劉宏偉，馬 偉，袁 強(qiáng)，李業(yè)鋒，田玉芳

(國網(wǎng)棗莊供電公司, 山東 棗莊 277000)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生產(chǎn)生活對電力的依賴程度逐漸增加。電力系統(tǒng)一旦發(fā)生故障引發(fā)停電，往往會造成較為嚴(yán)重的損失。尤其是在高電壓等級及長距離傳輸系統(tǒng)中，由于故障引發(fā)的停電事件造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大。

目前電力系統(tǒng)動態(tài)記錄裝置得以廣泛使用，在我國電力系統(tǒng)故障結(jié)果分析與故障原因定位方面發(fā)揮了重要作用，故障錄波數(shù)據(jù)已成為電力系統(tǒng)故障分析和保護(hù)動作判斷的不可或缺的資料[1-3]。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，電力工作人員可以通過故障錄波監(jiān)測裝置的故障分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)故障原因快速分析定位，有利于快速排除故障。但故障錄波監(jiān)測裝置采樣率一般在10 kHz以下，在諧波分析方面一般僅具備25次及以下諧波的分析能力，不具備高頻行波的采集能力，這就導(dǎo)致故障錄波監(jiān)測裝置在電力系統(tǒng)分析中存在以下幾點(diǎn)不足：不具備高頻諧波的記錄能力，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，無法監(jiān)測、記錄、分析電力系統(tǒng)電氣量的高頻部分，造成無法對電力系統(tǒng)故障進(jìn)行全方位的分析；不具備電力行波的采集能力，導(dǎo)致無法進(jìn)行行波法測距分析，在測距精度方面存在劣勢。

開展寬頻帶暫態(tài)記錄分析及故障精確定位系統(tǒng)的研究對發(fā)展、提高電力系統(tǒng)分析技術(shù)有至關(guān)重要的作用,為此本文研制了一種寬頻帶暫態(tài)記錄分析及故障精確定位系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

寬頻帶暫態(tài)記錄分析及故障精確定位系統(tǒng)是在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)動態(tài)記錄裝置基礎(chǔ)上集成高頻信號采集功能，從而實(shí)現(xiàn)寬頻帶暫態(tài)記錄分析及故障精確定位功能，同時達(dá)到降低變電站投資成本、提高輸電線路行波測距功能覆蓋率的目的。

本系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)目標(biāo)：

1)在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)動態(tài)記錄裝置故障測距高可靠性的基礎(chǔ)上，顯著提高測距精度，輸電線路長度在300 km以下，發(fā)生故障時雙端測距平均誤差不大于500 m；輸電線路長度在300 km及以上，發(fā)生故障時雙端測距平均誤差不大于1 000 m。

2)系統(tǒng)具備50次及以下諧波的分析能力，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，可監(jiān)測、記錄、分析電力系統(tǒng)電氣量的高頻部分。

3)具備傳統(tǒng)電力系統(tǒng)動態(tài)記錄裝置所有功能，滿足《DL—T 553—2013 電力系統(tǒng)動態(tài)記錄裝置通用技術(shù)條件》相關(guān)要求。

1.2 總體方案設(shè)計(jì)

寬頻帶暫態(tài)記錄分析及故障精確定位系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，系統(tǒng)包括以下單元：寬頻帶采集單元、開關(guān)量采集單元、控制單元(如圖1所示FPGA部分)、對時單元、管理單元、顯示單元。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2.1寬頻帶采集單元

寬頻帶采集單元可實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)輸入信號的隔離變送功能；

2)信號的分頻，將信號分為低頻、高頻兩個部分，分別進(jìn)行處理；

3)對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；

4)將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果傳送至控制單元；

5)輸出測頻信號。

如圖2所示，電氣信號接入裝置后，首先經(jīng)過隔離變送單元，由內(nèi)部的電壓互感器、寬頻帶電流互感器將電氣信號變送至信號分頻單元，在分頻單元將寬頻帶信號分為低頻信號、高頻信號兩部分，然后送至寬頻帶采集單元進(jìn)行A/D采樣，之后再送至控制單元進(jìn)行后續(xù)處理。

圖2 寬頻帶模擬量采集單元框圖

1.2.2開關(guān)量采集單元

錄波開關(guān)量采集板主要負(fù)責(zé)開關(guān)量信號的光電轉(zhuǎn)換采集，如圖3所示，開關(guān)量信號接入裝置后，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換、光電隔離后通過數(shù)據(jù)采集總線傳送至控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖3 開關(guān)量采集單元框圖

