电压比较器输出上升沿脉冲；

当故障行波微分信号的负电压在下降过程中，低于设定下门限电压时，下门限电压比较器输出下降沿脉冲，当故障行波微分信号的负电压在上升过程中，高于设定下门限电压时，下门限电压比较器输出上升沿脉冲；

S22：上下门限电压比较器分别产生的下降沿和上升沿脉冲经数字光耦隔离电路后，输出下降沿和上升沿脉冲，触发微处理器的外部边沿中断；

在步骤S3中，具体包括：

S31：GPS/BDS双模授时模块的秒脉冲信号触发微处理的外部中断，打开定时计数器，开始计数，定时计数器在GPS/BDS双模授时模块的两个秒脉冲之间的计数值为Second_Counter，当上下门限电压比较器产生的脉冲触发外部中断时，微处理器读取定时计数器对应的计数值Counter；

S32：GPS/BDS双模授时模块通过串口通信将秒级时间T送入微处理器，由步骤S31得到的脉冲触发中断对应计数值Counter与两个秒脉冲之间的计数值为Second_Counter得脉冲对应时刻t_m为：

S33：上升沿或下降沿脉冲触发微处理器外部中断时，微处理器记录下产生脉冲的触发通道，上门限电压比较器输出触发脉冲记为正极性脉冲，其对应时刻为t_Pm，m＝1～8，下门限电压比较器输出触发脉冲记为负极性脉冲，其对应时刻为t_Nk，k＝1～8；

在步骤S4中，具体包括：

S41：微处理器根据判据1和判据2计算故障行波波头的顶点时刻；

判据1：微处理器计算相邻相同极性脉冲的时间差，记为Δt_P1～Δt_P8和Δt_N1～Δt_N8，有：

式(2)中，t_Pm与t_Nk为时间差最大的各自相同极性脉冲对应时刻；

如果Δt_P＞Δt_N，则故障行波信号波头为正极性，故障行波信号波头顶点时刻为：

如果Δt_P＜Δt_N，则故障行波信号波头为负极性，故障行波信号波头顶点时刻为：

判据2：计算两相邻不同极性脉冲之间的时间差，时间差最小的两相邻不同极性脉冲时刻之间即为行波波头顶点时刻所在时间区间，即：

Δt_PN＝min|t_Pm-t_Nk| (5)

式(5)中，Δt_PN为时间差最小的两相邻不同极性脉冲之间的时间差；

如果t_Pm＜t_Nk，则故障行波信号波头为正极性，故障行波信号波头顶点时刻为：

如果t_Pm＞t_Nk，则故障行波信号波头为负极性，故障行波信号波头顶点时刻为：

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