輸電線路故障錄波與定位技術(shù)研究

徐江

（國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司秦皇島供電公司,河北 秦皇島 066000）

一、故障錄波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)與電子技術(shù)設(shè)計(jì)硬件，使裝置更具電磁兼容性，提高了其抗干擾能力。以后拔插式設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)，便于日常維護(hù)。

1.硬件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)體系。

電力系統(tǒng)故障具有發(fā)展特點(diǎn)，系提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)記錄，在廣域范圍內(nèi)對(duì)電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)定情況統(tǒng)一分析，要求錄波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備高速采集、大容量存儲(chǔ)、同步采樣等功能，且提供強(qiáng)大的硬件支持平臺(tái)。普通的錄波裝置難以滿足技術(shù)要求，可嘗試采取全嵌入式、多層次的硬件模塊化平臺(tái)。

2.硬件平臺(tái)工作流程。

在Copact Flash 卡內(nèi)存儲(chǔ)故障數(shù)據(jù)，同時(shí)傳輸至嵌入式管理模塊，系統(tǒng)處理、傳輸數(shù)據(jù)。

3.硬件平臺(tái)功能模塊。

硬件平臺(tái)的功能模塊彼此獨(dú)立，以總線式接口完成連接，提升了數(shù)據(jù)的吞吐能力。

（1）嵌入式數(shù)據(jù)管理模塊。裝置利用嵌入式和模塊化，其特點(diǎn)是體積小、容易開發(fā)等。該模塊收集了ARM 管理模塊數(shù)據(jù)，科學(xué)處理、顯示和輸出了記錄數(shù)據(jù)，為聯(lián)網(wǎng)通信接口提供了不同的運(yùn)行方式。

（2）智能模擬量采集模塊。包括低通濾波電路、高精度A/D 和32 位DSP 等。該模塊對(duì)信號(hào)同步采集，采取實(shí)時(shí)手段監(jiān)測(cè)電氣量，對(duì)采集的數(shù)據(jù)預(yù)處理，合理計(jì)算工頻的有效值和序分量等。數(shù)據(jù)源由故障預(yù)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)構(gòu)成，利用雙口RAM 向管理單元傳遞數(shù)據(jù)。在第一通道實(shí)現(xiàn)方波整形，這一資源是測(cè)頻與跟蹤頻率的基礎(chǔ)。

（3）智能開關(guān)量采集模塊，包括光電隔離電路、32 位DSP 和雙口RAM 等。開關(guān)量信號(hào)要想進(jìn)入緩沖電路，需利用光電隔離的方式。以實(shí)時(shí)方法控制采樣脈沖操作，獲取多通道的開關(guān)數(shù)據(jù)，客觀評(píng)估變位特征，利用雙口RAM 向管理單元傳遞數(shù)據(jù)。

（4）GPS 同步時(shí)鐘模塊。其采取全球定位系統(tǒng)，保證了時(shí)鐘的精確性，獲得采樣同步時(shí)鐘脈沖。

（二）軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.OSII 操作系統(tǒng)。

該系統(tǒng)不只有良好的可移植性，還能固化、裁剪等，其最明顯的特征是操作穩(wěn)定和可靠。OSII 是操作平臺(tái)整體運(yùn)行不可或缺的部分，是各個(gè)裝置安全運(yùn)行的保障。

2.QNX 操作系統(tǒng)。

當(dāng)前，錄波裝置的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)很多都使用Microsoft Windows 操作系統(tǒng)，在錄波裝置聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展過程中，這一系統(tǒng)也帶來了很多安全隱患，直接降低了裝置的可靠性。此外，Windows 屬于商業(yè)操作系統(tǒng)，無法在工業(yè)中較好應(yīng)用。這個(gè)情況下，錄波裝置的軟件平臺(tái)選擇嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)QNX，科學(xué)管理磁盤與數(shù)據(jù)通信功能，憑借QNX 保證實(shí)時(shí)管理數(shù)據(jù)的效率，避免病毒攻擊網(wǎng)絡(luò)。

QNX 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)借任務(wù)通信建立完整的系統(tǒng)。QNX 操作系統(tǒng)可對(duì)圖形用戶界面操作，只要對(duì)其運(yùn)行，便可得到圖形用戶界面，無須編寫程序。

二、故障錄波監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

（一）嵌入式一體化工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)

