配網(wǎng)架空線行波故障測距裝置設(shè)計

李傳健;鄭文杰;鐘澎;朱金超;蒙紅發(fā)【摘要】Theaccuratefaultlocationofdistributionnetworkoverheadtransmissionlineisimportantmeasuretoimprovethesafetyoperationoftheelectricnetwork.Wheneverafaultoccursincethetransmissionline,thequickandexactfaultlocationwillnotonlyreducethemanualworkofthelineinspectors,butalsofacilitateremovaloffaultandpowerrestorationquicklyforcuttingdownoneconomiclossduetothefailure.Ingeneraltheresearchaddressesanimportantfieldthathasbothsafetyandeconomicimplications.Butinpracticalapplicationtheaccuracyofsystemisdecreasedbythereasonsofunsynchronizedsamplingandlowsamplingspeedwhichcausethebiggerlocationerror.Thisthesisaimsatdesigningthesystemschemaofthehigh-speeddataacquisitiondeviceforthefaultlocator,realizinghigh-speed,dataacquisitionandlargecapacitydatastorage,analyzingtheerrorsourceanddifferencebetweenGPSsystemandovencontrolledcrystaloscillator,providingthecalibrationalgorithmofthesecondpulseofGPSsystem,anddevelopingthepowersupplyforfaultlocatorwhichcanprovidethereferenceforfindingfaulttime,judgingfaulttypeandcalculatingfaultpointdistance.%農(nóng)村配網(wǎng)長距離架空線路發(fā)生故障后，若能迅速、準(zhǔn)確的進行故障定位，可以減少巡線任務(wù)，能夠快速確定故障、恢復(fù)供電，減少和避免因配電線路長時間故障引起的損失。目前行波測距裝置一般都用于高壓輸電線路，極少用于網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜的中壓配電網(wǎng)，且配網(wǎng)行波采集裝置現(xiàn)階段研究甚少，使得行波故障測距在配網(wǎng)應(yīng)用缺乏技術(shù)支撐。針對行波測距在配電網(wǎng)運行中的問題，深入分析和研究了行波測距裝置設(shè)計的需求，開發(fā)了一種實現(xiàn)4MHz高速采樣、高達8通道采集、用中觸發(fā)方式對故障前后3個周期波形進行捕捉并實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)存儲的行波測距裝置，采用高精度恒溫晶振、GPS秒脈沖校準(zhǔn)技術(shù)保證精確確定故障時刻。【期刊名稱】《機電工程技術(shù)》【年(勤期】2016(000)001【總頁數(shù)】5頁(P114-118)【關(guān)鍵詞】行波測距;高速數(shù)據(jù)采集渺脈沖;GPS;PPS;中觸法【作者】李傳健;鄭文杰;鐘澎;朱金超;蒙紅發(fā)【作者單位】廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州510080;廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州510080;南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東廣州I510080;廣州晨光電力實業(yè)有限公司，廣東廣州I510730;廣州|晨光電力實業(yè)有限公司，廣東廣州I510730【正文語種】中文【中圖分類】TM727.1當(dāng)前我國配電網(wǎng)主要采用非有效接地方式，故障多為單相接地故障。