CN1322332C - 高压输电线多路高精度gps单端故障定位方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高压输电线多路高精度GPS单端故障定位方法及装置，从各条线路电流互感器二次侧绕组引出信号，经电压转换和高阻隔离获取三相检测电流；对三相检测电流进行阀值检测确定故障线路，并启动相应故障线路的高速数据采集与模数转换；从模数转换数据中提取故障行波形态特征数据，并通过高精度GPS装置标注时标，按线路分类配对后，经PCI总线存放到工控机的存储单元；工控机及其专用应用软件分别对各线路多次折反射的故障行波形态特征数据和时间差进行分析和计算，判断其故障类别、计算故障距离。本发明可提高定位精度、可靠性、实用性和经济性。
Description
技术领域
本发明属电力系统高压输电网故障诊断技术领域，特别涉及一种高压输电线多路高精度GPS单端故障定位方法及装置。
背景技术
高压输电线故障定位装置是电力系统高压输电网故障诊断的主要设备。常用的高压输电线路故障定位装置从原理上看，概括起来，可分为两类方法：
(1)阻抗法：这种方法通过检测线路一侧(单端法)或两侧(双端法)的电压、电流值，通过数学方法计算检测点至输电线路故障点的等值阻抗，从而确定输电线路故障的位置。这种方法的定位精度受非线性的过渡电阻、线路参数不平衡和分布参数以及线路故障等值阻抗的非线性特性的影响，其误差较大。
(2)行波法：该方法通过测量故障行波以及反射波到达线路一端(单端法)或两端(双端法)的时间，计算出故障点位置。这种方法的定位精度受采样速度、计时频率、行波及其反射波识别、雷电干扰等影响，定位精度也不高。
目前，上述两类方法在实际使用时，主要存在以下问题：
(1)定位精度低：行波法误差一般在500-1000米，阻抗法误差一般在线路总长度的3-5％；
(2)可靠性不高：行波测距在近距离故障时难以抓到波头，死区较大；阻抗法的误差随着故障线路长度的增大而增大，因而，在较远距离不可靠；
(3)一个变电站一般需要多套故障定位装置，成本高，维护工作量大；
(4)双端故障定位装置需要对端安装相应的设备，需要占用通信信道，调试和维护困难。
发明内容
本发明的目的就是针对上述存在的问题而研究的一种高压输电线多路高精度GPS单端故障定位方法及装置。上述发明的目的是通过下述方法及装置实现的。
本发明的方法包括下列步骤：
(1)多线路三相电流检测：从各条线路的电流互感器二次侧绕组获取A，B，C三相电流信号，并经电压转换和高阻隔离得到各线路的三相检测电流：ia1，，ib1，ic1，…，ian，ibn，icn；
(2)阀值检测故障线路识别：根据步骤(1)，将三相检测电流ia1，，ib1，ic1，…，ian，ibn，icn与相应的三相阀值电流(可能引起继电保护动作的最小故障电流)ia10，，ib10，ic10，…，ian0，ibn0，icn0进行比较，若检测电流大于或等于阀值电流，则该线路被识别为故障线路，同时，给高速数据采集与模数转换单元输出信号，启动故障线路的高速数据采集与模数转换，否则，该线路被识别为非故障线路，不进行数据采集与模数转换；
(3)故障线路电流的高速数据采集与模数转换：根据步骤(2)，通过300MHz及以上高速数字信号处理器DSP控制10nS及以上多路模拟开关，对故障线路的三相检测电流进行高速数据采集和105Msps及以上高速模-数转换，并将其结果存放到相应的高速数据缓冲器中；
(4)故障行波形态特征数据提取：根据步骤(3)，通过高速数字信号处理器DSP从高速数据缓冲器读取相应的数据，经与预值设定器的初始设定值比较，并且动态置换预值，将故障行波非形态特征数据滤掉，将能反映故障行波形态特征的极值点和零点的数据保留起来，经133MHz及以上高速PCI总线存放到工控机指定的存储单元中，并恢复初始设定值，同时启动GPS标注时标，对保留下来的故障行波形态特征数据标注GPS时标，给GPS写时标接口输出“写时标”信号；
