特高壓輸電線路保護故障測距的應用研究

李懷志 肖東坡 牛子亮

摘要：本文對線路監(jiān)測終端設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)，包括供能及其管理技術(shù)、高速采樣同步技術(shù)、時間同步及坐標定位技術(shù)、行波啟動與識別技術(shù)進行了探討。

關(guān)鍵詞：特高壓輸電線路;故障測距

隨著我國電網(wǎng)建設(shè)的迅速發(fā)展，變電站安裝的行波測距裝置在原理上可以準確定位故障點，但在實際應用中，有效提取了高阻抗故障等弱行波信號，故障點反射波的有效識別和閃電干擾的有效識別與定位，對其定位的準確性和實際效果有很大的影響。

一、供能及其管理技術(shù)

常規(guī)特高壓輸電線路監(jiān)控終端的能量采集方法包括太陽能電源、電流變壓器能量采集和地線能量采集。但一般不容易受環(huán)境影響，感應電流范圍狹窄，抗高壓尖脈沖能力弱，供電系統(tǒng)整體可靠性低。

為了提高供電系統(tǒng)的環(huán)境適應性和可靠性，終端設(shè)備的供電系統(tǒng)采用了一種新的能量傳遞模塊與雙溫蓄能電池模塊的合作方式。主要采用以下三種關(guān)鍵技術(shù)：首先，寬幅變壓器能量采集技術(shù)：能量變壓器的輸出側(cè)采用大范圍的回轉(zhuǎn)爐，擴大能量采集電流的范圍，提高抗電流沖擊的能力;提高了能源獲取效率。其次，雙溫電池備份互補技術(shù)：備份電池系統(tǒng)采用高溫電池和低溫電池相結(jié)合的方式。電源管理系統(tǒng)根據(jù)外部環(huán)境溫度的變化選擇電池作為儲能或電源，大大提高了電池的使用壽命和備用電源可靠性。最后，電力管理技術(shù)：通過對診斷終端設(shè)備的雙溫備份電池管理和電力狀態(tài)監(jiān)測功能，實現(xiàn)對整個供電系統(tǒng)的電力采集監(jiān)控和管理。

二、高速采樣同步技術(shù)

分布式故障定位的關(guān)鍵在于有效提取行波信號，準確判斷行波頭的起動時間。由于特高壓輸電線路的電流變化幅度較大，需要選擇具有較高頻率電流感應能力和快速瞬態(tài)響應的相應傳感器，以避免行波信號的失真。羅氏線圈的差動特性對特高壓輸電線路故障電流的突變具有較好的響應能力。因此，本文采用了兩套完全獨立的羅氏線圈和相應的電流數(shù)據(jù)采集電路。SoC處理單元中的FPGA協(xié)處理器也控制雙通道高速ADC芯片，以l OMHz的速率收集故障電流數(shù)據(jù)。同時充分利用FPGA高性能的數(shù)字鎖相環(huán)和時鐘電路處理能力，實現(xiàn)GPS/北斗信號的定時和準點功能，并提供精確到納秒（ns）級的故障硬件時間戳。

由于目前行波的頻率普遍較高，ADC采樣單元的設(shè)計采樣率達到l OMbps o因此，在進行高速同步采樣時，實現(xiàn)了SoC處理單元中的FPGA模塊。在邏輯單元中，將故障發(fā)生前后的原始數(shù)據(jù)記錄下來，然后通過SoC處理單元內(nèi)部的高速通道發(fā)送到RAM，然后由臂處理內(nèi)核進行處理。

此外，為了降低系統(tǒng)的整體功耗，本文在設(shè)計和實現(xiàn)中采用了休眠和覺醒兩種工作方式。除了定時的基本工作條件信息外，當終端設(shè)備不檢測行波電流時，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)。此時，系統(tǒng)通信單元的工作功率開關(guān)被關(guān)閉。

三、時間同步及坐標定位技術(shù)

