新型錄波器單端故障定位可行性研究

張倫+朱道敏+賈敏敏+張改杰

摘 要：針對當(dāng)前分布式故障錄波系統(tǒng)狀況，結(jié)合錄波器結(jié)構(gòu)和性能，在不干擾錄波器正常功能的前提下，依靠高性能DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析處理能力，通過改進(jìn)錄波器硬件架構(gòu)為基于CPLD的數(shù)據(jù)采樣模塊和DSP為主控的數(shù)據(jù)處理分析模塊以提升系統(tǒng)采集處理能力，并提出由一種DSP執(zhí)行的微分方程故障測距算法。大量仿真表明該算法能滿足故障線路測距工程實(shí)際要求，從硬件和軟件兩方面論證電力系統(tǒng)故障錄波器實(shí)現(xiàn)單端故障定位的可行性。

關(guān)鍵詞：故障錄波器；CPLD；DSP；微分方程；故障測距

0 引言

故障錄波器作為電力系統(tǒng)發(fā)生故障及振蕩時(shí)自動記錄的一種裝置，記錄因短路故障、系統(tǒng)振蕩、頻率崩潰、電壓崩潰等大擾動引起的系統(tǒng)電流、電壓以及有功、無功和系統(tǒng)頻率的變化過程，用于檢測繼電保護(hù)與安全自動裝置的動作行為，了解系統(tǒng)暫態(tài)過程中系統(tǒng)中各電參量的變化規(guī)律，校核電力系統(tǒng)計(jì)算程序及模型參數(shù)的正確性[1]。當(dāng)前故障錄波系統(tǒng)是由分散安裝在各個(gè)變電站開關(guān)柜或保護(hù)小室內(nèi)的錄波器構(gòu)成的輻射式系統(tǒng)，采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到同一錄波主站，主站再對接收到的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，以確定故障類型和故障位置及深層次的研究[2]。

1 故障錄波器結(jié)構(gòu)原理

電力系統(tǒng)故障錄波器主要負(fù)責(zé)采集各種電壓、電流模擬量及開關(guān)量。電壓、電流信號經(jīng)隔離變送后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過處理分析進(jìn)行各項(xiàng)故障啟動判斷并按照要求保存錄波數(shù)據(jù)。當(dāng)故障未發(fā)生時(shí)，僅對監(jiān)測電壓電流進(jìn)行低速采樣計(jì)算，同時(shí)掃描開關(guān)量以形成實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對這些采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、采樣值轉(zhuǎn)換、對稱分量分解、求取頻率等處理，然后按規(guī)定的啟動判據(jù)判斷故障是否發(fā)生。一旦故障發(fā)生立即啟動高速采樣模式進(jìn)入故障錄波狀態(tài)，按照DL/T533-94《220～500kV電力系統(tǒng)故障動態(tài)記錄技術(shù)準(zhǔn)則》記錄故障數(shù)據(jù)[3]。

2 錄波器結(jié)構(gòu)功能改進(jìn)

錄波過程中DSP執(zhí)行采樣控制、數(shù)據(jù)處理、協(xié)調(diào)通信的同時(shí)要兼顧時(shí)鐘同步、鍵盤輸入、屏幕顯示等附屬任務(wù)，運(yùn)算負(fù)荷大，受制于硬件水平額外執(zhí)行故障測距定位程序可能會影響到錄波器的正常功能。為了解決DSP處理能力的技術(shù)瓶頸，我們做如下改進(jìn)：在原有DSP模型的錄波裝置基礎(chǔ)上，將采集系統(tǒng)硬件電路分成數(shù)據(jù)采樣模塊和DSP數(shù)據(jù)處理分析模塊兩部分，并且將二者分開設(shè)計(jì)成獨(dú)立的子板，由四塊數(shù)據(jù)采樣板和一個(gè)DSP主控板組成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采樣板與主控板之間通過現(xiàn)場總線連接實(shí)現(xiàn)指令通信與數(shù)據(jù)傳輸。

3 單端故障定位

3.1 故障測距算法綜述

在研究高壓輸電線路精確故障測距問題上，根據(jù)計(jì)算時(shí)所用電氣量是線路單端電氣量還是雙端電氣量算法可以分為兩類：單端測距算法和雙端測距算法。目前國內(nèi)外對這方面作了大量深入研究，提出了許多實(shí)用有效的算法，如：解微分方程算法、零序電流相位修正法、故障電流相位修正法、并行退火單端測距算法、傅氏變換技術(shù)測距法、解二次方程法及長線方程的近似求解算法等。對于錄波器而言，DSP通過雙口RAM讀取的是原始采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，為了節(jié)約計(jì)算空間，最快的得出故障點(diǎn)位置，要求我們植入的故障定位程序模塊能直接讀取采樣數(shù)據(jù)。通常大多數(shù)故障測距算法是綜合模擬量和開關(guān)量建立的模型，但是這些模型對于基于錄波器直接定位故障點(diǎn)是不實(shí)用的，因?yàn)殇洸ㄑb置是先于保護(hù)裝置反映的，開關(guān)量無法反映當(dāng)時(shí)確切故障狀態(tài)。結(jié)合輻射式錄波系統(tǒng)實(shí)際，線路一側(cè)錄波器不能與對側(cè)錄波器通信，無法獲取對側(cè)故障數(shù)據(jù)，因此這種情況下，雙端測距算法無法實(shí)現(xiàn)，只能采取單端法。

3.2 算法仿真

采用500kV，300km的雙端電源系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字仿真，其正序參數(shù)分別為：

4 結(jié) 論

本文從電力故障錄波器結(jié)構(gòu)入手，研究發(fā)現(xiàn)從硬件架構(gòu)的角度，在不影響甚至是增強(qiáng)錄波器基本功能的前提下，稍微改進(jìn)硬件設(shè)計(jì)就能實(shí)現(xiàn)所監(jiān)測線路的故障定位，并且從原理上推理出基于微分方程的單端故障測距算法的合理性，從而進(jìn)一步論證該算法結(jié)合錄波器確定故障位置的可行性。這種設(shè)計(jì)改進(jìn)成本低，可靠性高，完全可以取代在現(xiàn)有的錄波器。