目前配網(wǎng)自動化及相關(guān)故障處理技術(shù)只初步解決了故障選線問題和故障區(qū)段定位問題，針對故障測距的問題尚未開展較為深入的研究，尤其是缺乏對配電線路故障發(fā)生時候的暫態(tài)信息測量，導(dǎo)致目前行波故障測距等技術(shù)應(yīng)用缺乏研究數(shù)據(jù)，更提不上綜合利用全網(wǎng)信息進行測距技術(shù)的研究［1］。目前，行波測距裝置主要應(yīng)用于變電站中，主要實現(xiàn)對220kV及以上輸電線的故障測距。輸電線路由于結(jié)構(gòu)簡單，行波暫態(tài)信息噪音較少，僅需在變電站安裝即可實現(xiàn)行波數(shù)據(jù)的采集。但是配電網(wǎng)多為單輻射結(jié)構(gòu)，分支線多，架空-電纜混合使得線路參數(shù)奇異點多，僅在變電站采集行波暫態(tài)信號難以提取故障發(fā)生時刻的行波特征。此外，城市配網(wǎng)電纜線路由于每隔300~500m就存在環(huán)網(wǎng)柜，然而行波故障測距采用多端測距GPS時鐘同步是誤差為1ps，測距誤差為300m，因此在城市配網(wǎng)電纜線路采用行波故障測距意義不大。論文針對上述問題，主要研究長距離架空/混合線路的行波故障測距采集裝置的設(shè)計及開發(fā)問題，提出了線路上分布布置行波故障采集裝置，使采集點更接近故障點，減少行波噪聲，并重點針對行波采集裝置在配電線路上運行存在的問題，結(jié)合配網(wǎng)自動化系統(tǒng)和技術(shù)，對行波測距裝置的高速數(shù)據(jù)采集、大容量數(shù)據(jù)存儲、雙端時鐘同步等關(guān)鍵性技術(shù)進行論述。配電線路發(fā)生故障時產(chǎn)生的故障行波屬于高頻暫態(tài)信號。為了能更好的撲捉行波信號，本方案采用分散式采集方式，將行波采集裝置分布在配電線路上，減少配電線路不連續(xù)點造成的信號衰減和噪聲。故障發(fā)生時，故障點將會發(fā)出行波信號，信號在不同的時間傳播后被分布在該線路上的行波采集裝置采集后上送行波測足巨后臺監(jiān)測系統(tǒng)，后臺監(jiān)測系統(tǒng)收集各終端發(fā)回的高頻暫態(tài)行波信號后，通過計算行波到達時間及波速即可計算出故障點離采集裝置的距離［2-3］。綜合多裝置分布采集到的數(shù)據(jù)，即可準(zhǔn)確的檢測出故障點的位置，排除單端或雙端測距時的偽故障點較多的問題?；诖诵胁ü收蠝y距思路，行波測距裝置的功能以采集高頻暫態(tài)行波信號和數(shù)據(jù)傳輸為主，因此，本文重點介紹裝置的高頻數(shù)據(jù)采集、時鐘同步、數(shù)據(jù)傳輸?shù)溶浻布O(shè)計方案。本文所設(shè)計裝置采用高速采樣單元捕獲暫態(tài)電壓行波信號，采用GPS為線路多端提供精度高達1ps的統(tǒng)一時標(biāo)，并采用3G無線通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸。所提設(shè)計方案通過數(shù)據(jù)試驗，具有較好的穩(wěn)定性和可靠性。2.1行波測距裝置硬件總體架構(gòu)行波測距裝置硬件分三個部分：觸發(fā)板卡、高速采集板卡、通信板卡。（1） 觸發(fā)板包括高速采集行波數(shù)據(jù)和觸發(fā)電路，CPU采用STM32F207VCT6-Cortex-M3。主要負(fù)責(zé)相電壓的高速采集實時判斷故障，采用中觸法原理，觸發(fā)高速采集板保存觸發(fā)時刻前后的數(shù)據(jù)。（2） 高速采集板包括多路高速AD轉(zhuǎn)換、GPS時間同步、FPGA采用Altera的EP3C10F256C8。主要負(fù)責(zé)不間斷的高速采集電壓數(shù)據(jù)，循環(huán)地存儲在SDRAM中。（3） 通信板卡包括SD卡存儲器、以太網(wǎng)、CPU采用TI的AM3352—Cortex-A8。主要負(fù)責(zé)把錄波數(shù)據(jù)及其他附帶數(shù)據(jù)以101規(guī)約上傳到主站。如圖3所示，通過高速AD采集相電壓數(shù)據(jù)，觸發(fā)板卡實時判斷故障是否產(chǎn)生；高速FPGA不間斷地采集某時間段內(nèi)的電壓數(shù)據(jù)；故障發(fā)生后，觸發(fā)板卡啟動觸發(fā)電路，高速采集板存儲觸發(fā)時刻前后的電壓數(shù)據(jù)到SDRAM中，通過通訊讀取SDRAM的緩存并轉(zhuǎn)存儲到超SD卡存儲器中，通訊板卡通過以太網(wǎng)把檢測到的數(shù)據(jù)上傳到特定點。故障判斷本系統(tǒng)通過相電壓的相對跌落來判斷線路發(fā)生故障，由于發(fā)生故障到行波的到來時間非常短，所以必須通過算法來實時的判斷故障發(fā)生，本系統(tǒng)設(shè)計了高速采集故障判斷電路，故障判斷電路完全獨立工作，實時讀取數(shù)據(jù)判斷故障，門限臂力可以通過主站設(shè)置。