(5)故障行波形态特征数据标注GPS时标：根据步骤(4)，通过10nS及以上高精度GPS对保存下来的故障行波形态特征数据进行标注时标，并按线路分类配对后保存起来，经133MHz及以上高速PCI总线存放到工控机指定的存储单元中，具体就是当GPS写时标接口接到“写时标”信号后，给高精度GPS装置输出一个脉冲信号，高精度GPS装置根据这个脉冲信号的上升沿确定相应的时标，GPS读时标接口从高精度GPS装置中读取各故障行波形态特征数据所对应的时标，经133MHz及以上高速PCI总线存放到工控机指定的存储单元中；
(6)故障行波形态特征数据的时差分析：通过工控机的处理器CPU从步骤(4)和步骤(5)所指定的存储单元中读取相应的数据，分别对各线路多次折反射的故障行波形态特征数据和时间差进行分析和计算，形成故障行波折反射时间序列；
(7)故障距离计算：根据步骤(6)，工控机对故障行波形态特征数据和故障行波折反射时间序列进行提炼，找出稳定的故障行波形态特征数据和故障行波一次折反射的时间差均值ΔT，并用以判断其故障类别，计算故障距离Lx，计算公式如下：
Lx＝VcΔT/2 (1)
式中：Vc-故障行波波速；
ΔT--故障行波一次折反射的时间差均值；
Lx-线路故障距离(从变电站高压母线出口至故障点的距离)；
(8)故障定位信息的保存和显示：根据步骤(7)，工控机将故障定位信息以数据库的形式保存到工控机的硬盘中，供显示器显示、故障报警、通信或其它功能调用。
本发明的装置由多线路三相电流检测单元、阀值检测故障线路识别单元、高速数据采集与模数转换单元、预值设定器、故障行波形态特征数据提取单元、GPS写时标接口电路、高精度GPS装置、GPS读时标接口电路和工控机所构成，所述工控机由高性能的处理器CPU，133MHz及以上高速PCI总线，存储单元、故障行波形态特征数据的时差分析单元、故障距离计算单元、故障显示单元、人机接口单元及其它辅助设施构成，其中：
多线路三相电流检测单元的输入端分别连接各线路电流互感器二次侧绕组：CTa1，CTb1，CTc1，…，CTan，CTbn，CTcn，其输端出连接阀值检测故障线路识别单元的输入端；阀值检测故障线路识别单元输出端连接高速数据采集与模数转换单元的输入端；高速数据采集与模数转换单元的输出端连接故障行波形态特征数据提取单元的输入端；预值设定器输入端连接故障行波形态特征数据提取单元的输出端；其输出端连接故障行波形态特征数据提取单元的输入端；故障行波形态特征数据提取单元的一个输出端连接GPS写时标接口电路的输入端，另一个输出端连接工控机的存储单元；GPS写时标接口电路的输出端连接高精度GPS装置的输入端；高精度GPS装置的输出端连接GPS读时标接口电路的输入端；GPS读时标接口电路的输出端连接存储单元；存储单元与故障行波形态特征数据的时差分析单元、故障距离计算单元、故障显示单元和人机接口单元双向连接。多线路三相电流检测单元、高速数据采集与模数转换单元和故障行波形态特征数据提取单元公共一个电路板，GPS写时标接口电路和GPS读时标接口电路公共一个电路板，分别通过PCI总线与工控机连接。工控机采用实时操作系统，通过运行相应的应用软件实现高压输电线多路高精度GPS单端故障定位的各种功能。
本发明具有如下特点：
1.故障定位精度高
现有装置的采样频率一般为：300kHz-600kHz，行波的速度大约为：3T108米/秒，理论误差为：500-1000米。本发明采用高速数据采样技术(100MHz及以上)，高精度GPS(10nS)定时标，高速个人计算机工业总线PCI(133MHz及以上)，高速多路开关(纳秒级)选控循环多路采样，高速模-数转换ADC(100MHz及以上)，工控机配置实时操作系统和大容量高速缓存，可以保证采样数据的实时性和完整性，使综合误差和死区小于15米。
2.可靠性高
根据故障行波行进衰减过程中形态不变的原则，对各线路多次折反射的故障行波形态特征数据和时间差进行分析，可以稳定、可靠地计算故障行波一次折反射的时间差均值，从而，可靠地计算出故障线路的故障距离。
3.实用性强
