基于阻抗法与行波法综合测距的运行分析支撑体系设计

莫振雄，黄砺钧，宁进荣

(广西电网有限责任公司玉林供电局，广西 玉林 537000)

近年来随着国民经济的不断发展，电网规模不断扩大。电力系统的各种故障通常会造成比较严重的后果，由此引发的停电事件造成的经济损失巨大，因此对电网故障进行精准测距就显得尤为重要。目前主流的故障测距方法有阻抗法和行波法两种，对应的测距装置主要有故障录波装置和行波测距装置。现有的行波测距装置利用行波在输电线路上有固定传播速度这一特点，采用小波变换技术，实时分析处理故障行波数据，确定故障距离。其测距精度基本不受线路长度、故障位置、故障类型、负荷电流等因素的影响，行波测距装置采用的测距方法有单端行波测距和双端行波测距。随着全球定位系统(GPS)同步时间单元的不断发展，利用线路两侧获取到的行波暂态分量的绝对时间之差，计算故障点到线路两侧测量点之间的距离的双端测距算法，测量精度高，基本误差可以缩小至500 m内，但是测距装置在实际现场运行中由于开关动作及线路扰动会引发误启动现象，因此会产生大量无用数据；而采用单端行波测距分析时，在高阻、端口故障情况下存在反射波波头幅值较小、波头性质难以识别的情况，容易造成测距失败。现有的故障录波装置多采用阻抗法测距，通过计算故障发生时的电压和电流量来判断故障点距离，虽然过渡电阻、系统阻抗和负荷电流等原因会造成定位误差稍大，但是启动可靠性较高[1]。

目前国内许多变电站内已经引进了这两种装置，并且针对两种装置设有独立的数据分析联网运行平台，但缺少一种数据综合分析平台。笔者将故障录波装置和行波测距装置采集到的故障数据集中起来，对同一次故障采用故障录波装置采集的工频数据和行波测距装置采集的行波数据进行综合测距分析，设计基于阻抗法与行波法综合测距的运行分析支撑体系。

1 关键技术及原理

1.1 行波测距原理

利用行波在输电线路上有相对稳定的传播速度的特点，通过测量故障行波脉冲到达故障线路两端母线的时间差或故障行波脉冲在母线与故障点来回反射的时间差实现故障定位[2]。

1)单端测距。

故障行波定位原理如图1所示，线路MN在F点发生故障时，故障点产生的暂态行波脉冲以波速度v向线路两端传播，并在故障点及母线之间来回反射，其传播过程如图2所示，安装于M侧的故障行波测距装置对接入的电流信号滤波后，记录下如图3所示的行波波头脉冲信号。装置记录下初次到达母线的行波波头的时刻T1和通过故障点反射回来的行波波头到达的时刻T2(T3…),通过其时间差，可以准确地计算出故障点的确切位置。故障点与母线M之间的距离LMF为：

图3 行波录波示意图

图2 行波传播示意图

图1 故障行波定位原理图

(1)

2)双端测距。

如图4所示，线路MN在F点发生故障时，故障点产生的暂态行波脉冲以波速度v向输电线路两端传播，安装于M和N两侧的故障行波测距装置分别记录下故障初始行波波头到达的时刻T1和T2，通过通讯网络，获得对方的记录时刻，则根据式(2)和式(3)可计算出故障点的位置。

图4 双端测距示意图

(2)

(3)

式中：LMN为线路MN的长度；LNF为故障点与母线N之间的距离。

3)综合测距原理。

输电线路发生故障时，理想条件下产生的行波过程如图3 所示，但在实际运行过程中，T1点对应的故障初始行波一般比较容易识别，T2点对应的反射波受到对端母线反射波经故障点透射波的影响，识别比较困难。

综合测距过程：首先分析工频录波文件，判断出故障线路和故障类型，找出故障发生时刻，利用阻抗法测距，测出故障点的粗略位置，然后根据故障时刻在行波录波文件中找到初始行波，根据阻抗法的测距结果，在一定范围内找出反射行波波头，根据初始行波和反射行波进行精确定位，如图5所示。