嵌入式設(shè)計(jì)對(duì)裝置的各個(gè)功能模塊綜合設(shè)計(jì)，達(dá)到了一體化運(yùn)行的目標(biāo)。將各種功能模塊分別置于機(jī)箱內(nèi)，各模塊利用總線技術(shù)交換數(shù)據(jù)，避免過度消耗數(shù)據(jù)通信資源。普通的嵌入式設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要采取單、雙CPU 結(jié)構(gòu)，但本文利用了多CPU 并行技術(shù)，集合8 個(gè)CPU 并行工作，有效整合了采集、存儲(chǔ)、顯示數(shù)據(jù)等功能?；贒SP 的物理結(jié)構(gòu)和并行指令高效處理數(shù)據(jù)，提高了運(yùn)算速度，故而該裝置的實(shí)時(shí)性良好系統(tǒng)管理模塊使用32位嵌入式微處理器，處理、存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)的能力更強(qiáng)，其系列產(chǎn)品與用戶PCB 載板結(jié)合使用，設(shè)計(jì)人員將ETX 模塊作為一個(gè)功能特殊的芯片。ETX 是一種嵌入式工業(yè)主板標(biāo)準(zhǔn)，其有靈活的結(jié)構(gòu)，容易擴(kuò)展，高度契合了裁剪思想，應(yīng)用ETX 節(jié)省了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間。

（二）頻率自動(dòng)跟蹤和同步相量測(cè)量

1.頻率同步。

CPLD 與高精度晶振科學(xué)連接，借低通濾波器對(duì)模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波操作，接入CPLD 后，利用周期計(jì)數(shù)器記錄晶振在上沿產(chǎn)生的震蕩次數(shù)。上升沿對(duì)周期脈沖信號(hào)有效觸發(fā)，CPLD 根據(jù)周期采樣數(shù)量計(jì)算采樣脈沖間隔。CPLD 的采樣脈沖發(fā)生裝置觸發(fā)了某一周期的采樣脈沖信號(hào)，使每周期的首個(gè)采樣脈沖信號(hào)與周期脈沖信號(hào)同步。該方法用于跟蹤軟件，通過每秒2.08Hz 計(jì)算變化率，在兩個(gè)周期內(nèi)移動(dòng)頻率0.0832%，基于實(shí)際情況分析，電力系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，臨近兩個(gè)周期難以產(chǎn)生巨大的變化規(guī)律，無須考慮變化造成的誤差。

2.時(shí)間同步。

標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息包括秒數(shù)和微秒數(shù)。UTC 信息借助RS485 串口對(duì)CPLD 實(shí)現(xiàn)輸入，且對(duì)串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換獲得8 位并行數(shù)據(jù)，輸送與讀取DSP，DSP 讀取和處理UTC 信息，進(jìn)一步得到基準(zhǔn)時(shí)間。DSP 根據(jù)獲取的時(shí)間信息調(diào)整SOC。對(duì)CPLD 內(nèi)定時(shí)器科學(xué)應(yīng)用，安裝微妙計(jì)數(shù)器，每次PPS 來時(shí)，恢復(fù)微妙計(jì)數(shù)器。通過CPLD 處理由采樣脈沖和微秒累計(jì)值，避免CPU 定時(shí)器、串口等浪費(fèi)資源，減輕了CPU 壓力，提高了時(shí)間的精度。

3.模擬通道誤差矢量校正。

（1）通道變比校正。故障錄波系統(tǒng)除了采取PT、CT 通道外，還包括電阻、電感、電容等，在測(cè)量范圍內(nèi)這部分元件屬于線性元件。并聯(lián)裝置的電壓通道，串聯(lián)電流通道，相位接通相同的交流電壓和電流，若改變電壓與電流信號(hào)的輸入值，則獲取m組采樣數(shù)據(jù)與輸入數(shù)據(jù)。在具體應(yīng)用中，為了精確呈現(xiàn)通道變化特征，以不同參數(shù)的線性函數(shù)對(duì)不同區(qū)域的變比進(jìn)行標(biāo)記。若輸入某區(qū)域的電流或電壓數(shù)值偏小，則通道的輸入輸出關(guān)系表示為y=k1x+y01，若輸入某區(qū)域的電壓或電流數(shù)值偏大，則通道的輸入輸出關(guān)系表示為y=k2x+y01。

（2）通道相位校正。各個(gè)通道在大多數(shù)情況均產(chǎn)生了相位誤差，直接影響了故障錄波系統(tǒng)測(cè)距結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)，相位誤差干擾了有功功率、無功功率和功率因數(shù)的計(jì)算精度，故需要對(duì)通道相位誤差實(shí)現(xiàn)調(diào)整。計(jì)算通過相位時(shí)，注意矯正測(cè)量通道的數(shù)據(jù)，如此保證了各通道相位的統(tǒng)一性。