1.2.3控制單元

如圖4所示，控制單元主要實(shí)現(xiàn)以下功能：通過底板數(shù)據(jù)采集總線控制模擬量和開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集，將轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)通過SGMII接口傳送給管理板；控制北斗/GPS對時單元實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星對時功能；控制光B碼、電B碼校時信號的輸入/輸出；控制聯(lián)動啟動接口，實(shí)現(xiàn)裝置間聯(lián)動功能。

圖4 控制單元框圖

1.2.4對時單元

對時單元主要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號的接收轉(zhuǎn)換，為系統(tǒng)提供高精度時鐘。如圖5所示，對時單元通過北斗/GPS天線接收衛(wèi)星對時信號，通過對時模塊實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星對時信號的解析，并將解析結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線傳送到控制單元。

圖5 對時單元框圖

1.2.5管理單元

如圖6所示，管理單元主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理、實(shí)時計(jì)算各通道工頻有效值、諧波計(jì)算、序分量分析、故障啟動判斷、故障數(shù)據(jù)緩存、故障文件的整理存儲等功能，以及對暫態(tài)數(shù)據(jù)和穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)整理存儲、故障測距、故障的詳細(xì)分析、數(shù)據(jù)通訊遠(yuǎn)傳等功能。

圖6 管理單元框圖

1.2.6顯示單元

如圖7所示，顯示單元主要功能是實(shí)時顯示、數(shù)據(jù)分析、故障文件的現(xiàn)場分析等；主板采用工業(yè)級COMe模塊，低功耗設(shè)計(jì)。

圖7 顯示單元框圖

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 綜合測距算法的設(shè)計(jì)

目前電力系統(tǒng)應(yīng)用的故障錄波監(jiān)測裝置主要采用阻抗法進(jìn)行故障測距，存在較大誤差[4-5]。行波法測距能準(zhǔn)確地計(jì)算出故障發(fā)生點(diǎn)，但存在易受雜波影響的缺點(diǎn)[6]。本文依據(jù)現(xiàn)有的阻抗測距理論和行波測距理論，探索兩種理論在測距方式及記錄分析方面的結(jié)合點(diǎn)，提出了一種綜合測距算法，以實(shí)現(xiàn)電力故障精確定位。算法計(jì)算處理流程如圖8所示。

圖8 綜合測距算法流程圖

阻抗測距法是基于工頻電氣量原理進(jìn)行工作的，它通過故障過程中的電流、電壓數(shù)據(jù)，計(jì)算獲得故障回路中的阻抗值，通過構(gòu)建電壓平衡方程，采用數(shù)值分析法求出產(chǎn)生故障的位置和測量點(diǎn)的電抗，最終得到準(zhǔn)確的故障距離。

行波法測距基于行波波頭時刻和行波波速構(gòu)建測距方程，直接通過數(shù)值計(jì)算得到測距結(jié)果[7]。單端行波測距方程為：

l=v(tn1-tn2)/2

(1)

式中：l為測距結(jié)果；v為行波速度；tn1為第一個行波的到達(dá)時刻；tn2為該行波在故障點(diǎn)的反射行波的到達(dá)時刻。

雙端行波測距方程為：

(2)

式中：L為線路長度；tm1為本端第一個行波的到達(dá)時刻。

如圖8所示，綜合測距分析通過比較阻抗法、行波法的測距結(jié)果，進(jìn)行以下操作：

1)可靠性分析，通過比較阻抗法測距與行波法測距結(jié)果的偏差來判斷測距結(jié)果的可靠性。如果二者偏差在偏差門限范圍內(nèi)，說明為可靠結(jié)果；如果二者偏差超過偏差門限范圍，說明為不可靠結(jié)果。

2)測距精度校正，通過1)中測距結(jié)果可靠性選擇合適的測距結(jié)果。如果為可靠結(jié)果，以行波法測距結(jié)果為準(zhǔn)，從而提高綜合測距算法的精度；如果為不可靠結(jié)果，以阻抗法測距結(jié)果為準(zhǔn)，從而消除雜波對行波測距算法的影響，提高綜合測距算法的可靠度。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，綜合測距算法具有以下優(yōu)勢：

