故障錄波器及故障測距算法研究

1、 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）題 目 故障錄波器及故障測距算法研究 學 院 電氣信息學院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 學生姓名 馮士雨 學 號 0843031381 年級 08 級 指導教師 黃 勇 教務處制表二一二 年 五 月 二十八 日故障錄波器及故障測距算法研究專業(yè)名 電氣工程及其自動化學生 馮士雨 指導老師 黃勇【摘要】 在電力系統(tǒng)故障行中，線路故障占了其故障的很大一部分，電力部門需要點位出故障的準確位置（無論是瞬時故障還是永久故障），以便進行查線，從而解決故障，避免不必要的經(jīng)濟損失和事故發(fā)生。要想加速線路的修復，減少經(jīng)濟損失，避免重大事故發(fā)生，就必須使用準確可靠的故障錄波器和測距算法。本文

2、從故障錄波器的核心控制器和結(jié)構(gòu)兩個方面出發(fā)，分析總結(jié)了故障錄波器的發(fā)展歷程，對故障錄波器在各個發(fā)展階段的特點進行了介紹。重點討論了故障錄波器的研究現(xiàn)狀，闡明了數(shù)字化分布式故障錄波器在數(shù)字化變電站中的位置，并給出了當前最新數(shù)字化分布式故障錄波器的模塊構(gòu)成，針對其數(shù)據(jù)采集模塊與管理分析模塊的結(jié)構(gòu)和功能進行了分析介紹；從而引出了故障測距的方法，以及如何分析故障錄波數(shù)據(jù)；通過對幾種測距算法的研究和分析，闡述了如何實現(xiàn)準確可靠的故障測距。關(guān)鍵詞：故障錄波器、故障測距算法、單端測距、雙端測距The research of fault recorder or range algorithm Electric

3、al engineering and its automationStudent：Feng Shiyu Instructor：Huang YongAbstract： In power system fault line, line fault accounted for a large part of its fault, the power sector needs to point out the exact locati

4、on of the fault (transient fault or the permanent fault)，in order to check the line，so as to solve the fault，avoiding unnecessary economic losses and the accident occurred。But the accurate reliable breakdown records the wave and the range finder can reduce the attendants to patro

5、l the line inspection time, speeds up line's restoration, reduces economic loss which, First embarks from the breakdown oscillograph's core controller and the structure two aspects, carried on the analysis to the breakdown oscillograph's development process to summarize, introduced the b

6、reakdown oscillograph in each development phase characteristic. Discussed the breakdown oscillograph's research present situation with emphasis, had expounded the digitized distributional breakdown oscillograph's in digitized transformer substation position, and has given the current newest

7、digitized distributional breakdown oscillograph's module constitution, Have carried on the analysis introduction in view of its data acquisition module and the management analysis module's structure and the function; Thus directs to crash range finder's method, as well as how to analyze

8、the breakdown to record the wave data; Through to several kind of range finder algorithm's research and the analysis, elaborated how to realize the accurate reliable breakdown range finder. Key Word: Breakdown oscillograph、Breakdown range finder algorithm、Single end range finder、 Double-end rang

9、e finder 目錄故障錄波器及故障測距算法研究2第一章 緒論51.1故障錄波器的應用意義51.2 故障錄波器的特點61.3故障錄波器的工作原理和作用61.4故障錄波器的歷史71.5國外故障錄波器發(fā)展現(xiàn)狀91.6 國內(nèi)故障錄波器發(fā)展現(xiàn)狀121.7 國內(nèi)外故障錄波器的比較及建議14第二章 故障測距方法172.1 行波測距法172.2 阻抗測距法182.3 行波測距原理202.4 故障錄波器數(shù)據(jù)分析及雙端測距算法22第三章 各種測距算法舉例及比較283.1基于三迭代算法的輸電線路測距算法283.2基于雙端電壓故障分量的輸電線路測距實用算法323.3基于小波變換和行波發(fā)的電纜故障測距方法343.4