（3）測(cè)試結(jié)果。根據(jù)電壓、電流、有功與無功相位對(duì)全新故障錄波裝置實(shí)現(xiàn)一致性檢測(cè)。結(jié)果說明，測(cè)量值的精度極高，明顯超過了行業(yè)要求，說明有功與無功的測(cè)量存在較大誤差。

4.穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)過程記錄的統(tǒng)一分析。

（1）存儲(chǔ)容量。穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)記錄增加了系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)容量，例如某臺(tái)96 路模擬量與224路開關(guān)量的錄波系統(tǒng)，如每周波記錄一次穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，則一條需存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為：

500Hz×(4bytes×96 個(gè)模擬量通道+7bytes 開關(guān)量數(shù)據(jù))×3600 秒×24 小時(shí)≈1.6Gbytes

客觀容量的外部存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)較大的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量，雖然當(dāng)前硬盤的存儲(chǔ)容量正常，但需較長(zhǎng)的時(shí)間存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，還要重點(diǎn)解決存儲(chǔ)數(shù)據(jù)帶來的延遲問題。具體解決手段：硬盤避免直接保存收集管理板的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，而是利用緩存，把5 秒穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分別存入硬盤，相應(yīng)提升了存儲(chǔ)效率；其次，加大壓縮機(jī)制，寫入硬盤前壓縮數(shù)據(jù)，節(jié)省了寫盤時(shí)間，擴(kuò)大了硬盤容量。

（2）通信速度。一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，所有板憑借總線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，提升了通信速率。

（3）存儲(chǔ)介質(zhì)的可靠性。大規(guī)模讀寫數(shù)據(jù)，對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)的應(yīng)用時(shí)間造成了影響，一般硬盤的使用時(shí)間與可靠性明顯不如筆記本電腦的移動(dòng)硬盤，故系統(tǒng)事先應(yīng)用了后者，它體現(xiàn)出體積小、重量輕、功率低等特點(diǎn)。

（4）穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)全過程記錄的完整性。錄波系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)記錄統(tǒng)一存儲(chǔ)與管理，為得到完整的數(shù)據(jù)，記錄穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)要高度關(guān)注暫態(tài)時(shí)段內(nèi)容，其中還發(fā)現(xiàn)了類似于穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)記錄過程的數(shù)據(jù)記錄，兩種數(shù)據(jù)存放的絕對(duì)時(shí)標(biāo)位置相同，這樣便于對(duì)兩種數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析。在記錄兩種數(shù)據(jù)方面，協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)管理板和DSP 系統(tǒng)，借啟動(dòng)暫態(tài)記錄預(yù)防穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)數(shù)據(jù)記錄受到干擾，保持并行實(shí)施，同步存儲(chǔ)。

（5）穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)全過程記錄的統(tǒng)一分析。穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)記錄對(duì)軟件分析提出了更高的要求。傳統(tǒng)的故障錄波裝置只獨(dú)立記錄暫態(tài)波形，該數(shù)據(jù)一般幾秒鐘，數(shù)據(jù)量偏小，代表編程工作相對(duì)單一。但顯示分析長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)，需要做很多編程工作。此外，為了統(tǒng)一分析暫態(tài)數(shù)據(jù)與穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，基于軟件完成了無縫嵌入暫態(tài)數(shù)據(jù)操作，使顯示與分析數(shù)據(jù)更加完整。

三、小電流接地故障選線

（一）單相接地故障特性

小電流接地系統(tǒng)單相接地暫態(tài)電容電流是以下兩個(gè)電流和：

降低故障電壓，形成了放電電容電流，沿母線與故障點(diǎn)連接，加速衰減，電網(wǎng)線路的參數(shù)、故障點(diǎn)區(qū)位、過渡電阻數(shù)值均對(duì)振蕩頻率造成了影響。非故障電壓突然提升，引起了充電電容，以電源為核心產(chǎn)生了回路，減弱了衰減程度。

由上述可知，在單相接地故障暫態(tài)信號(hào)中形成了很多與小電流接地系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的突變點(diǎn)，同時(shí)明顯區(qū)別故障線和非故障線的差異。因此，根據(jù)出線數(shù)據(jù)系統(tǒng)了解小波變換隱藏的故障點(diǎn)，從而更好實(shí)現(xiàn)故障選線。

