基于LabVIEW的输电线路故障行波分析平台

徐丽丽， 黄欣， 陈平， 姜伟昌， 王建鹏

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049；2.国网湖南郴州市供电公司，湖南 郴州 423000；3.国网山东高青县供电公司，山东 淄博 256300；4.国网山东寿光市供电公司，山东 寿光 262700)



基于LabVIEW的输电线路故障行波分析平台

徐丽丽1， 黄欣2， 陈平1， 姜伟昌3， 王建鹏4

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049；2.国网湖南郴州市供电公司，湖南 郴州 423000；3.国网山东高青县供电公司，山东 淄博 256300；4.国网山东寿光市供电公司，山东 寿光 262700)

提出了基于虚拟仪器技术的输电线路故障行波分析平台的总体设计方案，完成了基于LabVIEW完成了输电线路故障行波分析平台的设计，包括接收并分析不同数据类型仿真数据、多种行波测距方法的设计、计算与分析结果的图形化显示、给出不同测距方法的数据结果、数据结果的存储与读取。仿真实例表明本平台测试结果准确、界面友好、性能稳定。

输电线路；行波；故障测距方法；虚拟仪器技术；LabVIEW

0 引 言

输电线路故障直接威胁到电力系统的安全运行，准确的故障定位既能减轻巡线负担，又能加快线路的恢复供电，减少因停电造成的综合经济损失，因此输电线路精确故障测距非常重要。由于电力系统的大规模性和复杂性，加之不同的测距方法有着各自的弊端，输电线路依赖单一的测距方法得出测距结果具有一定的误差[1-4]，而输电线路通过多种测距方法得出各自的测距结果会更具参考性。传统的输电线路故障行波分析软件往往仅依赖于单端或双端测距原理及方法给出测距结果，使得测距结果精度仍具有一定的局限性。

随着计算机和网络技术的发展，我们能够借助某些软件，例如，MATLAB、PSCAD、ATP等，通过搭建仿真模型和仿真平台，模拟输电线路故障，对故障行波进行学习和研究，对提出的应用于线路故障中的新方法或改进方法进行验证。文献[5]提出了一种基于MATLAB的输电线路故障行波分析仿真平台，该平台建立了输电线路的分布参数模型，应用MATLAB编程实现对输电线路故障的仿真以及故障行波的提取。文献[6]借助ATP仿真，验证了论文中提出的输电线路组合行波测距方法。近年来，“硬件软件化”的虚拟仪器技术作为一个重要开发工具被越来越广泛的引用到电力系统中。目前，基于LabVIEW开发的系统在电能质量监测，故障录波，谐波在线监测与分析方面得到应用[7-8]。

本文借助LabVIEW来设计开发输电线路故障行波分析平台。该平台通过软件编程能够采集来自MATLAB、PSCAD软件的仿真数据，通过对故障行波到达时间的标定，计算给出输电线路故障时的单端、双端及组合行波测距结果，解决了手工计算测距结果的问题。该平台测距结果可信度高，拥有可视化的图形显示功能、数据显示功能、数据存储与读取功能。平台界面设计简洁、合理，还可依据其他不同测距原理添加分析功能，可拓展性强。

1 平台整体设计方案

输电线路故障行波分析平台的功能实现采用基于虚拟仪器的思路，用软件编程来完成数据获取，分析、计算，波形显示，测距结果显示的功能。平台总体架构如图1所示。

图1 输电线路故障行波分析平台总体架构图

该平台应用功能模块主要有：数据获取模块、软件分析模块、测距结果显示模块、数据存储与读取模块。其中软件分析模块是整个平台的核心，主要包括参数设置模块、波形显示模块、行波测距模块。

2 输电线路故障行波分析平台建立

2.1 输电线路故障行波分析平台的主要算法

平台能够独立进行单端、双端分析方法进行测距[9]，也能够采用组合行波分析方法测距。其中组合行波故障测距是结合了单端、双端测距原理，加入时间判据进行测距的一种方法。

图2 输电线路故障示意图

如图2所示，线路F点在绝对时间发生故障，根据组合行波测距原理，记录故障初始行波浪涌到达A、B两端母线的绝对时刻之差为Δt。

Δt=tA1-tB1

(1)

根据单端、双端测距给出的测距结果，由式(2)计算出故障初始行波到达A、B两端的时间差，记作Δt1,Δt2。

(2)

