基于阻抗法與行波法綜合測(cè)距的運(yùn)行分析支撐體系設(shè)計(jì)

莫振雄，黃礪鈞，寧進(jìn)榮

(廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉林供電局，廣西 玉林 537000)

近年來(lái)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。電力系統(tǒng)的各種故障通常會(huì)造成比較嚴(yán)重的后果，由此引發(fā)的停電事件造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大，因此對(duì)電網(wǎng)故障進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)距就顯得尤為重要。目前主流的故障測(cè)距方法有阻抗法和行波法兩種，對(duì)應(yīng)的測(cè)距裝置主要有故障錄波裝置和行波測(cè)距裝置。現(xiàn)有的行波測(cè)距裝置利用行波在輸電線路上有固定傳播速度這一特點(diǎn)，采用小波變換技術(shù)，實(shí)時(shí)分析處理故障行波數(shù)據(jù)，確定故障距離。其測(cè)距精度基本不受線路長(zhǎng)度、故障位置、故障類型、負(fù)荷電流等因素的影響，行波測(cè)距裝置采用的測(cè)距方法有單端行波測(cè)距和雙端行波測(cè)距。隨著全球定位系統(tǒng)(GPS)同步時(shí)間單元的不斷發(fā)展，利用線路兩側(cè)獲取到的行波暫態(tài)分量的絕對(duì)時(shí)間之差，計(jì)算故障點(diǎn)到線路兩側(cè)測(cè)量點(diǎn)之間的距離的雙端測(cè)距算法，測(cè)量精度高，基本誤差可以縮小至500 m內(nèi)，但是測(cè)距裝置在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中由于開(kāi)關(guān)動(dòng)作及線路擾動(dòng)會(huì)引發(fā)誤啟動(dòng)現(xiàn)象，因此會(huì)產(chǎn)生大量無(wú)用數(shù)據(jù)；而采用單端行波測(cè)距分析時(shí)，在高阻、端口故障情況下存在反射波波頭幅值較小、波頭性質(zhì)難以識(shí)別的情況，容易造成測(cè)距失敗。現(xiàn)有的故障錄波裝置多采用阻抗法測(cè)距，通過(guò)計(jì)算故障發(fā)生時(shí)的電壓和電流量來(lái)判斷故障點(diǎn)距離，雖然過(guò)渡電阻、系統(tǒng)阻抗和負(fù)荷電流等原因會(huì)造成定位誤差稍大，但是啟動(dòng)可靠性較高[1]。

目前國(guó)內(nèi)許多變電站內(nèi)已經(jīng)引進(jìn)了這兩種裝置，并且針對(duì)兩種裝置設(shè)有獨(dú)立的數(shù)據(jù)分析聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行平臺(tái)，但缺少一種數(shù)據(jù)綜合分析平臺(tái)。筆者將故障錄波裝置和行波測(cè)距裝置采集到的故障數(shù)據(jù)集中起來(lái)，對(duì)同一次故障采用故障錄波裝置采集的工頻數(shù)據(jù)和行波測(cè)距裝置采集的行波數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合測(cè)距分析，設(shè)計(jì)基于阻抗法與行波法綜合測(cè)距的運(yùn)行分析支撐體系。

1 關(guān)鍵技術(shù)及原理

1.1 行波測(cè)距原理

利用行波在輸電線路上有相對(duì)穩(wěn)定的傳播速度的特點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量故障行波脈沖到達(dá)故障線路兩端母線的時(shí)間差或故障行波脈沖在母線與故障點(diǎn)來(lái)回反射的時(shí)間差實(shí)現(xiàn)故障定位[2]。

1)單端測(cè)距。

故障行波定位原理如圖1所示，線路MN在F點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)產(chǎn)生的暫態(tài)行波脈沖以波速度v向線路兩端傳播，并在故障點(diǎn)及母線之間來(lái)回反射，其傳播過(guò)程如圖2所示，安裝于M側(cè)的故障行波測(cè)距裝置對(duì)接入的電流信號(hào)濾波后，記錄下如圖3所示的行波波頭脈沖信號(hào)。裝置記錄下初次到達(dá)母線的行波波頭的時(shí)刻T1和通過(guò)故障點(diǎn)反射回來(lái)的行波波頭到達(dá)的時(shí)刻T2(T3…),通過(guò)其時(shí)間差，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出故障點(diǎn)的確切位置。故障點(diǎn)與母線M之間的距離LMF為：

圖3 行波錄波示意圖

圖2 行波傳播示意圖

圖1 故障行波定位原理圖

(1)