由于測量端的定時同步和準點性能對行波兩端測距位置的精度有很大的影響，因此頻點/北斗計時模塊本身的偏差往往影響測量端的準點和準點精度。另外，由于高性能恒溫晶體振動的功耗、體積、壽命等原因，一般不宜在此場合直接采用。因此，在短時間內(nèi)，溫度填充晶體振動的穩(wěn)定性良好，雙模定時模塊的1PPS無頻率偏移和累積誤差。提出了一種改進的基于溫度互補晶體頻率標定的時間保持算法。主要的方法是用改進的滑動平均濾波器對1PPS的輸出進行預處理，以抑制模塊的晃動。通過對預加工的定時模塊1PPS和溫度填充晶體振動的比較，對二者的相位差進行Kalman濾波，并根據(jù)晶振溫變曲線的特點對濾波迭代得到的相位差進行校正。這輸出本地1PPS用于操作期間的實時同步。經(jīng)過分析和測量，本文所描述的兩種終端設(shè)備之間的時間偏差小于100ns。

由于雙模授時模塊提供的地理信息還受到相對論效應、電離層延遲、對流層延遲、地球自轉(zhuǎn)和衛(wèi)星信道延遲誤差的影響，為了提高單點終端的定位精度，本文，利用偏微分和數(shù)值導數(shù)方法驗證了數(shù)值導數(shù)方法的可靠性，可以有效提高單點端子經(jīng)緯度的地理位置精度。

四、行波啟動與識別技術(shù)

當電力系統(tǒng)正常運行時，負荷變化相對緩慢。可以認為，電流瞬態(tài)值在相鄰兩周的波中接近，相應的電流變化率也相對較小。在發(fā)生故障時，其振幅或電流的一階導數(shù)可能發(fā)生突變。因此，根據(jù)上周波對應相位的當前變化率，可以乘以一定系數(shù)作為當前高速數(shù)據(jù)采集的設(shè)定閾值。通過設(shè)置閾值實現(xiàn)輸入電流信號的動態(tài)跟蹤。當當前更改超過設(shè)置值時，啟動高速數(shù)據(jù)采樣模塊。

因此，為了提高診斷監(jiān)測終端的行波距離測量的準確性，將終端硬件采樣系統(tǒng)的行波電流信號的采樣頻率提高到10MHz。FPGA協(xié)處理器控制雙通道高速ADC采樣，并使用增強的可變步長來啟動記錄波算法。提高了FPGA行波自起動的有效性。一旦高頻記錄波啟動，F(xiàn)PGA將同時記錄高頻采樣的啟動時間。另一方面，監(jiān)測終端通過比較由希爾伯特黃變換算法確定的低頻采樣值、有效值和微擾點的時間窗，比較了行波電流高頻記錄的有效性，從而實現(xiàn)對真實故障的可靠識別。

同時，為了保證故障診斷不同階段的數(shù)據(jù)完整性，該系統(tǒng)首次采用了相互故障診斷和測量終端的信息機制。任何相位故障都被無線模塊（通信延遲小于5ms）迅速激活，其他兩個相位設(shè)備同時記錄數(shù)據(jù)。終端發(fā)送的啟動信息主要包含啟動時間（世紀秒和納秒）、發(fā)送相位差、接收相位差等信息。

五、結(jié)束語

系統(tǒng)通過了權(quán)威檢測機構(gòu)的全面測試和認證，包括故障診斷終端的性能測試、功能測試和監(jiān)控中心站的功能測試。其中，三相診斷終端設(shè)備之間的最大時間一致性小于0.1μs，測距誤差小于100米，監(jiān)控中心站的數(shù)據(jù)訪問穩(wěn)定，并且反應迅速，能可靠地識別出雷擊故障和非雷擊故障的類型。根據(jù)本項目開發(fā)的特高壓輸電線路分布式故障診斷終端系統(tǒng)已在國內(nèi)交流1000kV特高壓輸電線路上運行。設(shè)備投入使用后，通信正常，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

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