故障檢測電路分析采集的數(shù)據(jù)，實時算法分析數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)故障則立即產(chǎn)生高速采集觸發(fā)脈沖使能高速采集部分進行存儲，確保完整的將行波捕捉到。高速數(shù)據(jù)采集一般的電壓、電流互感器或傳感器常用于測量工頻信號，但對用于測距的暫態(tài)高頻行波信號較難傳變。通過大量的對電壓、電流互感器傳變特性的記錄和分析，發(fā)現(xiàn)霍爾電流傳感器可以較好的傳變高頻行波信號，能夠滿足故障測試的需求，其響應(yīng)時間小于13,可以用于行波測距［4-5］。由于PT、CT等傳感器輸出的是正負(fù)信號，而且輸出阻抗比較高，輸入范圍不能符合ADC要求，所以必須搭建前端調(diào)理電路。調(diào)理電路主要由阻抗變換電路、低通濾波器、增益調(diào)整等幾部分構(gòu)成。由于行波的頻率范圍較寬，所以信號變換電路需要良好的動態(tài)響應(yīng)和頻率特性，本設(shè)計采用德州儀器TI的高速運放OPA2604構(gòu)成的信號前端處理電路，OPA2604的增益帶寬積高達20M，能夠滿足行波測距要求。配電線路產(chǎn)生故障后產(chǎn)生行波的頻率范圍較寬，而乃奎斯特采樣定律中規(guī)定，采樣速率必須高于最高信號頻率的兩倍，所以采樣速率必須大于200kHz,實際中為了保證準(zhǔn)確的分析，采樣頻率需要高得多［6］,輸電線路故障后產(chǎn)生的暫態(tài)行波攜帶了大量的信息，為了配合測距算法做復(fù)雜的分析，本行波測距裝置采用美國模擬器件半導(dǎo)體公司的高速14位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片AD9240。單通道采樣速率設(shè)置在1MHz，兩回路8通道同步采集，每次采樣單通道產(chǎn)生2字節(jié)數(shù)據(jù)。每秒1Mx2x8=16M字節(jié)的數(shù)據(jù)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用+5V單電源供電。過低的采樣速率則不能很好的反映行波信息，影響測距精度，過高的采樣速率在多通道采集時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量較大，處理和傳輸都是問題，同時也要綜合考慮時鐘等其他的影響因素，因系統(tǒng)的時鐘同步精度目前只能做到1ps，所以本系統(tǒng)采用采樣速率1MHz的高速ADC對8通道兩個回路的行波信號采集。采樣速率再高受限于時鐘精度也不能夠提高測距精度。2.4GPS時鐘同步每個行波測距裝置的時鐘準(zhǔn)確度直接影響測距精度，且對于多端測距而言，同一配電系統(tǒng)的多裝置采集的信息時間應(yīng)該在同一時間截面。本文采用了GPS來實現(xiàn)行波測距裝置的同步采集，由GPS產(chǎn)生的高精度PPS秒脈沖對本地恒溫晶振產(chǎn)生的時鐘進行校準(zhǔn)［7］，通過GPS的PPS時鐘脈沖和系統(tǒng)配置的溫度補償晶振時鐘通過鎖相環(huán)倍頻共同構(gòu)成ADC采集觸發(fā)脈沖，確保同步采集，提高故障距離測算精度。故障電路產(chǎn)生故障使能后，ADC觸發(fā)時鐘有效，同時主CPU讀取通過RS232從GPS接收機讀取觸發(fā)時刻的當(dāng)前時間，然后讀取觸發(fā)時鐘與標(biāo)準(zhǔn)PPS脈沖的相位時間差，從而準(zhǔn)確的獲取到觸發(fā)后第1個觸發(fā)脈沖的準(zhǔn)確時間。通過GPS的同步觸發(fā)電路，能夠?qū)崿F(xiàn)1ps的精度［4］，對于架空線，行波速度按理論計算約為0.294km/ps，則最大誤差相當(dāng)于(2.94x108)x(1x10-6)=294m的距離，受限于時鐘精度，設(shè)計能夠達到的測距精度約為±150m。2.5數(shù)據(jù)存儲與傳輸高速采集板卡采用16位32M的SDRAM。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高速采集行波速率高達1M,14位，相當(dāng)于每通道每秒產(chǎn)生1Mx2=2MByte的數(shù)據(jù)，8通道采集時每秒產(chǎn)生16M的數(shù)據(jù)，由于斷電非易失性存儲器速度通常比較慢，例如：SD卡、硬盤等存儲設(shè)備，所以高速采集時實時的將行波數(shù)據(jù)存儲到存儲器中是不現(xiàn)實的，雖然SDRAM掉電數(shù)據(jù)丟失，但是SDRAM讀寫速度快，所以本系統(tǒng)采用16位32M的SDRAM存儲器作為高速緩存用來暫時存儲行波數(shù)據(jù)，高速采集過程結(jié)束后，再將行波緩存數(shù)據(jù)搬運到非易失性存儲器中，足夠8通道300ms的采樣數(shù)據(jù)存儲，保證每個通道能存儲12個以上周波。