10、算法總結(jié)分析36第四章 結(jié)論37致 謝38參考文獻39 第一章 緒論故障錄波器是電力系統(tǒng)發(fā)生故障及振蕩時能自動記錄的一種裝置,它可以記錄因短路故障、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、電壓及其導出量,如有功、無功及系統(tǒng)頻率的全過程變化現(xiàn)象。主要用于檢測繼電保護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)各電參量的變化規(guī)律,校核電力系統(tǒng)計算程序及模型參數(shù)的正確性。多年來,故障錄波已成為分析系統(tǒng)故障的重要依據(jù)。1而及時的保存上報故障錄波圖，也是發(fā)生電力系統(tǒng)運行事故后事故現(xiàn)場保護和相關(guān)資料移交的重要措施之一。2 1.1故障錄波器的應用意義隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展.電力系統(tǒng)不斷擴大,電網(wǎng)

11、規(guī)模不斷增強，電力系統(tǒng)的各種故障通常會造成較嚴重的影響。因輸電線路故障而停止供電，不僅影響生產(chǎn)，也危及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定、運行。準確、可靠地進行故障錄波，可明顯節(jié)約查線的人和物力，減輕勞動強度，并能使故障處理及早進行，保證迅速恢復供電，大大降低因停電造成的綜合濟損失。因此輸電線路故障錄波具有巨大的社效益和經(jīng)濟效益，是一項具有重大技術(shù)經(jīng)濟意義課題。這樣就要求在發(fā)生故障后對故障性質(zhì)及其關(guān)故障情況做出準確的判斷，從而縮短故障處理時間，迅速地恢復供電，減少對用戶造成的損失。3電力系統(tǒng)故障錄波裝置是常年投入到運行監(jiān)視運行狀況中的一種自動記錄裝置。利用電力系統(tǒng)現(xiàn)場的錄波數(shù)據(jù)就可以正確的評價和驗算繼電保護裝

12、置工作的正確性，記錄系統(tǒng)大擾動如短路故障、頻率崩潰、系統(tǒng)振蕩、電壓崩潰等發(fā)生后的有關(guān)系統(tǒng)電參量的變化過程以及繼電保護與安全自動裝置的動作行為，特別是在發(fā)生轉(zhuǎn)換性故障時和非全相運行再故障時，更需要用錄波數(shù)據(jù)來正確的評價繼電保護和重合閘裝置的工作。利用錄波裝置提供的零序短路電流值，較準確的計算出故障發(fā)生點，以便縮小巡線范圍，有利于迅速找到故障點，消除故障，同時也可以最大程度的減輕工人巡線的勞動強度。另外，通過對錄波數(shù)據(jù)的分析還可以發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)二次設(shè)備的缺陷，好及時進行消除并且改進裝置的功能和接線。電力系統(tǒng)由于故障和誤操作等常常引起內(nèi)部過電壓，錄波裝置可記錄其波形曲線，在分析研究之后為確定限制內(nèi)部過

13、電壓的措施提供可靠的依據(jù)。4-61.2 故障錄波器的特點故障錄波器和繼電保護、監(jiān)控及遠動相比具有自己的特點:a.在數(shù)據(jù)采集方面【7】,當判定為故障后,保護在取得足夠的數(shù)據(jù)后可以短時停止對數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)去作保護運算,而故障錄波則不允許數(shù)據(jù)采集的任何中斷;故障錄波器為保持數(shù)據(jù)的真實性,應盡可能減少濾波,保護為判明故障則要消除各次諧波,因此在硬件上和軟件上都要采取措施,特別是軟件濾波在保護的CPU時間分配中占有較大比重。b.在啟動判據(jù)上,保護要求在故障當時即刻準確判定,所以對啟動判的準確性和快速性要求很高;故障錄波器不需執(zhí)行跳重合閘,對啟動判據(jù)的準確性和快速性要求不高,較之保護其判據(jù)可大大簡化。故障錄

14、波器不僅記錄故障過程還要記錄故障前的波形和數(shù)據(jù),所以在故障錄波器中要開辟一定容量的環(huán)行內(nèi)存緩存區(qū),不斷地以采取最新數(shù)據(jù)刷新這個環(huán)行緩存區(qū),一旦判明故障,就首先將緩存區(qū)中的內(nèi)容(包括故障前和故障過程的數(shù)據(jù))保存起來,直到故障結(jié)束。c.與發(fā)電廠變電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)中的事件順序記錄功能相比,故障錄波裝置一般可取代前者,因此在既有自動化監(jiān)控系統(tǒng)又有錄波裝置的場合,希望錄波裝置提供與監(jiān)控系統(tǒng)的通信接口。錄波裝置還要配備相應的通信軟件,以便將錄制的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果及時傳送給監(jiān)控系統(tǒng)。d.和遠動中的開關(guān)量相比,故障錄波中的開關(guān)量著眼于事故分析的需要,局限于故障時短時的記錄,而遠動中的開關(guān)量偏重于整個系統(tǒng)的正常

