基于整个输电网GPS行波故障定位系统的研究
0 引言
目前，高压输电线路故障定位主要基于阻抗算法［1］，这种算法对于高阻接地、多端电源线路等情况下的故障定位精度在实用中通常不优于3%，对于长线路（>100 km）难以满足寻线要求。
现代行波定位是利用故障发生后线路上出现的电压行波和电流行波进行精确故障定位，其测量误差小于1 km，且受线路类型、接地阻抗等因素的影响小［2］，因此越来越受到国内外学者的关注，国内外已有部分产品在现场运行［3］。
行波定位可分为单端定位和双端定位。单端定位是利用故障点传向母线第一行波与故障点的反射行波之间的时间差计算故障位置［4］。由于行波在各个一次设备、各条线路的连接处的反射、折射和衰减，使得故障点反射行波波头的辨识变得复杂。双端定位则只利用行波第一波头到达线路两端的时刻进行计算，只需捕捉行波第一个波头，不用考虑行波的反射与折射，行波幅值大，易于辨识。同时由于全球卫星定位系统（GPS）的出现［5，6］，把时间的测量精度提高到纳秒级，从而提高了双端定位的精度（可达±150 m）。因此，国内外普遍采用GPS双端定位系统。
但在现场运行中，GPS双端定位系统也存在一些不足：
a.采样频率较高：1 MHz～5 MHz，故障信息存储量太大。
b.受采样频率的限制，无法辨识近距离故障行波［2］。由行波特性可知：
式中 L为故障处到母线的距离；v为行波传播速度，接近光速，v≈3.0×108 m/s；f为定位系统能测量的最高行波频率。
设f=150 kHz，则L=1 km，即能判断的最近故障点距离母线为1 km。
c.无法检测发生在电压过零附近时刻接地的故障［2］。
d.由于GPS短时失步、卫星信号调整、天线干扰等导致时钟信号失真［7］，可导致定位失败。
针对传统装置的上述缺陷，本文提出一种新型的输电网行波定位系统。它采用一种特殊的行波传感器和具有守时钟的高精度GPS时钟。如果在整个输电网中每一个变电站安装一台这样的GPS行波记录仪，就可形成GPS行波测量网络，实现对各种故障的准确记录和定位。
1 行波特性分析
以某500 kV线路（如图1）为例，采用EMTP/ATP进行了多种故障仿真，其中距M端306 km处在1 ms时刻A相接地故障的仿真结果示于图2～图5。
图2 M端电压行波
Fig.2 Travelling wave of voltage on the busbar M
图3 N端电压行波
Fig.3 Travelling wave of voltage on the busbar N
图4 M端电流行波
Fig.4 Travelling wave of current on the busbar M
图5 N端电流行波
Fig.5 Travelling wave of current on the busbar N
由图2～图5可以明显看出：
a. A相发生单相接地时，在线路两端每相都有电流行波和电压行波产生，行波波头幅值大，频率高。
b.行波第一波头到达时刻较为明显，以后在母线、变压器、故障点等多处反射和折射，幅值有明显的衰减。
c.电压行波比电流行波相对幅值大，理论上较易测量。在实际运行中，500 kV线路电容式电压互感器高频特性差，截止频率太低，因此需要制作专用的电压行波传感器。
d.在M端、N端、B端分别安装电压行波传感器，N端近距离故障时，可采用M端、B端的记录定位。具有N—1容错性。
2 总体方案设计
如图6，采用专用的电压行波传感器检测行波波头，采用硬件电路启动，记录行波波头到达的准确时刻，由高精度晶振驱动累加器产生高精度时钟信号，利用行波第一波头到达线路两端的时间差（TM-TN）进行故障定位。故障点距M端的距离为LM：
LM=0.5［v（TM-TN）+L］
其中 L为输电线路长度。
图6 GPS行波定位模型总框图
Fig.6 Block diagram of GPS travelling wave fault location model
2.1 行波波头的提取
每个变电站只需安装一个专用电压行波传感器。采用硬件检测电压行波波头，产生启动信号，直接记录启动时刻，无需高速A/D采集，无需倍频电路，这样可以简化电路结构，减少存储量，便于计算处理。
2.2 GPS精确时间的产生
采用单片机接收GPS串行时钟，产生年、月、日、时、分、秒信号，并采用高精度恒温晶振（5 MHz，误差小于10-9 s）驱动24位累加器。由 GPS产生的每秒1个脉冲的脉冲信号定时对累加器清零，产生0.2 μs精度的时钟信号。当GPS不同步或故障时，可临时由高精度晶振产生脉冲信号，定时对累加器清零，保证1 h内误差小于3.6 μs，即定位误差小于1.18 km。
