王振華，牟濤，周東杰，朱付強(qiáng)，趙會(huì)彬，馬志敏

（許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

高壓輸電線路是電力系統(tǒng)中重要組成部分，擔(dān)負(fù)著電力能源運(yùn)輸?shù)闹匾?zé)任，由于交直流輸電工程一般線路較長、跨越地形復(fù)雜，作為電力系統(tǒng)中最容易出現(xiàn)故障的環(huán)節(jié)，線路故障的查找異常困難[1-4]。輸電線路測距系統(tǒng)的作用就是在線路故障發(fā)生后，能夠準(zhǔn)確計(jì)算出故障點(diǎn)發(fā)生的位置，便于運(yùn)行人員迅速查明故障點(diǎn)短路的原因，及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行故障定位和修復(fù)故障線路，保證輸電線路的供電可靠性[5-7]。伴隨著行波信號提取、高速數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)认嚓P(guān)技術(shù)的逐步成熟，多種行波故障測距系統(tǒng)先后被成功研發(fā)，國內(nèi)外己有多種行波故障測距裝置投入實(shí)際運(yùn)行[8-12]。

行波測距系統(tǒng)能夠完成故障點(diǎn)的定位，廣泛應(yīng)用于智能變電站的故障診斷和故障定位[13-14]。目前國內(nèi)的行波測距系統(tǒng)基本都是基于傳統(tǒng)互感器，傳統(tǒng)互感器目前存在絕緣難度大、動(dòng)態(tài)范圍小、安全性差、體積大、成本高等缺點(diǎn)。特別是傳統(tǒng)互感器存在波形容易飽和的特點(diǎn)，嚴(yán)重影響測距系統(tǒng)在高頻突變情況下波形采集的真實(shí)性，是影響行波測距系統(tǒng)精度的重要原因[15-16]。而電子式互感器是未來的發(fā)展方向，特別是基于羅氏線圈的電子式電流互感器目前已經(jīng)非常成熟，相比較傳統(tǒng)電流互感器來說，其測量精度更高，動(dòng)態(tài)范圍更優(yōu)秀，能大大提升測距精度的同時(shí)，克服傳統(tǒng)互感器波形易飽和的缺點(diǎn)，符合未來的發(fā)展方向[17-19]。但是，基于電子式互感器的行波測距系統(tǒng)需要專門的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸方式，以應(yīng)對高速化和智能化的要求，因此，傳統(tǒng)的測距系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)以及測距方式等因素，無法適用于電子式互感器，研究基于電子式互感器的分布式行波測距系統(tǒng)，對于提升行波測距的精確性、可靠性和高速性具有非常重要的意義[20-22]。

1 電子互感器分布式行波測距的基本架構(gòu)

基于電子式互感器的行波測距系統(tǒng)主要包括兩部分，分別是行波測距主機(jī)和采集子機(jī)（簡稱子機(jī)）。子機(jī)由至少一個(gè)采集裝置構(gòu)成，行波測距主機(jī)與子機(jī)的安裝方式見圖1。對于任意一個(gè)采集裝置，包括兩部分，分別是基于羅氏線圈原理的電子式電流互感器及行波測距高速采集子機(jī)。采集子機(jī)采用三相一體設(shè)計(jì)，與電子式電流互感器采用就地化方式安裝，能采集單個(gè)線路的A、B、C 三相電流信息。采集裝置的個(gè)數(shù)根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行設(shè)定，本設(shè)計(jì)單臺(tái)測距主機(jī)最大支持連接8 臺(tái)采集裝置。

行波測距主機(jī)上有兩種數(shù)據(jù)端口，分別是以太網(wǎng)通訊端口和同步信號發(fā)送端口，分別對應(yīng)圖1 中的以太網(wǎng)口和同步口。子機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并判斷故障，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，測距子機(jī)啟動(dòng)故障錄波，并向主機(jī)發(fā)送故障請求，主機(jī)響應(yīng)故障請求后，向子機(jī)召喚錄波信息，然后進(jìn)行行波測距的運(yùn)算。

圖1 基于電子互感器的分布式行波測距系統(tǒng)Fig.1 Distributed traveling wave ranging system based on electronic instrument transformer