15、運行,雖然也有故障時的開關(guān)量信息,但它是著眼于宏觀系統(tǒng)的需要。e.現(xiàn)在的一些微機保護也具有故障錄波功能,但由于保護功能的限制,采集的電氣量簡單,錄波時間較短(多為35s) ,一般不具有諧波分析能力,有故障定位但精度不高。故障錄波器則要考慮系統(tǒng)分析的需要,采集量全面準確,錄波時間較長,分析功能也強。1.3故障錄波器的工作原理和作用故障錄波器的結(jié)構(gòu)和工作原理8：故障錄波器是用來記錄電力系統(tǒng)中電氣量和非電氣量，以及開關(guān)量的自動記錄裝置。通過記錄和監(jiān)視系統(tǒng)中模擬量和事件量，來對系統(tǒng)中發(fā)生的故障和異常等事件生成故障波形，儲存并發(fā)送至遠方主站，通過分析軟件的處理對波形進行分析和計算，從而對故障性質(zhì)故障、發(fā)

16、生點的距離、故障的嚴重程度進行準確地判斷。故障錄波器的作用9：故障錄波器在電力系統(tǒng)中的作用有以下三種。第一種為系統(tǒng)發(fā)生故障,繼電保護裝置動作正確，可以通過故障錄波器記錄下來的電流量電壓量對故障線路進行測距,幫助巡線人員盡快找到故障點,及時采取措施,縮短停電時間,減少損失.第二種情況為線路不明原因跳閘，通過對故障錄波器記錄的波形進行分析，可以判斷出開關(guān)跳閘的原因，從而采取相應措施，將線路恢復送電或者停電檢修 ，避免盲目強送造成更大的損失，同時為檢修策略提供依據(jù)。第三種情況為判斷繼電保護裝置的動作行為。當系統(tǒng)由于繼電保護裝置誤動造成無故障跳閘或系統(tǒng)有故障但保護裝置拒動時，就要利用故障錄波器中記錄的

17、開關(guān)量動作情況來判斷保護的動作是否正確，并可以據(jù)此得出有問題的部分， 對于較復雜的故障，可以通過記錄下來的電流電壓量對故障量進行計算，從而對保護進行定量考核。1.4故障錄波器的歷史自上世紀60年代末以來，我國電力系統(tǒng)開始應用以光電轉(zhuǎn)換為原理、120膠片為記錄載體的故障錄波裝置，錄波裝置在電網(wǎng)故障及繼電保護動作行為分析方面發(fā)揮了重要作用。特別是80年代中期以來，隨著計算機技術(shù)被引入繼電保護領(lǐng)域，故障錄波裝置有了更加迅猛的發(fā)展。歷經(jīng)10余年，微機型故障錄波裝置已經(jīng)完全取代了光電式錄波裝置，成為電網(wǎng)故障信息記錄的主力，在許多重大事故的調(diào)查和分析中發(fā)揮了重要作用。由于計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和進步使得微機

18、型故障錄波裝置的功能得以進一步拓展，滿足了故障錄波快速采樣和大容量存儲空間的要求，由原來的故障錄波單項功能擴展成為集故障錄波、故障分析、數(shù)據(jù)通訊于一體的綜合裝置，在系統(tǒng)發(fā)生擾動時能以不同的采樣速度記錄系統(tǒng)發(fā)生大擾動后暫態(tài)及動態(tài)過程各階段的系統(tǒng)電參量變化過程，同時又可保證各時段的記錄有足夠的解析度能記錄下整個長動態(tài)過程，數(shù)據(jù)分析包括故障分析如故障測距、故障選相以及各種電氣量的計算如諧波分量、有效值、功率、序分量等。特別是故障測距和選相已成為故障錄波器最重要的功能之一，也是衡量故障錄波器性能的一項重要指標。故障錄波測距裝置作為變電站綜合自動化的一個重要組成部分，在我國電力行業(yè)中得到了越來越普遍的推