（二）基于小波變換的接地故障選線

1.檢測(cè)奇異性信號(hào)。

信號(hào)的奇異性一般隱藏了非常關(guān)鍵的信息，當(dāng)電力系統(tǒng)出線故障后形成了暫態(tài)信號(hào)，突變點(diǎn)一般表示信號(hào)的故障暫態(tài)特點(diǎn)，故在分析與檢測(cè)電力系統(tǒng)故障時(shí)這部分奇異的信號(hào)發(fā)揮了重要作用。

設(shè)函數(shù)的小波變換為Wsf(x)，基于s 尺度，若存在某一領(lǐng)域x0，則應(yīng)滿足：

對(duì)奇異性的信號(hào)檢測(cè)時(shí)，要想降低噪聲的干擾程度，采取平滑方式處理混合噪聲的信號(hào)，之后對(duì)一階導(dǎo)數(shù)計(jì)算，根據(jù)異數(shù)極限值合理評(píng)價(jià)奇異點(diǎn)。如果小波函數(shù)屬于一階平滑函數(shù)的倒數(shù)，對(duì)信號(hào)采取小波變換方法，其與平滑處理原始信號(hào)的一階導(dǎo)數(shù)方法接近。故Wsf(x)獲取極值時(shí)，此處必然要獲取信號(hào)的極值，說明該點(diǎn)的信號(hào)形成了最強(qiáng)烈的變化。信號(hào)有不同的奇異性，形成不一樣的突變程度，表示在某一尺度上形成顯著的差異。

2.小電流接地故障選線算法。

當(dāng)小電流接地網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，增加了電網(wǎng)零序和負(fù)序分量的發(fā)生幾率，進(jìn)一步獲取明顯的故障數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確判斷零序分量，將單相接地故障的特征量作為零序分量。按檢測(cè)模極大值的基本原理，發(fā)生單相接地時(shí)，通過故障線路與非故障線路的零序電流以小波變換方式進(jìn)行處理，形成了區(qū)別明顯的模極大值。這一數(shù)值在故障線路與非故障線路表現(xiàn)出顯著特點(diǎn)，首先圍繞小波函數(shù)實(shí)現(xiàn)小波變換，小波函數(shù)在應(yīng)用區(qū)域表現(xiàn)出差異化特點(diǎn)。目前小波函數(shù)憑借簡(jiǎn)單的表達(dá)方式擴(kuò)大了應(yīng)用區(qū)域，樣條小波的變換信號(hào)起到了導(dǎo)數(shù)的功能，故采取小波不間斷檢測(cè)小波函數(shù)的奇異性與突變點(diǎn)信號(hào)的靈敏度極高。

二進(jìn)小波以采集的回線零序電流序列實(shí)現(xiàn)變換，進(jìn)一步得出各種尺度的小波變換序列，對(duì)任意尺度的小波變換模極大值序列逐一獲取，聯(lián)合某一尺度的小波變換模極大值信息形成一個(gè)組合信息。

其中，第1 回線零序電流小波變換位于j 尺度上的k 模極大值以Wjil(k)表示，n 則與這一尺度對(duì)應(yīng)的極大值數(shù)據(jù)。

電力系統(tǒng)內(nèi)的故障暫態(tài)信號(hào)通過高次諧波發(fā)生了突變，諧波含量升高，幅度也增大，信號(hào)的奇異性更為顯著，所以產(chǎn)生更大的小波變換模極大值。MPi(j)具體是指j 尺度在對(duì)應(yīng)頻帶分布的諧波能量，而故障線與非故障線在每個(gè)尺度的頻帶內(nèi)形成不同的諧波能量，故障線路的零序電流在某一頻帶內(nèi)形成超過其他線路的諧波能量。由頻譜分析可知，故障線零序電流的諧波能量在第三尺度對(duì)應(yīng)的頻帶內(nèi)，明顯大于全部非故障線路。故將第三尺度作為故障特征，產(chǎn)生故障選線判據(jù)。

四、結(jié)語(yǔ)

輸電線路故障定位有利于迅速發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)、降低停電損失、保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。輸電線路一般安裝了故障錄波裝置，但其功能單一，僅是記錄和查看波形。故本文持續(xù)登記與檢測(cè)穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)過程，進(jìn)一步對(duì)范圍較大的發(fā)展性故障科學(xué)分析，保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。采取小波分析工具可以對(duì)故障實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，系統(tǒng)排查故障，對(duì)提高供電穩(wěn)定性發(fā)揮了巨大的現(xiàn)實(shí)意義。