2 分布式行波測距數(shù)據(jù)流傳輸

基于電子式互感器的分布式行波測距系統(tǒng)其主機(jī)與子機(jī)的數(shù)據(jù)交互如下：當(dāng)其中一個(gè)子機(jī)判斷系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，該子機(jī)通過GOOSE 格式的報(bào)文向主機(jī)發(fā)送故障錄波請求，主機(jī)接收到該子機(jī)的故障錄波請求后，通過GOOSE 報(bào)文向各子機(jī)發(fā)送故障錄波應(yīng)答，并向各子機(jī)發(fā)送故障錄波啟動(dòng)時(shí)刻，各子機(jī)根據(jù)故障錄波啟動(dòng)時(shí)刻完成錄波，錄波完成后通過TFTP 協(xié)議向主機(jī)發(fā)送故障錄波報(bào)文。圖2 所示為子機(jī)與主機(jī)的通訊數(shù)據(jù)流圖。

圖2 主機(jī)及分布式子機(jī)的數(shù)據(jù)流交互Fig.2 Data flow interaction between host and distributed sub machines

一個(gè)主機(jī)通過交換機(jī)連接多個(gè)間隔的子機(jī)，各子機(jī)與主機(jī)之間通過光以太網(wǎng)介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，每個(gè)子機(jī)都有獨(dú)立的IP 地址，主機(jī)與子機(jī)之間的報(bào)文需要經(jīng)過交換機(jī)，主要協(xié)議為GOOSE 協(xié)議與TFTP 協(xié)議。

主機(jī)主要由管理模塊、測距模塊、時(shí)間同步模塊3 部分組成。主機(jī)的測距模塊用于與子機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，接收子機(jī)的錄波報(bào)文，完成測距算法，并將測距結(jié)果發(fā)送給主機(jī)的管理模塊。同時(shí)將子機(jī)的錄波文件進(jìn)行合并，通過TFTP 協(xié)議發(fā)送給主機(jī)的管理模塊。

主機(jī)的管理模塊具備大容量錄波存儲(chǔ)功能，最多能存儲(chǔ)2 000 條錄波信息。同時(shí)管理模塊負(fù)責(zé)測距結(jié)果的最終后臺(tái)上送、人機(jī)接口等功能。

主機(jī)的時(shí)間同步模塊能夠接收GPS 或者北斗的對時(shí)信號，并轉(zhuǎn)換為B 碼報(bào)文，同步主機(jī)的管理模塊、測距模塊及子機(jī)。

子機(jī)對故障信號進(jìn)行采樣，完成啟動(dòng)判別，然后將故障錄波的數(shù)據(jù)形成Comtrade 格式的錄波文件。因?yàn)樵趯?shí)際操作中，錄波數(shù)據(jù)比較大，上送報(bào)文時(shí)間比較長，為了保證錄波上送過程中能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)間隔大于20 ms 的下一次故障，保證錄波數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性，需要考慮錄波的實(shí)時(shí)響應(yīng)機(jī)制。因此子機(jī)需要開辟二級的錄波緩存，第1 級緩存存儲(chǔ)10 個(gè)周波數(shù)據(jù)，第2 級緩存存儲(chǔ)3 個(gè)周波數(shù)據(jù)（故障啟動(dòng)前2.5 周波，啟動(dòng)后0.5 周波的數(shù)據(jù)），最多支持開辟10 塊二級緩存。

當(dāng)系統(tǒng)中的某臺(tái)子機(jī)判斷到線路上有故障啟動(dòng)時(shí)，先發(fā)送錄波啟動(dòng)報(bào)文給主機(jī)，并在報(bào)文中包含故障啟動(dòng)時(shí)間。主機(jī)收到單臺(tái)子機(jī)的請求報(bào)文后，給所有的子機(jī)發(fā)送錄波應(yīng)答報(bào)文，并將故障啟動(dòng)時(shí)間轉(zhuǎn)發(fā)給所有子機(jī)。子機(jī)收到主機(jī)的錄波應(yīng)答信號后，根據(jù)啟動(dòng)時(shí)間在一級緩存中定位錄波啟動(dòng)數(shù)據(jù)，將一級緩存中有效的錄波數(shù)據(jù)搬移到二級緩存并鎖定，數(shù)據(jù)內(nèi)容遵循故障啟動(dòng)前2.5 周波，啟動(dòng)后0.5 周波的原則。然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換形成錄波文件，通過TFTP 協(xié)議將錄波報(bào)文上送主機(jī)。

