宽频带暂态记录分析及故障精确定位系统研究

刘宏伟，马 伟，袁 强，李业锋，田玉芳

(国网枣庄供电公司, 山东 枣庄 277000)

随着我国经济的快速发展，生产生活对电力的依赖程度逐渐增加。电力系统一旦发生故障引发停电，往往会造成较为严重的损失。尤其是在高电压等级及长距离传输系统中，由于故障引发的停电事件造成的经济损失巨大。

目前电力系统动态记录装置得以广泛使用，在我国电力系统故障结果分析与故障原因定位方面发挥了重要作用，故障录波数据已成为电力系统故障分析和保护动作判断的不可或缺的资料[1-3]。当电力系统发生故障时，电力工作人员可以通过故障录波监测装置的故障分析结果实现故障原因快速分析定位，有利于快速排除故障。但故障录波监测装置采样率一般在10 kHz以下，在谐波分析方面一般仅具备25次及以下谐波的分析能力，不具备高频行波的采集能力，这就导致故障录波监测装置在电力系统分析中存在以下几点不足：不具备高频谐波的记录能力，当电力系统发生故障时，无法监测、记录、分析电力系统电气量的高频部分，造成无法对电力系统故障进行全方位的分析；不具备电力行波的采集能力，导致无法进行行波法测距分析，在测距精度方面存在劣势。

开展宽频带暂态记录分析及故障精确定位系统的研究对发展、提高电力系统分析技术有至关重要的作用,为此本文研制了一种宽频带暂态记录分析及故障精确定位系统。

1 系统设计

1.1 系统设计指标

宽频带暂态记录分析及故障精确定位系统是在传统电力系统动态记录装置基础上集成高频信号采集功能，从而实现宽频带暂态记录分析及故障精确定位功能，同时达到降低变电站投资成本、提高输电线路行波测距功能覆盖率的目的。

本系统主要设计目标：

1)在传统电力系统动态记录装置故障测距高可靠性的基础上，显著提高测距精度，输电线路长度在300 km以下，发生故障时双端测距平均误差不大于500 m；输电线路长度在300 km及以上，发生故障时双端测距平均误差不大于1 000 m。

2)系统具备50次及以下谐波的分析能力，当电力系统发生故障时，可监测、记录、分析电力系统电气量的高频部分。

3)具备传统电力系统动态记录装置所有功能，满足《DL—T 553—2013 电力系统动态记录装置通用技术条件》相关要求。

1.2 总体方案设计

宽频带暂态记录分析及故障精确定位系统总体设计方案如图1所示，系统包括以下单元：宽频带采集单元、开关量采集单元、控制单元(如图1所示FPGA部分)、对时单元、管理单元、显示单元。

图1 系统框图

1.2.1宽频带采集单元

宽频带采集单元可实现以下功能：

1)输入信号的隔离变送功能；

2)信号的分频，将信号分为低频、高频两个部分，分别进行处理；

3)对信号进行A/D转换；

4)将A/D转换结果传送至控制单元；

5)输出测频信号。

如图2所示，电气信号接入装置后，首先经过隔离变送单元，由内部的电压互感器、宽频带电流互感器将电气信号变送至信号分频单元，在分频单元将宽频带信号分为低频信号、高频信号两部分，然后送至宽频带采集单元进行A/D采样，之后再送至控制单元进行后续处理。

图2 宽频带模拟量采集单元框图

1.2.2开关量采集单元

录波开关量采集板主要负责开关量信号的光电转换采集，如图3所示，开关量信号接入装置后，经过电平转换、光电隔离后通过数据采集总线传送至控制单元进行数据采集。

图3 开关量采集单元框图

1.2.3控制单元

如图4所示，控制单元主要实现以下功能：通过底板数据采集总线控制模拟量和开关量的数据采集，将转换后数据通过SGMII接口传送给管理板；控制北斗/GPS对时单元实现卫星对时功能；控制光B码、电B码校时信号的输入/输出；控制联动启动接口，实现装置间联动功能。

图4 控制单元框图

1.2.4对时单元

对时单元主要实现卫星信号的接收转换，为系统提供高精度时钟。如图5所示，对时单元通过北斗/GPS天线接收卫星对时信号，通过对时模块实现对卫星对时信号的解析，并将解析结果通过数据总线传送到控制单元。

图5 对时单元框图

1.2.5管理单元

如图6所示，管理单元主要负责数据的处理、实时计算各通道工频有效值、谐波计算、序分量分析、故障启动判断、故障数据缓存、故障文件的整理存储等功能，以及对暂态数据和稳态数据整理存储、故障测距、故障的详细分析、数据通讯远传等功能。

图6 管理单元框图

1.2.6显示单元

如图7所示，显示单元主要功能是实时显示、数据分析、故障文件的现场分析等；主板采用工业级COMe模块，低功耗设计。

图7 显示单元框图

2 关键技术研究

2.1 综合测距算法的设计

目前电力系统应用的故障录波监测装置主要采用阻抗法进行故障测距，存在较大误差[4-5]。行波法测距能准确地计算出故障发生点，但存在易受杂波影响的缺点[6]。本文依据现有的阻抗测距理论和行波测距理论，探索两种理论在测距方式及记录分析方面的结合点，提出了一种综合测距算法，以实现电力故障精确定位。算法计算处理流程如图8所示。