2)雙端測(cè)距。

如圖4所示，線路MN在F點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)產(chǎn)生的暫態(tài)行波脈沖以波速度v向輸電線路兩端傳播，安裝于M和N兩側(cè)的故障行波測(cè)距裝置分別記錄下故障初始行波波頭到達(dá)的時(shí)刻T1和T2，通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)，獲得對(duì)方的記錄時(shí)刻，則根據(jù)式(2)和式(3)可計(jì)算出故障點(diǎn)的位置。

圖4 雙端測(cè)距示意圖

(2)

(3)

式中：LMN為線路MN的長(zhǎng)度；LNF為故障點(diǎn)與母線N之間的距離。

3)綜合測(cè)距原理。

輸電線路發(fā)生故障時(shí)，理想條件下產(chǎn)生的行波過(guò)程如圖3 所示，但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，T1點(diǎn)對(duì)應(yīng)的故障初始行波一般比較容易識(shí)別，T2點(diǎn)對(duì)應(yīng)的反射波受到對(duì)端母線反射波經(jīng)故障點(diǎn)透射波的影響，識(shí)別比較困難。

綜合測(cè)距過(guò)程：首先分析工頻錄波文件，判斷出故障線路和故障類型，找出故障發(fā)生時(shí)刻，利用阻抗法測(cè)距，測(cè)出故障點(diǎn)的粗略位置，然后根據(jù)故障時(shí)刻在行波錄波文件中找到初始行波，根據(jù)阻抗法的測(cè)距結(jié)果，在一定范圍內(nèi)找出反射行波波頭，根據(jù)初始行波和反射行波進(jìn)行精確定位，如圖5所示。

圖5 綜合測(cè)距過(guò)程示意圖

1.2 運(yùn)行分析支撐體系關(guān)鍵技術(shù)

1)大容量、高緩存的數(shù)據(jù)壓縮存儲(chǔ)。

故障錄波監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)線路較多、錄波文件錄波時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)接收到裝置的故障錄波數(shù)據(jù)后，會(huì)緩存大量的工頻錄波數(shù)據(jù)文件，需要對(duì)工頻錄波文件進(jìn)行分類、解析、壓縮處理。因此，支撐體系需要考慮故障文件的存儲(chǔ)問(wèn)題。

2)工頻錄波與高頻行波映射匹配。

故障錄波裝置與行波測(cè)距裝置在變電站內(nèi)為兩種獨(dú)立運(yùn)行的二次設(shè)備。行波測(cè)距裝置一般單獨(dú)接入GPS對(duì)時(shí)系統(tǒng)以保證系統(tǒng)時(shí)鐘的正確性，而錄波裝置對(duì)GPS時(shí)鐘精度以及守時(shí)能力要求較前者低。由于在故障發(fā)生后，故障錄波裝置生成的故障錄波文件與行波測(cè)距裝置生成的高頻行波文件在時(shí)間方面存在差異，因此系統(tǒng)需要根據(jù)兩種裝置的系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行時(shí)間差校準(zhǔn)，然后根據(jù)時(shí)間關(guān)系查找對(duì)應(yīng)的工頻與高頻錄波文件。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2.1 某供電局現(xiàn)有結(jié)構(gòu)介紹

目前，某供電局的一些變電站已引入行波測(cè)距裝置，并且實(shí)現(xiàn)了行波裝置的組網(wǎng)?，F(xiàn)有的行波裝置和聯(lián)網(wǎng)主站運(yùn)行良好。此外變電站內(nèi)已有故障錄波裝置，但是這些錄波裝置和行波測(cè)距裝置及行波聯(lián)網(wǎng)主站各自獨(dú)立，沒(méi)有做到數(shù)據(jù)資源的共享。由于行波裝置經(jīng)常產(chǎn)生誤啟動(dòng)，因此如果把站內(nèi)的錄波裝置接入行波聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，用錄波裝置輔助行波裝置，利用阻抗分析優(yōu)化行波分析，對(duì)故障線路進(jìn)行綜合測(cè)距，既能保障現(xiàn)場(chǎng)測(cè)距信息的準(zhǔn)確性，又能對(duì)站內(nèi)二次設(shè)備資源進(jìn)行有效整合。

