基于高速數(shù)據(jù)采集卡的輸電線路故障定位系統(tǒng)設(shè)計*

張運(yùn)周（廣東電網(wǎng)公司珠海供電局，廣東珠海 519000）

基于高速數(shù)據(jù)采集卡的輸電線路故障定位系統(tǒng)設(shè)計*

張運(yùn)周
（廣東電網(wǎng)公司珠海供電局，廣東珠海 519000）

為了使輸電線路在短時間內(nèi)以最小的人力、物力排除故障，設(shè)計了一套基于高速數(shù)據(jù)采集卡的輸電線路單端行波在線故障定位系統(tǒng)。系統(tǒng)由高速數(shù)據(jù)采集裝置和系統(tǒng)分析軟件構(gòu)成，可消除輸電線路隱患、縮小停電范圍、減少停電時間，提高供電可靠性。

輸電線路；數(shù)據(jù)采集卡；故障測距

0 引言

由于輸電線路環(huán)境惡劣，輸電線路出現(xiàn)故障不可避免。當(dāng)輸電線路發(fā)生故障時，需要迅速查明故障并及時排除，因?yàn)楣收吓懦龝r間的長短直接影響到送電保障和系統(tǒng)的安全運(yùn)行。排除時間越長，停電所造成的損失越大，對整個系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的沖擊也越大。盡快排除或處理輸電線路故障，不僅對及時修復(fù)線路和保證可靠供電至關(guān)重要，而且對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有十分重要的意義。排除或處理故障的前提是找到故障點(diǎn)的確切位置，很多人為或瞬時故障的事故痕跡往往在故障后消失，無法重現(xiàn)故障情況，因此，依靠常規(guī)巡視的方法是很難查明事故原因的，而輸電線路故障定位裝置正是電力系統(tǒng)自動化需求下的產(chǎn)物，通過它精確的定位能力，可以克服上述種種困難，實(shí)現(xiàn)簡易、快速的發(fā)現(xiàn)故障，排除故障。

行波故障測距分為時域法和頻域法，從測量端數(shù)量劃分，又可分為雙端法和單端法[1-2]。雙端行波故障測距原理簡單，投資成本大；相對于雙端法，單端行波故障測距只需要在線路一端裝設(shè)故障檢測裝置，具有較好的經(jīng)濟(jì)性[3]。輸電線路單端行波在線故障定位系統(tǒng)，可在線準(zhǔn)確檢測到接地、短路、斷路器等各種故障。本文設(shè)計了一套基于PCI數(shù)據(jù)采集卡的輸電線路單端行波在線故障定位系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由高速數(shù)據(jù)采集裝置和系統(tǒng)分析軟件兩部分構(gòu)成。

1 高速數(shù)據(jù)采集卡

輸電線路單端行波在線故障定位需要同時監(jiān)視母線上的多回線路上的單端行波。行波信號通過各回線路電流互感器的二次電流信號以模擬量形式輸入，監(jiān)視線路斷路器和母線斷路器狀態(tài)信號及啟動信號作為故障定位裝置的開關(guān)量輸入，上述兩種信號通過PCI高速數(shù)據(jù)采集卡輸入到工控機(jī)中。

1.1 數(shù)據(jù)采集裝置要求

（1）CT(電流互感器)可以將上兆級甚至數(shù)十兆級的高頻瞬態(tài)電流耦合到二次側(cè)；

（2）系統(tǒng)采用一種基于PCI總線的高速數(shù)據(jù)采集卡；

（3）每套故障定位裝置可以在線監(jiān)視多回輸電線路，每塊高速采集卡監(jiān)視一回線路（三相四線）；

（4）高速數(shù)據(jù)采集卡可將其直接插在計算機(jī)內(nèi)的任一PCI插槽中；

（5）可在線檢測線路負(fù)荷電流；

（6）能夠檢測線路雷電流；

（7）可在線準(zhǔn)確檢測線路單相接地故障、相間短路故障、斷路故障、瞬間故障的發(fā)生；

（8）故障檢測裝置檢測方法新穎，動作可靠、性能穩(wěn)定；

（9）安裝簡單方便。

1.2 高速數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計

為了保證行波法具有較高的定位精度并減小近區(qū)故障的“死區(qū)”，采用了基于PCI總線的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。鑒于PCI總線帶寬的限制和僅需記錄故障前后數(shù)據(jù)，高速采集卡需要具備足夠大的板載緩存。在高速數(shù)據(jù)采集電路捕捉到暫態(tài)數(shù)據(jù)后，工控機(jī)讀取記錄下的故障數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步地分析處理以實(shí)現(xiàn)高精度故障定位。