19、廣和引用。在110kV及以上的變電站(所)中，對于被錄對象范圍以及需記錄的電量內(nèi)容，國家已經(jīng)有了明文要求，并且制定了產(chǎn)品檢驗、審核的詳細標準。10國內(nèi)對故障錄波器的研制和開發(fā)已經(jīng)有許多年的歷史，目前微機故障錄波測距系統(tǒng)處于發(fā)展階段，技術(shù)更新很快，原有的故障錄波系統(tǒng)由于受到當時計算機技術(shù)水平的限制，已經(jīng)不能適應現(xiàn)代電力系統(tǒng)的要求，目前現(xiàn)場運行的80年代末90年代初的第一代微機型故障錄波器(含光纖式錄波器、機電式錄波器和采用固態(tài)數(shù)據(jù)存儲器的錄波器)已經(jīng)大多淘汰，取而代之的是以功能更強運行速度更快的新型錄波器或原有錄波器的改進型，分析軟件也大多數(shù)實現(xiàn)了由DOS向WINDOWS的或NT的轉(zhuǎn)移，實際應用

20、的產(chǎn)品有南京銀山電子有限公司生產(chǎn)的YS-8A故障錄波器、南瑞公司的WDS-2E故障錄波器、北京四方立德保護控制設(shè)備有限公司生產(chǎn)的WLB-2000故障錄波器、北京許繼自動化公司的WGL-3故障錄波器等。11國外的故障錄波器一般采用分散式結(jié)構(gòu)，標準化模塊設(shè)計，可以分散安裝在開關(guān)柜或者保護小室內(nèi)，通過以太網(wǎng)可以接到一臺所級計算機或遠傳到調(diào)度中心。實際應用產(chǎn)品有西門子公司的SIMEAS R智能故障錄波器、美國MetaTech.公司生產(chǎn)的TRANSCAN故障錄波器、比利時國際電子儀器公司生產(chǎn)的BEN5000故障錄波器、BBC公司生產(chǎn)的INDACTIC 65C型故障錄波器和ABB公司生產(chǎn)的INDACTIC

21、65故障錄波器等。目前，國內(nèi)變電站綜合自動化的發(fā)展，對故障錄波器提出了更高的要求。各廠家已經(jīng)開始使用DSP技術(shù)，用專門的DSP芯片代替模擬量采集前置機，用以提高數(shù)據(jù)采集的速度和精度。同時，隨著計算機硬件水平的提高和網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，將保護和監(jiān)控等功能按照電氣間隔劃分、分布實施，相互之間通過串行通信或網(wǎng)絡通信組成一個系統(tǒng)，形成面向?qū)ο蟮姆植际浇Y(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，微機保護和監(jiān)控發(fā)展為安裝在電氣間隔附近(開關(guān)柜上)，這樣就可以節(jié)省大量的二次電纜，二次回路負載將進一步減輕，設(shè)計、安裝簡便，降低變電站的造價，構(gòu)成分散分布式系統(tǒng)。故障錄波器也是變電站綜合自動化組成的一部分，隨著微機保護的分散安裝，相對應的故

22、障錄波器也應隨微機保護分散安裝，實現(xiàn)分布式功能，滿足變電站綜合自動化的要求。12-131.5國外故障錄波器發(fā)展現(xiàn)狀國外的故障錄波器一般采用分散式結(jié)構(gòu),標準模塊化設(shè)計,可以分散安裝在開關(guān)柜或保護小室內(nèi),通過以太網(wǎng)可以聯(lián)到一臺所級計算機或遠傳到調(diào)度中心。計算機配有通用分析軟件包,可集中進行數(shù)據(jù)處理。1.5.1西門子公司的故障及數(shù)字錄波系統(tǒng)SIMEASR是西門子公司推出的智能化錄波器。它可用于監(jiān)視發(fā)電機及超高壓、高壓和中壓變電站的電能質(zhì)量,記錄電網(wǎng)故障和電網(wǎng)質(zhì)量,監(jiān)視二次和一次技術(shù)設(shè)備。多個SIMEASR可分散安裝在開關(guān)柜上,也可集中組屏,通過LAN或V124接口連接到一個集中故障數(shù)據(jù)管理裝置DAK