2.3 信号的存储
只需存储行波波头到达时刻的时间信息，共10个字节，这样一块28256芯片就可记录3276次行波时间信息，按每次事故或操作记录10次反射、折射行波计算，可记录327次事故或操作，因此完全可以记录发展性故障。对于电压过零附近时刻故障，其一般为永久性故障，可以采用重合闸后故障点产生的行波计算。
2.4 测量网络的形成
对于某一电压等级的电网，在每个变电站安装一套行波记录装置，电网中任一点故障或雷击时，则在整个电网中都有行波产生，因此每个变电站的记录装置都将有行波启动记录。由式（1）可知，对于变电站近距离故障，在该变电站将产生高频行波，传感器难以启动记录，但在其它变电站，行波频率下降，则易于记录。这样，可以由其它变电站的测量数据进行近距离故障计算。同样，在整个行波测量网络中，任意一台装置发生故障或启动失灵，都可根据其它装置的记录进行故障定位，从而提高故障定位的可靠性。
3 行波记录仪设计
3.1 传感器的连接
以某220 kV电网为例，电压行波传感器为一分压器，其并联于电压抽能装置内部避雷器上（如图7所示，接于A点至地之间）。
图7 220 kV耦合电容器和载波装置接线
Fig.7 Scheme of the metrical signal coupling
当线路中没有故障时，分压器输出信号为工频信号，反映A点的电压（有效值为100 V）；当线路发生故障时，故障行波自线路进入，避雷器1动作，A点至地间的电压为避雷器1两端的电压。由于避雷器动作电压低（2 kV～4 kV）、响应速度快，行波波头到达时，在分压器上将产生一个快速上升或下降的跳变信号，可以通过这个跳变信号启动行波记录装置进行记录。
3.2 硬件和软件设计
行波记录仪的硬件结构如图8所示。
图8 硬件原理图
Fig.8 Block diagram of hardware
a. GPS接收机采用日产KODEN GSU—25型，其定时精度达0.5 μs。
b.逻辑器件采用ISP（超大规模可编程器件），实现了在线可编程，方便逻辑电路功能修改，基本上达到了逻辑电路硬件的“软化”。
c. 24位累加器由晶振驱动。GPS时钟接收准确时，由GPS产生的脉冲信号对累加器清零；当GPS时钟接收失败或时钟失稳时，则由累加器产生的脉冲信号定时对累加器清零，使累加器在1 s内循环计数，并由其启动CPU进行秒计时。
d.行波波头到达时刻的锁定由启动信号启动锁存器完成，并由启动信号中断CPU记录启动时刻。
e.由保护跳闸信号启动通信，读取整个电网中其它行波记录仪记录的时间后，进行计算处理，显示故障位置；也可由调度读取各行波记录仪的记录时间，进行故障计算。
4 结论
综上所述，该输电网GPS行波故障定位系统基于专用的电压行波传感器及具有守时钟的高精度GPS时钟，具有以下特点：
a.采用专用传感器，只需记录行波波头到达时刻，记录信息量小，记录次数多，可记录发展性故障。
b.采用高精度晶振同步GPS计时，计时精度高，在GPS时钟失真或故障时能维持时钟的准确性。
c.形成基于整个输电网的行波测量网络，协同测量，对近距离故障或某台设备故障等具有N—1容错处理能力。
d.每个变电站只需一套设备，整个网络结构简单，投资少。
输电网GPS行波故障定位系统正在研制、调试中，各部分硬件电路、计算方法已通过模拟实验及仿真分析，效果良好。
参 考 文 献
［1］Ye Ping, Zhang Zhe, Chen Deshu. Theory and Application Experience of a New Algorithm for HV Transmission Line Fault Location. Power System Technology, 1995, 19（7）
［2］徐丙垠.利用暂态行波输电线路故障测距技术：〔博士学位论文〕.西安：西安交通大学，1991
［3］董新洲，葛耀中，徐丙垠.新型输电线路故障测距装置的研制.电网技术，1998，22（1）
［4］葛耀中.新型继电保护与故障测距原理与技术.西安：西安交通大学出版社，1996
［5］高厚磊，贺家李.基于GPS的同步采样及在保护与控制中的应用.电网技术，1995，19（7）
［6］高厚磊，厉吉文，文 锋，等.GPS及其在电力系统中的应用.电力系统自动化，1995，19（9）
［7］王元虎，周东明.卫星时钟在电网中应用的若干技术问题.中国电力，1998，31（2）