高速采集卡有數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸兩種工作模式。高速采集卡工作在數(shù)據(jù)采集模式下，高速采集卡上的FPGA接到觸發(fā)信號后，根據(jù)設(shè)定時延繼續(xù)采集一段時間后再轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)傳輸模式。在數(shù)據(jù)傳輸模式下，F(xiàn)PGA根據(jù)觸發(fā)信號到來時刻和設(shè)定時間計算出觸發(fā)信號到達(dá)前一段時間采樣數(shù)據(jù)存放在板載RAM中的地址，并由此地址開始將數(shù)據(jù)從板載RAM通過PCI總線傳送到工控機(jī)的內(nèi)存中。數(shù)據(jù)傳輸完成后，F(xiàn)PGA又由數(shù)據(jù)傳輸模式重新轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)采集模式，可以接受新的觸發(fā)信號。

單個數(shù)據(jù)采集采用邊沿正向中間觸發(fā)方式，即觸發(fā)事件位于整個采樣數(shù)據(jù)的中間某個位置，觸發(fā)事件之前M段采樣長度M_Length和觸發(fā)事件之后N段采樣長度N_Length均可通過上層應(yīng)用程序調(diào)節(jié)，且滿足M_Length與N_Length之和等于整個樣本長度Sample_Length。

當(dāng)用戶啟動采集時，模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC即刻進(jìn)入實(shí)際的采樣過程，采集數(shù)據(jù)從板載RAM的物理位置開始一次寫入，寫入到Sample_Length指定的長度位置時，則返回到該位置繼續(xù)寫入，直到觸發(fā)事件發(fā)生時繼續(xù)采集N_Length長度后自動停止。

每塊高速采集卡監(jiān)視一回線路，為了同時監(jiān)視多回線路，需要多卡同步采樣。本方案中多卡同步采集采用共同的外觸發(fā)方式。采用共同的外觸發(fā)方式時，設(shè)置所有的參數(shù)保持一致。首先設(shè)置每塊卡的硬件參數(shù)，并且都使用外觸發(fā)（ATR或者DTR信號），連接好要采集的信號，通過ATR（需要設(shè)置觸發(fā)電平）或DTR管腳接入觸發(fā)信號，當(dāng)每塊采集卡都進(jìn)入等待外部觸發(fā)信號的狀態(tài)下，使用同一個外部觸發(fā)信號同時啟動A/

D轉(zhuǎn)換，達(dá)到同步采集。外觸發(fā)同步采集的連接方法如圖1所示。

圖1 外觸發(fā)同步采集的連接方法

2 系統(tǒng)分析軟件的要求及功能

2.1 故障數(shù)據(jù)的分析

數(shù)據(jù)分析是通過工控機(jī)的上層應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)的，啟動故障定位模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析有兩種情況：

（1）當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊新收到高速數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)時，自動將采集數(shù)據(jù)以文件形式存盤，然后啟動故障定位模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；

（2）由人工操作根據(jù)數(shù)據(jù)文件索引庫將歷史數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入應(yīng)用程序變量中，啟動故障定位模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

通過數(shù)據(jù)分析，判定該采集數(shù)據(jù)是由干擾引起的數(shù)據(jù)上傳，還是由短路故障引起的數(shù)據(jù)上傳；再通過提取的故障信息判斷故障類型，并區(qū)分是否是被監(jiān)視線路故障；確定故障線路后，還要判斷是否是區(qū)內(nèi)故障，若判斷為區(qū)內(nèi)故障，則選擇故障定位所需信息分量實(shí)現(xiàn)單端行波故障定位；最后輸出故障信號指示及報警，并將輸出定位結(jié)果統(tǒng)計到數(shù)據(jù)庫中，以供故障歷史查詢。

2.2 數(shù)據(jù)存儲的要求

高速數(shù)據(jù)采集卡采集的故障數(shù)據(jù)上傳到工控機(jī)的內(nèi)存中后，需要從內(nèi)存中取出故障數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)文件的形式保存到工控機(jī)的硬盤中。所有高速采集卡采集的故障數(shù)據(jù)和開關(guān)量輸入均存放到同一個數(shù)據(jù)文件中，作為該次故障的完整信息。保存數(shù)據(jù)文件時，首先保存所有回路的采集數(shù)據(jù)，然后保存開關(guān)量輸入。采集數(shù)據(jù)保存順序?yàn)椋菏紫缺４娴谝换鼐€路的高速數(shù)據(jù)，然后保存第二回線路的高速數(shù)據(jù)，以此類推地保存所有回線路的高速數(shù)據(jù)。

