新型录波器单端故障定位可行性研究

张伦+朱道敏+贾敏敏+张改杰

摘 要：针对当前分布式故障录波系统状况，结合录波器结构和性能，在不干扰录波器正常功能的前提下，依靠高性能DSP强大的数据分析处理能力，通过改进录波器硬件架构为基于CPLD的数据采样模块和DSP为主控的数据处理分析模块以提升系统采集处理能力，并提出由一种DSP执行的微分方程故障测距算法。大量仿真表明该算法能满足故障线路测距工程实际要求，从硬件和软件两方面论证电力系统故障录波器实现单端故障定位的可行性。

关键词：故障录波器；CPLD；DSP；微分方程；故障测距

0 引言

故障录波器作为电力系统发生故障及振荡时自动记录的一种装置，记录因短路故障、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等大扰动引起的系统电流、电压以及有功、无功和系统频率的变化过程，用于检测继电保护与安全自动装置的动作行为，了解系统暂态过程中系统中各电参量的变化规律，校核电力系统计算程序及模型参数的正确性[1]。当前故障录波系统是由分散安装在各个变电站开关柜或保护小室内的录波器构成的辐射式系统，采集的数据通过网络发送到同一录波主站，主站再对接收到的故障数据进行处理分析，以确定故障类型和故障位置及深层次的研究[2]。

1 故障录波器结构原理

电力系统故障录波器主要负责采集各种电压、电流模拟量及开关量。电压、电流信号经隔离变送后进行A/D转换，通过处理分析进行各项故障启动判断并按照要求保存录波数据。当故障未发生时，仅对监测电压电流进行低速采样计算，同时扫描开关量以形成实时监控，并对这些采集数据进行滤波、采样值转换、对称分量分解、求取频率等处理，然后按规定的启动判据判断故障是否发生。一旦故障发生立即启动高速采样模式进入故障录波状态，按照DL/T533-94《220～500kV电力系统故障动态记录技术准则》记录故障数据[3]。

2 录波器结构功能改进

录波过程中DSP执行采样控制、数据处理、协调通信的同时要兼顾时钟同步、键盘输入、屏幕显示等附属任务，运算负荷大，受制于硬件水平额外执行故障测距定位程序可能会影响到录波器的正常功能。为了解决DSP处理能力的技术瓶颈，我们做如下改进：在原有DSP模型的录波装置基础上，将采集系统硬件电路分成数据采样模块和DSP数据处理分析模块两部分，并且将二者分开设计成独立的子板，由四块数据采样板和一个DSP主控板组成一个完整的数据采集系统，采样板与主控板之间通过现场总线连接实现指令通信与数据传输。

3 单端故障定位

3.1 故障测距算法综述

在研究高压输电线路精确故障测距问题上，根据计算时所用电气量是线路单端电气量还是双端电气量算法可以分为两类：单端测距算法和双端测距算法。目前国内外对这方面作了大量深入研究，提出了许多实用有效的算法，如：解微分方程算法、零序电流相位修正法、故障电流相位修正法、并行退火单端测距算法、傅氏变换技术测距法、解二次方程法及长线方程的近似求解算法等。对于录波器而言，DSP通过双口RAM读取的是原始采样点数据，为了节约计算空间，最快的得出故障点位置，要求我们植入的故障定位程序模块能直接读取采样数据。通常大多数故障测距算法是综合模拟量和开关量建立的模型，但是这些模型对于基于录波器直接定位故障点是不实用的，因为录波装置是先于保护装置反映的，开关量无法反映当时确切故障状态。结合辐射式录波系统实际，线路一侧录波器不能与对侧录波器通信，无法获取对侧故障数据，因此这种情况下，双端测距算法无法实现，只能采取单端法。

3.2 算法仿真

采用500kV，300km的双端电源系统进行数字仿真，其正序参数分别为：

4 结 论

本文从电力故障录波器结构入手，研究发现从硬件架构的角度，在不影响甚至是增强录波器基本功能的前提下，稍微改进硬件设计就能实现所监测线路的故障定位，并且从原理上推理出基于微分方程的单端故障测距算法的合理性，从而进一步论证该算法结合录波器确定故障位置的可行性。这种设计改进成本低，可靠性高，完全可以取代在现有的录波器。