目前，高压输电线路故障定位主要基于阻抗算法［1］，这种算法对于高阻接地、多端电源线路等情况下的故障定位精度在实用中通常不优于3%，对于长线路（>100 km）难以满足寻线要求。
现代行波定位是利用故障发生后线路上出现的电压行波和电流行波进行精确故障定位，其测量误差小于1 km，且受线路类型、接地阻抗等因素的影响小［2］，因此越来越受到国内外学者的关注，国内外已有部分产品在现场运行［3］。
行波定位可分为单端定位和双端定位。单端定位是利用故障点传向母线第一行波与故障点的反射行波之间的时间差计算故障位置［4］。由于行波在各个一次设备、各条线路的连接处的反射、折射和衰减，使得故障点反射行波波头的辨识变得复杂。双端定位则只利用行波第一波头到达线路两端的时刻进行计算，只需捕捉行波第一个波头，不用考虑行波的反射与折射，行波幅值大，易于辨识。同时由于全球卫星定位系统（GPS）的出现［5，6］，把时间的测量精度提高到纳秒级，从而提高了双端定位的精度（可达±150 m）。因此，国内外普遍采用GPS双端定位系统。
但在现场运行中，GPS双端定位系统也存在一些不足：
a.采样频率较高：1 MHz～5 MHz，故障信息存储量太大。
b.受采样频率的限制，无法辨识近距离故障行波［2］。由行波特性可知：
式中 L为故障处到母线的距离；v为行波传播速度，接近光速，v≈3.0×108 m/s；f为定位系统能测量的最高行波频率。
设f=150 kHz，则L=1 km，即能判断的最近故障点距离母线为1 km。
c.无法检测发生在电压过零附近时刻接地的故障［2］。
d.由于GPS短时失步、卫星信号调整、天线干扰等导致时钟信号失真［7］，可导致定位失败。
针对传统装置的上述缺陷，本文提出一种新型的输电网行波定位系统。它采用一种特殊的行波传感器和具有守时钟的高精度GPS时钟。如果在整个输电网中每一个变电站安装一台这样的GPS行波记录仪，就可形成GPS行波测量网络，实现对各种故障的准确记录和定位。
1 行波特性分析
以某500 kV线路（如图1）为例，采用EMTP/ATP进行了多种故障仿真，其中距M端306 km处在1 ms时刻A相接地故障的仿真结果示于图2～图5。
图2 M端电压行波
Fig.2 Travelling wave of voltage on the busbar M
图3 N端电压行波
Fig.3 Travelling wave of voltage on the busbar N
图4 M端电流行波
Fig.4 Travelling wave of current on the busbar M
图5 N端电流行波
Fig.5 Travelling wave of current on the busbar N
由图2～图5可以明显看出：
a. A相发生单相接地时，在线路两端每相都有电流行波和电压行波产生，行波波头幅值大，频率高。
b.行波第一波头到达时刻较为明显，以后在母线、变压器、故障点等多处反射和折射，幅值有明显的衰减。
c.电压行波比电流行波相对幅值大，理论上较易测量。在实际运行中，500 kV线路电容式电压互感器高频特性差，截止频率太低，因此需要制作专用的电压行波传感器。
d.在M端、N端、B端分别安装电压行波传感器，N端近距离故障时，可采用M端、B端的记录定位。具有N—1容错性。
2 总体方案设计
如图6，采用专用的电压行波传感器检测行波波头，采用硬件电路启动，记录行波波头到达的准确时刻，由高精度晶振驱动累加器产生高精度时钟信号，利用行波第一波头到达线路两端的时间差（TM-TN）进行故障定位。故障点距M端的距离为LM：
LM=0.5［v（TM-TN）+L］
其中 L为输电线路长度。
图6 GPS行波定位模型总框图
Fig.6 Block diagram of GPS travelling wave fault location model
2.1 行波波头的提取
每个变电站只需安装一个专用电压行波传感器。采用硬件检测电压行波波头，产生启动信号，直接记录启动时刻，无需高速A/D采集，无需倍频电路，这样可以简化电路结构，减少存储量，便于计算处理。
2.2 GPS精确时间的产生
采用单片机接收GPS串行时钟，产生年、月、日、时、分、秒信号，并采用高精度恒温晶振（5 MHz，误差小于10-9 s）驱动24位累加器。由 GPS产生的每秒1个脉冲的脉冲信号定时对累加器清零，产生0.2 μs精度的时钟信号。当GPS不同步或故障时，可临时由高精度晶振产生脉冲信号，定时对累加器清零，保证1 h内误差小于3.6 μs，即定位误差小于1.18 km。