圖2 數(shù)據(jù)文件保存順序

2.3 系統(tǒng)分析軟件實(shí)現(xiàn)的功能

（1）具有自動故障識別、輸出報警和數(shù)據(jù)文件存儲功能；

（2）具有故障自動錄波功能；

（3）可記錄線路雷電流、進(jìn)行雷擊點(diǎn)定位和雷擊次數(shù)的統(tǒng)計；

（4）可實(shí)現(xiàn)各種故障類型分析、故障定位顯示、故障距離計算及顯示、故障行波分析；

（5）采用雙RAM記錄技術(shù)，消除暫態(tài)信號“記錄死區(qū)”，防止雷電流干擾造成漏記故障數(shù)據(jù)；

（6）測距精度不受故障電阻、線路參數(shù)不對稱、互感器誤差、線路分布電容等因素的影響；

（7）自動化程度高，自動完成故障行波數(shù)據(jù)的傳輸、存儲、分析、處理等；

（8）后臺分析軟件用于完成系統(tǒng)設(shè)置、統(tǒng)計查詢、信息顯示、數(shù)據(jù)采集和分析、系統(tǒng)幫助等；

（9）數(shù)據(jù)保存可以區(qū)別到秒，能夠滿足系統(tǒng)要求；

（10）不同時刻故障數(shù)據(jù)文件的命名具有唯一性，采用日期時間（精確到秒）的方式；

（11）通過導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件可以自動給出定位結(jié)果并導(dǎo)入統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫，以供歷史查詢；

（12）查詢可以按照日期及時間先后順序查詢所有線路，也可以按照線路順序查詢故障日期及時間；

（13）可在當(dāng)?shù)鼗蛲ㄟ^通信網(wǎng)對系統(tǒng)進(jìn)行配置、管理及維護(hù)；

（14）具有不依賴線路對端信息、無需兩端通信、便于變電站集中管理、使用方便的優(yōu)點(diǎn)。

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和實(shí)施情況

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

對多個回線路進(jìn)行故障監(jiān)測的系統(tǒng)采取了如圖3的結(jié)構(gòu)形式，其中GPS為故障定位裝置提供高精度統(tǒng)一授時。

圖3 故障定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3.2 故障定位系統(tǒng)在輸電線路中的安裝注意事項(xiàng)

（1）對于任意一回輸電線路，至少有一端安裝故障定位裝置以定位該回輸電線路上的故障；

（2）盡量在進(jìn)出線較多的變電站安裝故障定位裝置；

（3）對于進(jìn)出線回數(shù)較少的情況，可以考慮分配給對端的故障定位裝置；

（4）對于“T”節(jié)點(diǎn)線路，把“T”節(jié)點(diǎn)視為母線，將線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為沒有“T”節(jié)點(diǎn)的情況，在與“T”節(jié)點(diǎn)相連的三個支路母線處分別安裝故障定位裝置，如圖4所示。

圖4 “T”節(jié)點(diǎn)線路上單端故障定位裝置的安裝

3.3 系統(tǒng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

（1）使用范圍：10 kV及以上輸電線路；

（2）測量線路長度：300 km；

（3）測量線路數(shù)：1～8條（可擴(kuò)展至16條）；

（4）故障定位誤差：＜25 m；

（5）一個故障定位時間：0.01 s；

（6）4通道單端模擬輸入方式（各通道完全獨(dú)立同步采樣）；

（7）模擬量輸入量程：±5 V；

（8）A/D轉(zhuǎn)換精度：12位；

（9）采樣率：最高40MSPS（同步可調(diào)）；

（10）每通道512K字（點(diǎn)）RAM存儲器；

（11）數(shù)據(jù)讀取方式：DMA方式；

（12）保存文件的類型：txt類型。

4 結(jié)論

設(shè)計了一套基于工控機(jī)PCI數(shù)據(jù)采集卡的輸電線路單端行波在線故障定位系統(tǒng)。運(yùn)用此裝置，可以在短時間內(nèi)以最小的人力、物力，排除故障，消除隱患、縮小停電范圍、減少停電時間，提高供電可靠性。同時大大減少故障巡線人員，提高工作效率。對于確保整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，減少因輸電線路故障帶來的經(jīng)濟(jì)損失，有顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］季濤.中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)行波故障測距技術(shù)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2008.

［2］鄔林勇，何正友，錢清泉.單端行波故障測距的頻域方法［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2008，28（25）：99-104.

［3］葛耀中.新型繼電保護(hù)與故障測距原理與技術(shù)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1996.

Design of Transmission Line Fault Location System Based on High Speed Data Acquisition Card

ZHANG Yun-zhou
（Zhuhai Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Corporation，Zhuhai 519000，China）

In order to make the transmission line in a short time with minimal manpower，troubleshooting，design a set of transmission lines fault location system based on high speed data acquisition card with single terminal traveling wave.The system is composed of high speed data acquisition device and system analysis software.The system can eliminate the hidden trouble，reduce the power outage，reduce outage time，improve the reliability of power supply.

transmission line；data acquisition card；fault location

TP277

A

1009－9492(2014)05－0140－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.035

張運(yùn)周，男，1973年生，廣東河源人，大學(xué)專科，工程師。研究領(lǐng)域：高壓輸電線路運(yùn)行維護(hù)，輸電工程，輸電線路防雷、防污等。已發(fā)表論文6篇。

(編輯：向 飛)

*廣東省電網(wǎng)公司科研項(xiàng)目（編號：K-GD2012-128）

2013－11－28