由于緩存的數(shù)據(jù)掉電會丟失，所以每次發(fā)生故障高速采集得到的數(shù)據(jù)必須存入固態(tài)電子盤才不會丟失，Cortex-A8處理器讀取緩存的數(shù)據(jù)并寫入SD卡中，同時清空緩存為下一次故障行波采集做好準(zhǔn)備。在故障發(fā)生后，主CPU讀取緩存中的數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定好的數(shù)據(jù)格式將數(shù)據(jù)存儲到SD卡存儲器中，數(shù)據(jù)采集采用中觸發(fā)方式，存儲故障發(fā)生時刻的至少前后3個周波，同時主CPU在收到主站的命令后將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)或者是DTU上傳到主站，主站也可以根據(jù)要求調(diào)用歷史數(shù)據(jù)。行波測距裝置與主站的通訊遵循101規(guī)約。裝置的軟件設(shè)計包括故障觸發(fā)模塊、高速采集模塊和通信模塊。軟件架構(gòu)流程如圖8所示，系統(tǒng)初始化后主CPU初始化，之后進入?yún)f(xié)議處理，同時故障判斷部分進入工作，故障觸發(fā)后，F(xiàn)PGA進入高速采集狀態(tài)，數(shù)據(jù)進入高速緩存，同時主CPU從GPS讀取觸發(fā)時鐘，等待高速采集完成，高速采集完成后，主CPU從高速緩存讀取行波數(shù)據(jù)存入存儲器中，重新初始化故障判斷電路，進入下一次故障行波采集，主CPU根據(jù)主站的指令，將行波數(shù)據(jù)上傳到主站運算。觸發(fā)板算法步驟如下：（1） 檢測并處理通信板是否有配置信息；（2） 通過通信板的配置信息配置觸發(fā)板的門限電壓，從而可以達到通信板控制門限電壓；（3） 啟動ADC采集電壓數(shù)據(jù)，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)的處理結(jié)果和門限電壓判斷是否出現(xiàn)故障；（4） 如果觸發(fā)故障則啟動觸發(fā)電路，否則繼續(xù)監(jiān)測通信板是否有配置信息和故障監(jiān)測和判斷。高速采集板算法步驟如下：（1） 初始化后讀取GPS時鐘數(shù)據(jù)，同步時鐘；（2） AD轉(zhuǎn)換不間斷高速采樣，數(shù)據(jù)存入SDRAM中；（3） 如果檢測到來至觸發(fā)板的采集信號，則記錄當(dāng)前GPS同步時間，并且計算出錄波時間，在SDRAM數(shù)據(jù)未被讀取完時，新來的采樣數(shù)據(jù)不會覆蓋正在搬移的數(shù)據(jù)。本裝置的通信使用標(biāo)準(zhǔn)平衡式101規(guī)約，傳輸采集的高頻暫態(tài)信息采用COMTRADE格式，以〃文件傳輸”方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的儲存和上送。本文設(shè)計的架空線行波故障測距裝置旨在實現(xiàn)高精度電壓、電流暫態(tài)信號采集與數(shù)據(jù)傳輸，能否及時完整的捕捉行波信號是本測距裝置的關(guān)鍵。為了評價裝置的采樣能力，通過將裝置輸入標(biāo)準(zhǔn)源與標(biāo)準(zhǔn)源進行比較，以波形幅值比和頻率比指標(biāo)進行分析，分析結(jié)果如下。由于裝置采用高頻對暫態(tài)電壓進行采集，數(shù)據(jù)相對較大，如何所采集的數(shù)據(jù)快速傳輸回主站也是該裝置的主要性能指標(biāo)之一。對于4通道、1MHz的采樣數(shù)據(jù)（故障前后3個周波，共6個周波），生成的COMTRADE文件（包含配置文件），共1.9MB。在實驗室環(huán)境下，裝置通過101平衡式規(guī)約采用3G無線通信采集的數(shù)據(jù)進行傳輸，將數(shù)據(jù)分成64節(jié)，每節(jié)135段，每段固定234個字節(jié)，傳輸時間約20分鐘。由于101平衡式規(guī)定每一幀數(shù)據(jù)不大于255，需要將數(shù)據(jù)進行拆分傳送，每次傳輸都需要1問1答（傳輸/確認(rèn)），這樣的方式仍比較耗時。對于在架空線路上的高頻暫態(tài)信號采集，采用無線101規(guī)約傳輸并不是最理想的方式。但鑒于現(xiàn)在線路上故障錄波處于起步階段，且礙于配網(wǎng)通信瓶頸，本文在錄波數(shù)據(jù)的無線通信和規(guī)約傳輸方面提供了一些研究結(jié)果，希望能促進該方向的研究。配網(wǎng)由于自動化程度較