式中LAF1、LBF1为单端测距结果，LAF2、LBF2为双端测距结果。

通过比较∣Δt-Δt1∣、∣Δt-Δt2∣两者之间的关系，列出时间判据，选择合适公式，确定故障位置。方法如下：

(1) 当∣Δt-Δt1∣<∣Δt-Δt2∣时，可由(3)式确定故障点位置。

LBF=L-LAF

(3)

(2) 当∣Δt-Δt1∣>∣Δt-Δt2∣时，可由(4)式确定故障点位置。

LAF=L-LBF

(4)

(3) 当∣Δt-Δt1∣=∣Δt-Δt2∣时，可由(5)式确定。

(5)

2.2 数据获取模块

在LabVIEW开发环境下，借助MATLAB script节点，获取来自MATLAB或PSCAD输电线路仿真模型中的线路电流或电压数据。该模块程序设计如图3所示。

图3 数据获取模块程序

2.3 软件分析模块

软件分析模块包括参数设置模块、波形显示模块、行波测距模块。

参数设置模块中仿真模型的仿真频率、输电线路故障发生的时刻、线路长度、波速等数据均采用LabVIEW前面板中的输入控件。可根据不同仿真模型进行便捷地修改，且不影响分析模块的分析计算功能。

波形显示模块是对获取的数据进行图形化编程，使得在前面板可以显示故障后的电压或电流的波形。

针对测距模块的设计实现了根据不同种故障测距原理，标定故障行波浪涌到达的时刻，进而分析故障数据，给出测距结果的功能。分析模块通过对不同测距方法的选择，根据测距方法对应的算式，分析计算故障数据，既能够单独给出一种方法的测距结果，也能给出多种方法的测距结果。软件分析模块程序如图4、图5所示。

图4 双端测距分析模块程序

图5 单端测距分析模块程序

2.4 结果显示模块

测距结果采用数值显示控件进行数据显示，可便捷地读取测距结果。

2.5 数据存储与读取模块的建立

输电线路故障行波分析平台，在完成对各项数据采集、分析的同时，还能够对运行过程中产生的各项数据进行存储与管理。数据存储与读取模块，借助Access建立的数据库实现了对线路行波测距结果的存储与读取。

2.6 平台前面板设计

平台前面板显示了故障后电压或电流的波形，可以对波形图的横坐标直接进行修改，缩短时间间隔，查看故障后某一时间段的放大波形。

通过对波形的分析，标定所需的故障行波浪涌到达的时刻。可以直接拖动波形图上的游标，对时间进行标定，也可通过观察放大后的波形图手动修改游标框中X的值，更精确的标定时间。点击“获取绝对时间”按钮，可在前面板中显示出故障后第一次和第二次行波浪涌到达A、B两端的绝对时间。

在前面板选择所需要的测距方法，即可显示对应的测距结果。

此平台的前面板的设计，可以让用户自主选择测距方法，直观的观察到测距结果，省去了人工手算的复杂过程，便于分析仿真结果，提高测距精度。平台前面板如图6所示。

图6 输电线路故障行波分析平台前面板图

根据仿真模型，在前面板参数设置模块中设置相应的参数。运行平台获取数据模块，在前面板显示了故障后电压或电流的波形，可以对波形图的横坐标直接进行修改，缩短时间间隔，查看故障后某一时间段的放大波形。

通过对波形的分析，标定所需的故障行波浪涌到达的时刻。可以直接拖动波形图上的游标，对时间进行标定，也可通过观察放大后的波形图手动修改游标框中X的值，更精确的标定时间。点击“获取绝对时间”按钮，可在前面板中显示出故障后第一次和第二次行波浪涌到达A、B两端的绝对时间。

在前面板选择所需要的测距方法，即可显示对应的测距结果。测试中同时选择了双端测距、单端测距、组合行波测距按钮，选择“点击获取绝对时间按钮”后，运行程序。

3 平台测试

3.1 仿真数据获取

利用PSCAD建立如图7所示的架空输电线路模型。图7中电压等级为220 kV，输电线路长度L=90 km。F2点距离A端50 km。定义A端至故障点的距离为LAF，B端至故障点的距离为LBF。根据模型中架空线的分布参数可求得行波的传播速度v=295.08 km/ms。