2.2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

電網(wǎng)故障智能分析系統(tǒng)由分布在各變電站內(nèi)的行波錄波裝置、數(shù)據(jù)綜合處理分析平臺(tái)和用戶三部分組成，如圖6所示。當(dāng)某兩個(gè)變電站之間的線路發(fā)生故障時(shí)，安裝在線路兩端變電站內(nèi)的行波和錄波裝置分別產(chǎn)生高頻行波數(shù)據(jù)和工頻錄波數(shù)據(jù)，并生成對(duì)應(yīng)的COMTRADE文件。數(shù)據(jù)文件通過(guò)IEC103或者IEC61850通信協(xié)議上傳至數(shù)據(jù)綜合處理分析平臺(tái)，存儲(chǔ)在平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理程序處理后，形成線路測(cè)距和波形分析所需的數(shù)據(jù)格式，并將與故障測(cè)距相關(guān)的信息以Web網(wǎng)頁(yè)、手機(jī)APP及短信推送的方式傳遞給系統(tǒng)用戶。其中，分布在各站內(nèi)的行波錄波裝置是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源，數(shù)據(jù)綜合分析平臺(tái)是系統(tǒng)的核心，共同為用戶提供最終、精確的線路故障測(cè)距信息[3-4]。

圖6 系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案

3.1 分布式文件存儲(chǔ)與計(jì)算

系統(tǒng)裝置上傳的故障文件具有龐大的數(shù)據(jù)量，尤其是高頻行波文件(100萬(wàn)～6 300萬(wàn)數(shù)據(jù)點(diǎn))，并且系統(tǒng)展示界面需要同時(shí)打開(kāi)最多4個(gè)故障文件；系統(tǒng)還需對(duì)設(shè)備狀態(tài)、故障告警等信息做細(xì)粒度的統(tǒng)計(jì)，在處理性能及處理方式上有更高的要求，因此需要考慮分布式存儲(chǔ)及計(jì)算技術(shù)來(lái)解決數(shù)據(jù)處理能力方面的問(wèn)題。

GridFS是一種將大型文件存儲(chǔ)于MongoDB的文件規(guī)范[5-6]。在1.2中提到，錄波裝置會(huì)產(chǎn)生較多、較大的錄波文件，并存儲(chǔ)于系統(tǒng)服務(wù)器中。支撐體系整體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)選用MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)是為了實(shí)現(xiàn)分布式文件存儲(chǔ)，而采用GridFS則為支撐體系提供了高性能的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案。GridFS作為MongoDB的一個(gè)子模塊，用于持久存儲(chǔ)文件，且支持文件的分布式存儲(chǔ)與讀取，它解決了MongoDB中BSON格式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)尺寸限制的問(wèn)題。GridFS在文件訪問(wèn)方面，可以訪問(wèn)部分文件而不用加載整個(gè)文件，提高了文件訪問(wèn)的性能。另外，MongoDB支持分布式計(jì)算MapReduce。MapReduce的主要工作原理是將大批量的數(shù)據(jù)分解執(zhí)行，再將分解執(zhí)行的結(jié)果合并成最終結(jié)果。數(shù)據(jù)分解后，可以用多臺(tái)機(jī)器進(jìn)行并行運(yùn)算，以此提高計(jì)算速度。

支撐體系中的數(shù)據(jù)綜合處理分析平臺(tái)采用NoSQL MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)，保證了數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)與計(jì)算，為線路故障綜合測(cè)距提供了有力的數(shù)據(jù)保障。數(shù)據(jù)庫(kù)部署配置采用MongoDB分布式集群方式，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)備份，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性與系統(tǒng)的可靠性。

3.2 工頻錄波文件與高頻行波文件的映射匹配

工頻錄波與高頻行波綜合測(cè)距的先決條件是必須保證故障錄波裝置和行波裝置的時(shí)間準(zhǔn)確性，變電站內(nèi)裝有時(shí)間同步系統(tǒng)，兩類裝置都具備GPS或北斗對(duì)時(shí)功能，因此在時(shí)間的準(zhǔn)確性上是可以保證的；其次，工頻和高頻文件在命名方式上需要遵循統(tǒng)一的命名規(guī)則，一般情況下，如果兩種文件使用同一種規(guī)約上傳至服務(wù)器端，則這一條件是滿足的，若不是，則需要定義統(tǒng)一的命名規(guī)則。當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，兩類裝置都會(huì)啟動(dòng)，生成對(duì)應(yīng)的工頻錄波和高頻行波文件。由于故障錄波裝置的啟動(dòng)準(zhǔn)確率較高，因此用故障錄波裝置產(chǎn)生的工頻錄波文件為依據(jù)，來(lái)匹配映射高頻行波文件，具體的映射匹配流程為：1)設(shè)置可允許時(shí)間差經(jīng)驗(yàn)值T，以工頻錄波文件時(shí)間Xi為基準(zhǔn)，前推時(shí)間T，后推時(shí)間T，形成映射區(qū)間[Xi-T,Xi+T]；2)在上述區(qū)間內(nèi)，查找高頻行波文件，如果符合條件的有多個(gè)高頻文件，則取與Xi絕對(duì)時(shí)間差最小的那個(gè)高頻文件Yj[2]。