图8 综合测距算法流程图

阻抗测距法是基于工频电气量原理进行工作的，它通过故障过程中的电流、电压数据，计算获得故障回路中的阻抗值，通过构建电压平衡方程，采用数值分析法求出产生故障的位置和测量点的电抗，最终得到准确的故障距离。

行波法测距基于行波波头时刻和行波波速构建测距方程，直接通过数值计算得到测距结果[7]。单端行波测距方程为：

l=v(tn1-tn2)/2

(1)

式中：l为测距结果；v为行波速度；tn1为第一个行波的到达时刻；tn2为该行波在故障点的反射行波的到达时刻。

双端行波测距方程为：

(2)

式中：L为线路长度；tm1为本端第一个行波的到达时刻。

如图8所示，综合测距分析通过比较阻抗法、行波法的测距结果，进行以下操作：

1)可靠性分析，通过比较阻抗法测距与行波法测距结果的偏差来判断测距结果的可靠性。如果二者偏差在偏差门限范围内，说明为可靠结果；如果二者偏差超过偏差门限范围，说明为不可靠结果。

2)测距精度校正，通过1)中测距结果可靠性选择合适的测距结果。如果为可靠结果，以行波法测距结果为准，从而提高综合测距算法的精度；如果为不可靠结果，以阻抗法测距结果为准，从而消除杂波对行波测距算法的影响，提高综合测距算法的可靠度。

经试验验证，综合测距算法具有以下优势：

1)提高传统故障录波装置测距精度。在装置运行方面，克服了传统故障录波装置的阻抗测距方法易受过渡电阻、对端溃入电流等因素影响，测距精度不能满足电力系统要求的情况。

2)克服行波测距装置易误启动、不能记录工频数据缺点。

2.2 高速压缩存储单元的设计

硬件压缩线程采用硬件无损压缩技术，速率高达2.5 Gbps，格式符合ZLIB/Deflate/GZIP (RFC 1950/1/2)标准。

如图9所示，原始数据经前置计算分析，形成数据文件后发送至硬件压缩模块压缩，压缩完成后进行数据存储。经运行测试，电力故障数据压缩比大于5∶1。以此压缩比进行计算，数据存储速度大于 400 MB/s。

图9 硬件压缩框图

3 试验测试与结果分析

系统设计完成后，为验证系统有效性，分别从高频信号与工频信号显示、压缩测试以及故障测距方面进行测试。

3.1 高频信号与工频信号显示

图10和图11为同一时间段的高频与工频信号波形,系统分析软件可对高频、工频信号进行分析，并可查看高频、工频样点波形。系统可根据采样波形进行故障测距，如图10中底部状态栏所示，故障测距结果为299.277 km。

图10 高频波形

图11 工频波形

3.2 高速压缩算法测试

系统设计完成后，对系统数据压缩能力进行专项测试。通过对系统所有采样通道施加不同信号，查看相应记录文件原始大小与压缩后大小，计算压缩比；在测试过程中，同时查看系统对压缩数据的解压缩能力。

测试结果见表1，系统针对电力数据的压缩比大于5∶1，实现了设计要求；系统可对压缩数据实现解压缩，解压缩后数据与原始数据一致，实现了无损压缩。

表1 压缩测试记录

3.3 故障测距功能测试

系统设计完成后，于国网电力科学研究院进行了试验测试，其中故障测距试验的试验结果见表2。试验测试模型线路长度为400 km，M和N为输电线路两端变电站，表中故障点为距M侧距离。宽频带暂态记录分析及故障精确定位系统部署于M站和N站，当故障发生时，系统报出测距结果。

表2中各项测试结果满足设计要求，故障测距功能稳定可靠。

表2 故障测距结果

3.4 谐波分析能力测试

经测试，系统谐波分析能力达到系统的设计目标。由图12可知，系统具备50次及以下谐波的分析能力，当电力系统发生故障时，可监测、记录、分析电力系统电气量的高频部分。

图12 谐波分析能力测试

4 结束语

本文介绍了一种宽频带暂态记录分析及故障精确定位系统，该系统实现了对现有电力系统动态记录装置的优化调整，具有以下显著技术优势及创新点：

1)采用综合测距算法实现了线路故障的精确定位，经试验验证可有效提高线路故障测距的精度及可靠性，测距精度满足设计指标。

2)采用宽频带采样模式，使系统具备高采样率及高频分析能力，可提高高频分析性能，实现50次及以下谐波的分析能力，可广泛应用于柔性直流输电、高压直流输电等需要监控故障高频部分的系统。

3)系统具备传统电力系统动态记录装置所有功能。

综上，系统达到设计指标要求，应用前景广阔。