由于采用了多路行波测距原理和数据高速存取、处理技术，所以在一个变电站只需要安装一套高压输电线故障定位装置，不受对端影响，不需要对端配合安装、调试和运行维护，而且，不受线路回数和电压等级的限制。
4.经济性好
由于本发明故障定位的死区小于15米，在变电站可视范围内，只需要单端装设，无需对端配合，所以大大地降低了设备投入，减少了设备的安装、调试和运行维护费用，减少了通信信道的占用。
5.工作效率高
由于在高速数据采集之前，滤掉了全部的非故障数据，而在高速数据采集过程中又只保留了少量的故障行波形态特征数据，本系统实际数据处理量不大，速度配合也比较容易，所以系统的工作效率高。
附图说明
附图1为本发明的工作原理框图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明的工作原理作进一步的介绍。
在附图1中，A1，B1，C1，…，An，，Bn，Cn表示n条三相高压输电线路。多线路三相电流检测单元1的输入端分别连接各线路电流互感器二次侧绕组：CTa1，CTb1，CTc1，…，CTan，CTbn，CTcn，经电压转换和高阻隔离后，其输出连接阀值检测故障线路识别单元2的输入端，完成多线路三相电流检测功能。阀值检测故障线路识别单元2将三相检测电流ia1，，ib1，ic1，…，ian，ibn，icn与相应的三相阀值电流(可能引起继电保护动作的最小故障电流)ia10，，ib10，ic10，…，ian0，ibn0，icn0进行比较，其输出端连接高速数据采集与模数转换单元3的输入端，若检测电流大于或等于阀值电流，则该线路被识别为故障线路，同时，给高速数据采集与模数转换单元3输出信号，启动故障线路的高速数据采集与模数转换，否则，该线路被识别为非故障线路，不进行数据采集与模数转换。高速数据采集与模数转换单元3接到阀值检测故障线路识别单元2的启动故障线路的高速数据采集与模数转换信号后，通过300MHz及以上高速数字信号处理器数DSP控制10nS及以上多路模拟开关，对故障线路的三相检测电流进行高速数据采集和105Msps及以上高速模-数转换，并将其结果存放到相应的高速数据缓冲器中，其输出端连接故障行波形态特征数据提取单元5的输入端。预值设定器4的输入端连接故障行波形态特征数据提取单元5输出端，其输出端连接故障行波形态特征数据提取单元5输入端，故障行波形态特征数据提取单元5的一个输出端连接GPS写时标接口电路7的输入端，另一个输出端连接工控机6的存储单元6.1，通过高速数字信号处理器DSP从高速数据缓冲器中读取相应的数据，与预值设定器4的初始设定值比较，并根据极值点和零点的变化规律动态置换预值，将非故障行波形态特征数据滤掉，将能反映故障行波形态特征的极值点和零点的数据保留起来，经高速PCI总线(133MHz及以上)存放到工控机指定的存储单元6.1中，并恢复初始设定值，同时，对保留下来的故障行波形态特征数据标注GPS时标，给GPS写时标接口电路7的输入端输出“写时标”信号。GPS写时标接口电路7接到“写时标”信号后，给高精度GPS装置8的输入端输出一个脉冲信号。高精度GPS装置8根据这个脉冲信号的上升沿(Event Mark)确定时标，其输出端连接GPS读时标接口电路9的输入端。GPS读时标接口电路9的输出端连接存储单元6.1，GPS读时标接口电路9从高精度GPS装置8的输出端读取各故障行波形态特征数据所对应的时标，经133MHz及以上高速PCI总线存放到工控机6指定的存储单元6.1中。存储单元6.1与故障行波形态特征数据的时差分析单元6.4、故障距离计算单元6.3、故障显示单元6.2和人机接口单元6.5双向连接。故障行波形态特征数据的时差分析单元6.4通过工控机的处理器CPU从存储单元6.1中读取相应的数据，分别对各线路多次折反射的故障行波形态特征数据和时间差进行分析和计算，形成故障行波折反射时间序列。故障距离计算单元6.3通过工控机的处理器CPU对故障行波形态特征数据和故障行波折反射时间序列进行提炼，找出稳定的故障行波形态特征数据和故障行波一次折反射的时间差均值，并用以判断其故障类别、计算故障距离。故障显示单元6.2通过工控机的处理器CPU，将故障定位信息以数据库的形式保存到工控机的硬盘中，供显示器显示、故障报警、通信或其它功能调用。人机接口单元6.5提供人工设置和用户自定义功能。