由于comtrade 格式錄波文件的限制，錄波數(shù)據(jù)的時(shí)間信息只能精確到μs，而采樣數(shù)據(jù)最高需要精確到500 ns，為了后級同步精度的需要，需增加一個(gè)通道的錄波，通道的內(nèi)容為采樣點(diǎn)的序號（時(shí)標(biāo)）。因此一組錄波文件最少包含4 個(gè)通道，通道1 到通道3 分別記錄輸電線路A 相數(shù)據(jù)、線路B 相數(shù)據(jù)、線路C 相數(shù)據(jù)，通道4 為采樣序號數(shù)據(jù)。單個(gè)錄波文件大小為960 kB。

錄波文件采用標(biāo)準(zhǔn)的comtrade 格式，錄波文件的命名格式見圖3。錄波文件的文件名標(biāo)注為故障啟動(dòng)時(shí)刻，主機(jī)通過接收到的錄波文件的文件名定位故障啟動(dòng)的具體時(shí)刻。

圖3 錄波文件命名格式Fig.3 The naming format of record file

由于comtrade 文件中的時(shí)間精度僅僅精確到微秒級別，無法滿足測距時(shí)間要求到納秒的精度要求，為了提升測距計(jì)算精度，主機(jī)需要根據(jù)錄波文件的文件名重新計(jì)算采樣點(diǎn)的精確采樣時(shí)間。其文件名格式為故障啟動(dòng)時(shí)刻的時(shí)間，即包含具體的年月日及時(shí)分秒，最小精確到納秒。主機(jī)解析錄波文件時(shí)，采用錄波文件名中的啟動(dòng)時(shí)刻加采樣序號偏移地址的方式，將時(shí)間精度精確到0.5 μs，即需要在故障啟動(dòng)時(shí)刻TFILE_NAME的時(shí)間基礎(chǔ)上，加上采樣序號SAMPLE_NUM 與采樣間隔（0.5 μs）的乘積，得到采樣點(diǎn)的具體時(shí)間信息TSAMPLE_POINT，公式如下：TSAMPLE_POINT=TTFILE_NAME+0.5 μs*SAMPLE_NUM。

GOOSE 協(xié)議主要用來實(shí)現(xiàn)鏈路的監(jiān)視及握手信號，TFTP 協(xié)議用來傳輸錄波報(bào)文。子機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，每5 s 發(fā)送一幀GOOSE 報(bào)文，用于子機(jī)斷鏈的實(shí)時(shí)監(jiān)測，子機(jī)一旦判斷到故障啟動(dòng)后，立刻采用應(yīng)答機(jī)制與主機(jī)發(fā)起數(shù)據(jù)的交互。應(yīng)答機(jī)制先由子機(jī)發(fā)起請求，主機(jī)響應(yīng)請求，并發(fā)送應(yīng)答報(bào)文，應(yīng)答報(bào)文中應(yīng)該包含通訊的命令和數(shù)據(jù)信息，報(bào)文主要包括上行報(bào)文和下行報(bào)文。

其中，上行報(bào)文為子機(jī)發(fā)送給主機(jī)的請求信息，主要包含以下報(bào)文：

1）子機(jī)故障錄波啟動(dòng)請求報(bào)文：包含啟動(dòng)采樣序號、啟動(dòng)整秒時(shí)間、啟動(dòng)標(biāo)志等數(shù)據(jù)內(nèi)容。

2）子機(jī)錄波上送請求報(bào)文：包含啟動(dòng)上送錄波長度、故障類型（是否雷擊故障）、錄波啟動(dòng)時(shí)間信息等內(nèi)容。

下行報(bào)文為主機(jī)發(fā)送給子機(jī)的應(yīng)答信息，主要包含以下報(bào)文：

1）主機(jī)錄波啟動(dòng)應(yīng)答報(bào)文：包含啟動(dòng)時(shí)刻，對應(yīng)子機(jī)IP 地址（A、B、C 三相廣播）。

2）主機(jī)接收錄波應(yīng)答報(bào)文：對應(yīng)子機(jī)IP。

3）主機(jī)接收成功應(yīng)答報(bào)文：對應(yīng)子機(jī)IP。

4）主機(jī)接收失敗應(yīng)答報(bào)文：對應(yīng)子機(jī)IP，啟動(dòng)重發(fā)機(jī)制。

3 主機(jī)與子機(jī)數(shù)據(jù)交互邏輯

子機(jī)與主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸及握手交互邏輯見圖4。

圖4 主機(jī)與子機(jī)的數(shù)據(jù)應(yīng)答機(jī)制Fig.4 Data response mechanism between host and sub machine