1)提高傳統(tǒng)故障錄波裝置測距精度。在裝置運(yùn)行方面，克服了傳統(tǒng)故障錄波裝置的阻抗測距方法易受過渡電阻、對端潰入電流等因素影響，測距精度不能滿足電力系統(tǒng)要求的情況。

2)克服行波測距裝置易誤啟動、不能記錄工頻數(shù)據(jù)缺點(diǎn)。

2.2 高速壓縮存儲單元的設(shè)計(jì)

硬件壓縮線程采用硬件無損壓縮技術(shù)，速率高達(dá)2.5 Gbps，格式符合ZLIB/Deflate/GZIP (RFC 1950/1/2)標(biāo)準(zhǔn)。

如圖9所示，原始數(shù)據(jù)經(jīng)前置計(jì)算分析，形成數(shù)據(jù)文件后發(fā)送至硬件壓縮模塊壓縮，壓縮完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。經(jīng)運(yùn)行測試，電力故障數(shù)據(jù)壓縮比大于5∶1。以此壓縮比進(jìn)行計(jì)算，數(shù)據(jù)存儲速度大于 400 MB/s。

圖9 硬件壓縮框圖

3 試驗(yàn)測試與結(jié)果分析

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，為驗(yàn)證系統(tǒng)有效性，分別從高頻信號與工頻信號顯示、壓縮測試以及故障測距方面進(jìn)行測試。

3.1 高頻信號與工頻信號顯示

圖10和圖11為同一時間段的高頻與工頻信號波形,系統(tǒng)分析軟件可對高頻、工頻信號進(jìn)行分析，并可查看高頻、工頻樣點(diǎn)波形。系統(tǒng)可根據(jù)采樣波形進(jìn)行故障測距，如圖10中底部狀態(tài)欄所示，故障測距結(jié)果為299.277 km。

圖10 高頻波形

圖11 工頻波形

3.2 高速壓縮算法測試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)壓縮能力進(jìn)行專項(xiàng)測試。通過對系統(tǒng)所有采樣通道施加不同信號，查看相應(yīng)記錄文件原始大小與壓縮后大小，計(jì)算壓縮比；在測試過程中，同時查看系統(tǒng)對壓縮數(shù)據(jù)的解壓縮能力。

測試結(jié)果見表1，系統(tǒng)針對電力數(shù)據(jù)的壓縮比大于5∶1，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求；系統(tǒng)可對壓縮數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)解壓縮，解壓縮后數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)一致，實(shí)現(xiàn)了無損壓縮。

表1 壓縮測試記錄

3.3 故障測距功能測試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，于國網(wǎng)電力科學(xué)研究院進(jìn)行了試驗(yàn)測試，其中故障測距試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果見表2。試驗(yàn)測試模型線路長度為400 km，M和N為輸電線路兩端變電站，表中故障點(diǎn)為距M側(cè)距離。寬頻帶暫態(tài)記錄分析及故障精確定位系統(tǒng)部署于M站和N站，當(dāng)故障發(fā)生時，系統(tǒng)報出測距結(jié)果。

表2中各項(xiàng)測試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，故障測距功能穩(wěn)定可靠。

表2 故障測距結(jié)果

3.4 諧波分析能力測試

經(jīng)測試，系統(tǒng)諧波分析能力達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。由圖12可知，系統(tǒng)具備50次及以下諧波的分析能力，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，可監(jiān)測、記錄、分析電力系統(tǒng)電氣量的高頻部分。

圖12 諧波分析能力測試

4 結(jié)束語

本文介紹了一種寬頻帶暫態(tài)記錄分析及故障精確定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)有電力系統(tǒng)動態(tài)記錄裝置的優(yōu)化調(diào)整，具有以下顯著技術(shù)優(yōu)勢及創(chuàng)新點(diǎn)：

1)采用綜合測距算法實(shí)現(xiàn)了線路故障的精確定位，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證可有效提高線路故障測距的精度及可靠性，測距精度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2)采用寬頻帶采樣模式，使系統(tǒng)具備高采樣率及高頻分析能力，可提高高頻分析性能，實(shí)現(xiàn)50次及以下諧波的分析能力，可廣泛應(yīng)用于柔性直流輸電、高壓直流輸電等需要監(jiān)控故障高頻部分的系統(tǒng)。

3)系統(tǒng)具備傳統(tǒng)電力系統(tǒng)動態(tài)記錄裝置所有功能。

綜上，系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，應(yīng)用前景廣闊。