高速数据采集与模数转换单元3和故障行波形态特征数据提取单元5公共一个电路板，GPS写时标接口电路7和GPS读时标接口电路9公共一个电路板，分别通过PCI总线与工控机连接。工控机采用实时操作系统，通过运行相应的应用软件实现高压输电线多路高精度GPS单端故障定位的各种功能。
本发明的实施例：10条线路15米误差的高压输电线路的高精度GPS单端故障定位系统。
多线路三相电流检测单元1由电流互感器和电子电路构成；阀值检测故障线路识别单元2和高速数据采集与模数转换单元3由集成电路和电子电路构成，其中，阀值检测采用电子电路比较器，高速数字信号处理器DSP采用TMS320C6202B-300(300MHz)，多路模拟开关采用MAX4617(10nS)，高速模-数转换采用AD6645(105Msps)；高速数据缓冲器由DSP片内寄存器和采集板内RAM构成，片内寄存器存放比较值，采集板内RAM存放中间结果，预值设定器4由掉电保持RAM构成；故障行波形态特征数据提取单元5由DSP和相关辅助电路及其相关应用软件构成；GPS写时标接口电路7和GPS读时标接口电路9由电子电路构成；高精度GPS装置8采用武汉大学GPS工程技术研究中心开发的10nS高精度GPS装置；工控机采用P4，1.8G及以上高性能的CPU和133MHz及以上高速PCI总线，存储单元6.1由电子硬盘和普通硬盘构成，电子硬盘存放实时数据和常用数据，普通硬盘存放非常用数据和历史数据；故障行波形态特征数据的时差分析单元6.4、故障距离计算单元6.3由工控机相关硬件和相应的算法及其应用软件构成；故障显示单元6.2由工控机的显示卡和显示器构成；人机接口单元6.5由键盘和鼠标构成。
Claims (3)
1.一种高压输电线多路高精度GPS单端故障定位方法，其特性在于：该方法包括下列步骤：
(1)多线路三相电流检测：从各条线路的电流互感器二次侧绕组获取A，B，C三相电流信号，并经电压转换和高阻隔离得到各线路的三相检测电流：
ia1，，ib1，ic1，…，ian，ibn，icn；
(2)阀值检测故障线路识别：根据步骤(1)，将三相检测电流ia1，ib1，ic1，…，ian，ibn，icn与相应的三相阀值电流ia10，ib10，ic10，…，ian0，ibn0，icn0进行比较，若检测电流大于或等于阀值电流，则该线路被识别为故障线路，否则，该线路被识别为非故障线路；
(3)故障线路电流的高速数据采集与模数转换：根据步骤(2)，通过300MHz及以上高速数字信号处理器DSP控制10nS及以上高速多路模拟开关对故障线路进行选控高速数据采集和105Msps及以上高速模-数转换，并将其结果存放到相应的高速数据缓冲器中；
(4)故障行波形态特征数据提取：根据步骤(3)，通过高速数字信号处理器DSP从高速数据缓冲器读取相应的数据，经预值设定器进行数据过滤，将故障行波非形态特征数据滤掉，将能反映故障行波形态特征的数据，即：极值点和零点，保存起来，经133MHz及以上高速PCI总线存放到工控机指定的存储单元中，同时，启动GPS标注时标；
(5)故障行波形态特征数据标注GPS时标：根据步骤(4)，通过10nS及以上高精度GPS对保存下来的故障行波形态特征数据进行标注时标，并按线路分类配对后保存起来，经133MHz及以上高速PCI总线存放到工控机指定的存储单元中；
(6)故障行波形态特征数据的时差分析：通过工控机的处理器CPU从步骤(4)和步骤(5)所指定的存储单元中读取相应的数据，分别对各线路多次折反射的故障行波形态特征数据和时间差进行分析和计算，形成故障行波折反射时间序列；
(7)故障距离计算：根据步骤(6)，工控机对故障行波形态特征数据和故障行波折反射时间序列进行提炼，找出稳定的故障行波形态特征数据和故障行波一次折反射的时间差均值ΔT，并用以判断其故障类别，计算故障距离Lx，计算公式如下：
Lx＝VcΔT/2 (1)