图5 综合测距过程示意图

1.2 运行分析支撑体系关键技术

1)大容量、高缓存的数据压缩存储。

故障录波监测装置监测线路较多、录波文件录波时间长，系统接收到装置的故障录波数据后，会缓存大量的工频录波数据文件，需要对工频录波文件进行分类、解析、压缩处理。因此，支撑体系需要考虑故障文件的存储问题。

2)工频录波与高频行波映射匹配。

故障录波装置与行波测距装置在变电站内为两种独立运行的二次设备。行波测距装置一般单独接入GPS对时系统以保证系统时钟的正确性，而录波装置对GPS时钟精度以及守时能力要求较前者低。由于在故障发生后，故障录波装置生成的故障录波文件与行波测距装置生成的高频行波文件在时间方面存在差异，因此系统需要根据两种装置的系统时间进行时间差校准，然后根据时间关系查找对应的工频与高频录波文件。

2 系统体系结构

2.1 某供电局现有结构介绍

目前，某供电局的一些变电站已引入行波测距装置，并且实现了行波装置的组网。现有的行波装置和联网主站运行良好。此外变电站内已有故障录波装置，但是这些录波装置和行波测距装置及行波联网主站各自独立，没有做到数据资源的共享。由于行波装置经常产生误启动，因此如果把站内的录波装置接入行波联网平台，用录波装置辅助行波装置，利用阻抗分析优化行波分析，对故障线路进行综合测距，既能保障现场测距信息的准确性，又能对站内二次设备资源进行有效整合。

2.2 系统整体架构

电网故障智能分析系统由分布在各变电站内的行波录波装置、数据综合处理分析平台和用户三部分组成，如图6所示。当某两个变电站之间的线路发生故障时，安装在线路两端变电站内的行波和录波装置分别产生高频行波数据和工频录波数据，并生成对应的COMTRADE文件。数据文件通过IEC103或者IEC61850通信协议上传至数据综合处理分析平台，存储在平台数据库服务器，经过数据处理程序处理后，形成线路测距和波形分析所需的数据格式，并将与故障测距相关的信息以Web网页、手机APP及短信推送的方式传递给系统用户。其中，分布在各站内的行波录波装置是整个系统的数据来源，数据综合分析平台是系统的核心，共同为用户提供最终、精确的线路故障测距信息[3-4]。

图6 系统整体架构示意图

3 系统关键技术实现方案

3.1 分布式文件存储与计算

系统装置上传的故障文件具有庞大的数据量，尤其是高频行波文件(100万～6 300万数据点)，并且系统展示界面需要同时打开最多4个故障文件；系统还需对设备状态、故障告警等信息做细粒度的统计，在处理性能及处理方式上有更高的要求，因此需要考虑分布式存储及计算技术来解决数据处理能力方面的问题。

GridFS是一种将大型文件存储于MongoDB的文件规范[5-6]。在1.2中提到，录波装置会产生较多、较大的录波文件，并存储于系统服务器中。支撑体系整体数据存储选用MongoDB数据库是为了实现分布式文件存储，而采用GridFS则为支撑体系提供了高性能的数据存储方案。GridFS作为MongoDB的一个子模块，用于持久存储文件，且支持文件的分布式存储与读取，它解决了MongoDB中BSON格式数据存储尺寸限制的问题。GridFS在文件访问方面，可以访问部分文件而不用加载整个文件，提高了文件访问的性能。另外，MongoDB支持分布式计算MapReduce。MapReduce的主要工作原理是将大批量的数据分解执行，再将分解执行的结果合并成最终结果。数据分解后，可以用多台机器进行并行运算，以此提高计算速度。

支撑体系中的数据综合处理分析平台采用NoSQL MongoDB数据库，保证了数据的分布式存储与计算，为线路故障综合测距提供了有力的数据保障。数据库部署配置采用MongoDB分布式集群方式，实现了数据备份，提高了系统数据存储的安全性与系统的可靠性。