图7 输电线路故障示意图

3.2 F点故障

设t=0.022 5 s时，线路距A端的F点发生A相接地故障，进行仿真并存储仿真数据。

根据仿真模型，在前面板参数设置模块中设置相应的参数。运行平台获取数据模块，获取数据后，拖动游标对时间进行标定，之后选择需要的测距方法，即可显示对应的测距结果。本次测试中同时选择了双端测距、单端测距、组合行波测距按钮，运行程序。

程序运行完成后，可知第一次、第二次行波浪涌分别到达A端和B端的绝对时刻分别为tA1=0.022 67 stA2=0.022 94 s，tB1=0.022 63 s，tB2=0.022 9 s。

前面板中双端测距结果显示，A端至故障点距离为49.783 km，即LAF=49.783，计算得误差为217 m，单端测距结果显示为39.908 km，误差为92 m，组合行波测距结果显示B端至故障点距离为40.085 km，即LBF=40.085 km，误差为85 m。

3.3 不同点单相故障时的数据存储与读取

输电线路故障行波分析平台中的数据存储是采用自动存储方式，即每运行一次程序，就会自动存储一次故障测距得出的测距结果。

前面板中设计了数据读取按钮。图8所示为平台测试的3个不同点单相接地故障时，各测距方法给出的测距结果。由图8所示故障测距结果可知，该平台测试结果可靠，性能稳定。

图8 不同故障点测试的测距结果

4 结束语

本文主要针对输电线路故障行波分析问题进行了研究。利用LabVIEW虚拟仪器强大的数学运算能力，搭建了输电线路故障行波分析平台。平台根据单端、双端及组合行波测距方法设计实现了对应测距功能，给出故障点到两端的距离。经测试，误差在允许范围内，测距结果可信。平台建立了故障数据库，能够存储及读取测距结果，方便分析研究。本平台可扩展空间大，软件编程稳定性高，可靠性好，便于功能的完善及扩充。

[1] 徐丙垠，李京，陈平,等.现代行波测距技术及其应用[J].电力系统自动化,2001, 25(23): 62-65.

[2] 陈平.输电线路现代行波故障测距及其应用研究[D].西安:西安交通大学, 2003.

[3] 葛耀中.新型继电保护与故障测距原理与技术[M]. 西安:西安交通大学出版社, 2007.

[4] 何军娜,陈剑云,艾颖梅,等.电力系统行波测距方法及其发展[J].电力系统保护与控制,2014.42(24):148-154.

[5] 马永明, 陈平.基于MATLAB的输电线路故障行波仿真平台[[J].山东理工大学学报,2010,24(3):78-81.

[6] 王奎鑫，祝成，孙佳佳,等.输电线路组合行波测距方法研究[[J].电力系统保护与控制，2012,40(15):82-86.

[7] 楚清河，聂贞.基于LabVIEW的谐波实时在线监测系统的设计[J].中国科技信息，2009,24(1):38-44.

[8] 刘建华，谭智.基于LabVIEW的微电网电能质量监测系统.电力电子技术及智能交通系统国际会议[C].北京:中国学术期刊电子杂志社，2010.

[9] 高振华.广域行波测距系统的研究[D].山东:山东大学,2011.

A Traveling Wave Analysis Platform for Transmission Line Faults Based on LabVIEW

Xu Lili1, Huang Xin2, Chen Ping1, Jiang Weichang3, Wang Jianpeng4

(1.Department of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo Shandong 255049, China;2. State Grid Chenzhou Power Supply Co., Chenzhou Hunan 423000, China;3. State Grid Gaoqing County Power Supply Co., Zibo Shandong 256300, China;4. State Grid Shouguang Power Supply Co., Shouguang Shandong 262700, China)

This paper presents a general design scheme of the traveling wave analysis platform for transmission line faults based on virtual instrument technology, and gives a design of the traveling wave analysis platform for transmission line faults based on LabVIEW, including the design of reception and analysis of different types of simulation data and several traveling wave fault location methods, graphical display of calculation and analysis results, data result of different location methods, as well as storage and reading of data results. Simulation results show that the platform has accurate test result, friendly interface and stable performance.

power transmission line; traveling wave; fault location method;virtual instrument technology;LabVIEW

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.03.019

TM721

A

1000-3886(2016)03-0057-03

徐丽丽(1990-)，女，山东滨州人，硕士生，研究方向：电网故障检测与定位。

定稿日期: 2015-11-28