式中：Vc-故障行波波速；
ΔT--故障行波一次折反射的时间差均值；
Lx-线路故障距离(从变电站高压母线出口至故障点的距离)
(8)故障定位信息的保存和显示：根据步骤(7)，工控机将故障定位信息以数据库的形式保存到工控机的硬盘中，供显示器显示、故障报警、通信或其它功能调用。
2.根据权利要求1所述的高压输电线多路高精度GPS单端故障定位方法，其特征在于：所述的阀值检测故障线路识别方法是：将三相检测电流ia1，ib1，ic1，…，ian，ibn，icn与相应的三相阀值电流ia10，ib10，ic10，…，ian0，ibn0，icn0进行比较，若检测电流大于或等于阀值电流，则该线路被识别为故障线路，同时，给高速数据采集与模数转换单元输出信号，启动故障线路的高速数据采集与模数转换，否则，该线路被识别为非故障线路，不进行数据采集与模数转换；
所述的故障线路电流的高速数据采集与模数转换方法是：当它接到阀值检测故障线路识别单元输出的启动故障线路的高速数据采集与模数转换信号后，通过300MHz及以上高速数字信号处理器数DSP控制10nS及以上多路模拟开关，对故障线路的三相检测电流进行高速数据采集和105Msps及以上高速模-数转换，并将其结果存放到相应的高速数据缓冲器中；
所述的故障行波形态特征数据的提取方法是：通过高速数字信号处理器DSP从高速数据缓冲器中读取相应的数据，与预值设定器的初始设定值比较，并且动态置换预值，将非故障行波形态特征数据滤掉，将能反映故障行波形态特征的极值点和零点的数据保留起来，经133MHz及以上高速PCI总线存放到工控机指定的存储单元中，并恢复初始设定值，同时，对保留下来的故障行波形态特征数据标注GPS时标，给GPS写时标接口输出“写时标”信号；
所述的故障行波形态特根据权征数据标注GPS时标方法是：GPS写时标接口接到“写时标”信号后，给高精度GPS装置输出一个脉冲信号，高精度GPS装置根据这个脉冲信号的上升沿确定相应的时标，GPS读时标接口从高精度GPS装置中读取各故障行波形态特征数据所对应的时标，经133MHz及以上高速PCI总线存放到工控机指定的存储单元中。
3.一种高压输电线多路高精度GPS单端故障定位装置，其特征在于：所述的装置由多线路三相电流检测单元(1)、阀值检测故障线路识别单元(2)、高速数据采集与模数转换单元(3)、预值设定器(4)、故障行波形态特征数据提取单元(5)、GPS写时标接口电路(7)、高精度GPS装置(8)、GPS读时标接口电路(9)和工控机(6)所构成，所述工控机(6)由高性能的处理器CPU，133MHz及以上高速PCI总线，存储单元(6.1)、故障行波形态特征数据的时差分析单元(6.4)、故障距离计算单元(6.3)、故障显示单元(6.2)、人机接口单元(6.5)及其它辅助设施构成；其中：
多线路三相电流检测单元(1)的输入端分别连接各线路电流互感器二次侧绕组：CTal，CTbl，CTcl，…，CTan，CTbn，CTcn，其输端出连接阀值检测故障线路识别单元(2)的输入端；阀值检测故障线路识别单元(2)输出端连接高速数据采集与模数转换单元(3)的输入端；高速数据采集与模数转换单元(3)的输出端连接故障行波形态特征数据提取单元(5)的输入端；预值设定器(4)输入端连接故障行波形态特征数据提取单元(5)的输出端，其输出端连接故障行波形态特征数据提取单元(5)的输入端；故障行波形态特征数据提取单元(5)的一个输出端连接GPS写时标接口电路(7)的输入端，另一个输出端连接工控机(6)的存储单元(6.1)；GPS写时标接口电路(7)的输出端连接高精度GPS装置(8)的输入端；高精度GPS装置(8)的输出端连接GPS读时标接口电路(9)的输入端；GPS读时标接口电路(9)的输出端连接存储单元(6.1)；存储单元(6.1)与故障行波形态特征数据的时差分析单元(6.4)、故障距离计算单元(6.3)、故障显示单元(6.2)和人机接口单元(6.5)双向连接。
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