2.3 信号的存储
只需存储行波波头到达时刻的时间信息，共10个字节，这样一块28256芯片就可记录3276次行波时间信息，按每次事故或操作记录10次反射、折射行波计算，可记录327次事故或操作，因此完全可以记录发展性故障。对于电压过零附近时刻故障，其一般为永久性故障，可以采用重合闸后故障点产生的行波计算。
2.4 测量网络的形成
对于某一电压等级的电网，在每个变电站安装一套行波记录装置，电网中任一点故障或雷击时，则在整个电网中都有行波产生，因此每个变电站的记录装置都将有行波启动记录。由式（1）可知，对于变电站近距离故障，在该变电站将产生高频行波，传感器难以启动记录，但在其它变电站，行波频率下降，则易于记录。这样，可以由其它变电站的测量数据进行近距离故障计算。同样，在整个行波测量网络中，任意一台装置发生故障或启动失灵，都可根据其它装置的记录进行故障定位，从而提高故障定位的可靠性。
3 行波记录仪设计
3.1 传感器的连接
以某220 kV电网为例，电压行波传感器为一分压器，其并联于电压抽能装置内部避雷器上（如图7所示，接于A点至地之间）。
图7 220 kV耦合电容器和载波装置接线
Fig.7 Scheme of the metrical signal coupling
当线路中没有故障时，分压器输出信号为工频信号，反映A点的电压（有效值为100 V）；当线路发生故障时，故障行波自线路进入，避雷器1动作，A点至地间的电压为避雷器1两端的电压。由于避雷器动作电压低（2 kV～4 kV）、响应速度快，行波波头到达时，在分压器上将产生一个快速上升或下降的跳变信号，可以通过这个跳变信号启动行波记录装置进行记录。
3.2 硬件和软件设计
行波记录仪的硬件结构如图8所示。
图8 硬件原理图
Fig.8 Block diagram of hardware
a. GPS接收机采用日产KODEN GSU—25型，其定时精度达0.5 μs。
b.逻辑器件采用ISP（超大规模可编程器件），实现了在线可编程，方便逻辑电路功能修改，基本上达到了逻辑电路硬件的“软化”。
c. 24位累加器由晶振驱动。GPS时钟接收准确时，由GPS产生的脉冲信号对累加器清零；当GPS时钟接收失败或时钟失稳时，则由累加器产生的脉冲信号定时对累加器清零，使累加器在1 s内循环计数，并由其启动CPU进行秒计时。
d.行波波头到达时刻的锁定由启动信号启动锁存器完成，并由启动信号中断CPU记录启动时刻。
e.由保护跳闸信号启动通信，读取整个电网中其它行波记录仪记录的时间后，进行计算处理，显示故障位置；也可由调度读取各行波记录仪的记录时间，进行故障计算。
4 结论
综上所述，该输电网GPS行波故障定位系统基于专用的电压行波传感器及具有守时钟的高精度GPS时钟，具有以下特点：
a.采用专用传感器，只需记录行波波头到达时刻，记录信息量小，记录次数多，可记录发展性故障。
b.采用高精度晶振同步GPS计时，计时精度高，在GPS时钟失真或故障时能维持时钟的准确性。
c.形成基于整个输电网的行波测量网络，协同测量，对近距离故障或某台设备故障等具有N—1容错处理能力。
d.每个变电站只需一套设备，整个网络结构简单，投资少。
输电网GPS行波故障定位系统正在研制、调试中，各部分硬件电路、计算方法已通过模拟实验及仿真分析，效果良好。
参 考 文 献
［1］Ye Ping, Zhang Zhe, Chen Deshu. Theory and Application Experience of a New Algorithm for HV Transmission Line Fault Location. Power System Technology, 1995, 19（7）
［2］徐丙垠.利用暂态行波输电线路故障测距技术：〔博士学位论文〕.西安：西安交通大学，1991
［3］董新洲，葛耀中，徐丙垠.新型输电线路故障测距装置的研制.电网技术，1998，22（1）
［4］葛耀中.新型继电保护与故障测距原理与技术.西安：西安交通大学出版社，1996
［5］高厚磊，贺家李.基于GPS的同步采样及在保护与控制中的应用.电网技术，1995，19（7）
［6］高厚磊，厉吉文，文 锋，等.GPS及其在电力系统中的应用.电力系统自动化，1995，19（9）
［7］王元虎，周东明.卫星时钟在电网中应用的若干技术问题.中国电力，1998，31（2）
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