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)行波錄波裝置的運(yùn)行工況監(jiān)視、設(shè)備管理、檔案管理、線路故障記錄分析、故障短信通知、故障桿塔定位、故障統(tǒng)計(jì)分析、行波錄波綜合測(cè)距分析，可為快速排除線路故障提供依據(jù)，提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和二次設(shè)備管理水平[7-9]。系統(tǒng)軟件使用模塊化的設(shè)計(jì)方式，采用四層架構(gòu)：數(shù)據(jù)源、計(jì)算層、存儲(chǔ)與查詢層和高級(jí)應(yīng)用層，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

4.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

綜合測(cè)距的準(zhǔn)確性、短信通知的及時(shí)性、地理信息和桿塔定位的精準(zhǔn)性是系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。系統(tǒng)支持IEC61850國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、IEC103標(biāo)準(zhǔn)和COMTRADE數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，具有高可靠性和擴(kuò)展性[10]。在安全性方面，系統(tǒng)實(shí)施時(shí)安裝防火墻及物理隔離裝置，軟件方面配備DES加密算法及多層企業(yè)級(jí)監(jiān)聽(tīng)單元與過(guò)濾單元，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)健全，有效杜絕惡意原因造成的破壞、更改、泄漏，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的分布式，保證系統(tǒng)即使單節(jié)點(diǎn)宕機(jī)或故障也能保證數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不間斷；系統(tǒng)移動(dòng)端通過(guò)物理防護(hù)及軟件算法能夠抵御篡改、竊聽(tīng)、拒絕服務(wù)等主動(dòng)攻擊及擁有識(shí)別偽造訪問(wèn)、抵抗遠(yuǎn)程攻擊的能力。

4.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)在原有行波裝置聯(lián)網(wǎng)的平臺(tái)上接入故障錄波裝置，因此要實(shí)現(xiàn)對(duì)兩類裝置的臺(tái)賬信息維護(hù)、運(yùn)行工況監(jiān)視和智能告警功能，只有實(shí)時(shí)監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，保證通信設(shè)備正常工作，才能在故障發(fā)生時(shí)提供故障的原始信息。

系統(tǒng)不僅能提供準(zhǔn)確詳細(xì)的故障記錄信息，還能提供工頻錄波阻抗測(cè)距結(jié)果、行波法測(cè)距結(jié)果及錄波行波相結(jié)合的校準(zhǔn)后的故障測(cè)距信息，以及圖形化的故障桿塔定位展示和故障地理信息展示。系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的錄波文件波形分析功能，支持工頻錄波文件及行波錄波文件同屏顯示，最多可同時(shí)打開(kāi)4個(gè)錄波文件，并能夠根據(jù)相同時(shí)刻的游標(biāo)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)故障定位，在滿足單端及雙端測(cè)距的基礎(chǔ)上，能夠?qū)⒆杩狗ā⑿胁ǚ?、綜合測(cè)距法的結(jié)果及計(jì)算參數(shù)予以高亮標(biāo)注，輔助使用者計(jì)算與查看。

系統(tǒng)提供短信通知功能，實(shí)時(shí)推送故障、測(cè)距和告警信息，根據(jù)不同的權(quán)限和用戶類型設(shè)定相關(guān)的短信通知內(nèi)容。

支持移動(dòng)端的訪問(wèn)，用戶可以實(shí)時(shí)地通過(guò)手機(jī)或者平板電腦登錄系統(tǒng)，使用遠(yuǎn)程在線方式完成平臺(tái)的監(jiān)視、控制與分析工作。移動(dòng)端的主要功能有波形分析、桿塔定位、設(shè)備工況展示、綜合測(cè)距算法步驟查看、故障推送等。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文描述了一種基于錄波和行波綜合測(cè)距的高可靠性裝置組網(wǎng)的電網(wǎng)故障智能分析系統(tǒng)，以某供電局已有的行波裝置聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為依托，接入故障錄波裝置，在輸電線路發(fā)生故障時(shí)，利用故障錄波裝置啟動(dòng)準(zhǔn)確率較高和行波裝置測(cè)距精度高的優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距。系統(tǒng)有效解決了擾動(dòng)數(shù)據(jù)多、首波頭及反射波波頭難找的問(wèn)題，提高了測(cè)距精度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)線路監(jiān)視、故障定位、設(shè)備掌控一體化，減少了巡線的工作量，縮短了故障修復(fù)時(shí)間，提高了供電可靠性，為變電站及線路的檢修運(yùn)維提供了準(zhǔn)確可靠的依據(jù)。