3.2 工频录波文件与高频行波文件的映射匹配

工频录波与高频行波综合测距的先决条件是必须保证故障录波装置和行波装置的时间准确性，变电站内装有时间同步系统，两类装置都具备GPS或北斗对时功能，因此在时间的准确性上是可以保证的；其次，工频和高频文件在命名方式上需要遵循统一的命名规则，一般情况下，如果两种文件使用同一种规约上传至服务器端，则这一条件是满足的，若不是，则需要定义统一的命名规则。当线路发生故障时，两类装置都会启动，生成对应的工频录波和高频行波文件。由于故障录波装置的启动准确率较高，因此用故障录波装置产生的工频录波文件为依据，来匹配映射高频行波文件，具体的映射匹配流程为：1)设置可允许时间差经验值T，以工频录波文件时间Xi为基准，前推时间T，后推时间T，形成映射区间[Xi-T,Xi+T]；2)在上述区间内，查找高频行波文件，如果符合条件的有多个高频文件，则取与Xi绝对时间差最小的那个高频文件Yj[2]。

4 系统结构特点及功能设计

系统实现对行波录波装置的运行工况监视、设备管理、档案管理、线路故障记录分析、故障短信通知、故障杆塔定位、故障统计分析、行波录波综合测距分析，可为快速排除线路故障提供依据，提高电网运行的经济性和二次设备管理水平[7-9]。系统软件使用模块化的设计方式，采用四层架构：数据源、计算层、存储与查询层和高级应用层，如图7所示。

图7 系统软件架构图

4.1 系统特点

综合测距的准确性、短信通知的及时性、地理信息和杆塔定位的精准性是系统的主要特点。系统支持IEC61850国际标准、IEC103标准和COMTRADE数据标准，具有高可靠性和扩展性[10]。在安全性方面，系统实施时安装防火墙及物理隔离装置，软件方面配备DES加密算法及多层企业级监听单元与过滤单元，网络结构健全，有效杜绝恶意原因造成的破坏、更改、泄漏，实现结构上的分布式，保证系统即使单节点宕机或故障也能保证数据及网络服务不间断；系统移动端通过物理防护及软件算法能够抵御篡改、窃听、拒绝服务等主动攻击及拥有识别伪造访问、抵抗远程攻击的能力。

4.2 系统功能

系统在原有行波装置联网的平台上接入故障录波装置，因此要实现对两类装置的台账信息维护、运行工况监视和智能告警功能，只有实时监视设备的运行状态，保证通信设备正常工作，才能在故障发生时提供故障的原始信息。

系统不仅能提供准确详细的故障记录信息，还能提供工频录波阻抗测距结果、行波法测距结果及录波行波相结合的校准后的故障测距信息，以及图形化的故障杆塔定位展示和故障地理信息展示。系统提供了强大的录波文件波形分析功能，支持工频录波文件及行波录波文件同屏显示，最多可同时打开4个录波文件，并能够根据相同时刻的游标级联实现故障定位，在满足单端及双端测距的基础上，能够将阻抗法、行波法、综合测距法的结果及计算参数予以高亮标注，辅助使用者计算与查看。

系统提供短信通知功能，实时推送故障、测距和告警信息，根据不同的权限和用户类型设定相关的短信通知内容。

支持移动端的访问，用户可以实时地通过手机或者平板电脑登录系统，使用远程在线方式完成平台的监视、控制与分析工作。移动端的主要功能有波形分析、杆塔定位、设备工况展示、综合测距算法步骤查看、故障推送等。

5 结束语

本文描述了一种基于录波和行波综合测距的高可靠性装置组网的电网故障智能分析系统，以某供电局已有的行波装置联网平台为依托，接入故障录波装置，在输电线路发生故障时，利用故障录波装置启动准确率较高和行波装置测距精度高的优势，取长补短，实现故障测距。系统有效解决了扰动数据多、首波头及反射波波头难找的问题，提高了测距精度，进而实现线路监视、故障定位、设备掌控一体化，减少了巡线的工作量，缩短了故障修复时间，提高了供电可靠性，为变电站及线路的检修运维提供了准确可靠的依据。