1）子機(jī)在正常運(yùn)行狀態(tài)下，實(shí)時(shí)進(jìn)行2M 的高速數(shù)據(jù)采集，并實(shí)時(shí)將10 個(gè)周波的采樣數(shù)據(jù)保存在一級緩存中；同時(shí)子機(jī)定時(shí)向主機(jī)發(fā)送GOOSE鏈路報(bào)文，讓主機(jī)監(jiān)視子機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

2）當(dāng)子機(jī)根據(jù)采樣數(shù)據(jù)，判斷到線路上發(fā)生故障時(shí)，子機(jī)向主機(jī)發(fā)送故障錄波請求報(bào)文，主機(jī)接收到請求報(bào)文后，解析出故障啟動(dòng)的類型，時(shí)間等信息，向所有子機(jī)發(fā)送故障啟動(dòng)的應(yīng)答報(bào)文（廣播報(bào)文），報(bào)文中包含子機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間，精確到納秒級。

3）接收到主機(jī)啟動(dòng)錄波命令的子機(jī)根據(jù)主機(jī)發(fā)送的啟動(dòng)錄波的命令時(shí)間，在緩存中找到故障啟動(dòng)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，生成錄波文件。

4）準(zhǔn)備好錄波數(shù)據(jù)的子機(jī)向主機(jī)發(fā)送錄波數(shù)據(jù)上送請求，一旦收到主機(jī)的應(yīng)答報(bào)文（單播報(bào)文），就通過TFTP 協(xié)議將錄波文件上送。主機(jī)成功收到錄波文件后，發(fā)送接收成功報(bào)文，反之，發(fā)送接收失敗報(bào)文，啟動(dòng)重發(fā)機(jī)制。

5）整個(gè)協(xié)議設(shè)置了超時(shí)機(jī)制，一旦請求端發(fā)現(xiàn)對端應(yīng)答超時(shí)，則發(fā)送端要啟動(dòng)重發(fā)機(jī)制，保證系統(tǒng)的可靠性。

主機(jī)同步子機(jī)高速數(shù)據(jù)采集的同步機(jī)制見圖5，子機(jī)的FPGA 接收主機(jī)的B 碼同步信號，將其解析為同步的秒脈沖和年月日時(shí)分秒的時(shí)間信息，并通過寄存器與CPU 共享。子機(jī)通過恒溫晶振對秒脈沖進(jìn)行分頻，產(chǎn)生2M 的采樣同步信號，用來控制AD 的采樣時(shí)刻。子機(jī)同時(shí)通過恒溫晶振產(chǎn)生一個(gè)本地的32 位時(shí)間戳（精確到ns），并且給秒脈沖的時(shí)鐘沿打時(shí)間戳。采樣序號與秒脈沖對齊，整秒清零翻轉(zhuǎn)。

圖5 高速數(shù)據(jù)采樣的同步機(jī)制Fig.5 Synchronization mechanism of high speed data sampling

FPGA 將采樣值、采樣序號、整秒的時(shí)間戳、當(dāng)前時(shí)間戳幾個(gè)信息上送給CPU，CPU 將以上信息保存在緩存中，并在故障時(shí)刻，生成包含采樣序號，采樣時(shí)刻的錄波報(bào)文。子機(jī)具備守時(shí)功能，能夠在同步信號丟失10 min 達(dá)到1 μs 的守時(shí)精度，子機(jī)對主機(jī)同步信號進(jìn)行倍頻，產(chǎn)生采樣同步脈沖，采樣間隔離散性小于10 ns。

圖6 所示為行波測距故障錄波波形，我們可以看到基于電子式互感器的行波測距系統(tǒng)的錄波能夠更真實(shí)地記錄和還原行波特征，配合小波算法，能夠更精確地捕捉到行波波頭，大大提升測距的精度。

圖6 行波測距故障錄波Fig.6 The wave record of traveling wave fault location

4 結(jié)語

基于電子式互感器的分布式行波測距系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)互感器動(dòng)態(tài)范圍小、容易飽和、影響采集精度的缺點(diǎn)。結(jié)合電子互感器的特點(diǎn)，采用分布式采集子機(jī)結(jié)合主機(jī)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)測距數(shù)據(jù)的分布式采集，集中運(yùn)算。由于采用了主機(jī)和子機(jī)的實(shí)時(shí)交互方式，配合高精度高頻特性好的羅氏線圈以及2 M的高速AD，線路長度在300 km 以下，雙端測距誤差不大于300 m；線路長度在300 km 以上，雙端測距誤差不大于500 m。