23、ON。通過DAKON或直接由SIMEASR將數(shù)據(jù)遠傳到主控室或調(diào)度所實現(xiàn)遠方控制和管理。其結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。 圖1-1. SIMEAS和DAKON實現(xiàn)分散式故障錄波系統(tǒng)和配置1.5.2 SIMEASR錄波器 SIMEASR錄波器選用32位微型工控板,內(nèi)插電源板、各種智能數(shù)據(jù)采集板構(gòu)成完全的模塊化設(shè)計。通過改變裝置配置的數(shù)據(jù)采集模塊,可以調(diào)節(jié)裝置容納的模擬量和數(shù)字量通道。它有兩種機箱,482.6mm的機箱最多可安裝4塊數(shù)據(jù)采集模塊,241.3mm的機箱只能安裝一塊采集模塊。前者適合于集中組屏式故障錄波系統(tǒng)的安裝,后者利于實現(xiàn)分散式安裝。每塊采集模塊有8路模擬量通道和16路開關(guān)量通道或32路開關(guān)

24、量通道。開關(guān)量輸入以2kHz的頻率采樣,分辨率為1ms;模擬量采樣頻率為1218kHz,分辨率為16位。每一路輸入都裝有放大器、抗混疊濾波器和一個A/ D轉(zhuǎn)換器,數(shù)字信號處理器以40MHz的時鐘頻率進行測量。數(shù)據(jù)采集模塊通過高速的16MB/s的總線跟中央處理器連接。SIMEASR的CPU是至少帶8M內(nèi)存的32位處理器,它協(xié)調(diào)所有的數(shù)據(jù)采集板完成如下功能:a.故障啟動判斷;b.故障前、故障變化和故障后的過程記錄;c.計算并記錄電氣測量值(電壓、電流、有功、無功、功率因數(shù))；d.計算并記錄正負序分量、諧波量、直流分量和相位;e.記錄頻率變化過程,頻率通道的精度為±1mHz;f.對記錄進行

25、管理以方便分析程序?qū)收嫌涗浀氖褂?。SIMEASR在硬件配置和軟件設(shè)計方面都有與眾不同的特點。概括起來,主要有以下幾個方面:a.一個新的變送器原理允許電流的測量范圍為有效值0400A,這種互感器使得記錄200A的同時可有100%的直流偏移分量。b.測量誤差小于012%,1218kHz的采樣頻率,具有50次諧波的分析能力。c.使用PCCARD技術(shù)使SIMEASR具有至少300MB的硬盤容量。采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù),使大量數(shù)據(jù)減少為原來的2%5%?，F(xiàn)代化LAN網(wǎng)提高了存貯能力,這有利于分布數(shù)據(jù)歸檔和向電力控制中心的快速數(shù)據(jù)傳輸。d.使用GPS實現(xiàn)同步,為實現(xiàn)多點錄波數(shù)據(jù)的綜合分析提供了方便,直接以GPS

26、對時信號控制采樣脈沖,將相誤差降至1s。對于50Hz的電力頻率,相應的相角誤差僅為0.018。e.每個SIMEASR設(shè)備都裝有一個以太網(wǎng)PC2CARD轉(zhuǎn)換器板,通過它可以和DAKON,LAN及模擬或數(shù)字ISDN電話網(wǎng)連接。f.一般的故障錄波器錄波過程分為故障前、故障時、故障后動態(tài)過程和長過程動態(tài)記錄4個階段,每個階段的時間一旦設(shè)定就被用于系統(tǒng)任何故障的數(shù)據(jù)記錄過程。而SIMEASR采用智能化的順序控制和抑制時間設(shè)定,可以根據(jù)不同的故障靈活地調(diào)整數(shù)據(jù)記錄的時間。另外,它還可以對不同的觸發(fā)通道設(shè)置不同的記錄方式,例如對某些會出現(xiàn)短時狀態(tài)變化的開關(guān)量設(shè)定特殊的記錄過程。這種設(shè)計有利于故障分析和存貯單

27、元的充分利用。1.5.3 診斷系統(tǒng)西門子故障錄波系統(tǒng)裝有自動計算程序,當數(shù)據(jù)被記錄后,程序自動啟動并產(chǎn)生一個目錄文件,包括所有需要的信息,對每一條饋線都進行診斷。DAKON故障數(shù)據(jù)管理裝置能實現(xiàn)這一功能,它裝有OSCOPP故障分析軟件包,能實現(xiàn)高精度測距、諧波分析、電能質(zhì)量分析等功能。如果在調(diào)度端裝有O2SCOPP程序包,就可以實現(xiàn)遠方控制和管理。1.5.4 ALSTOM公司的MiCOMM840數(shù)字式故障錄波器 MiCOMM840的結(jié)構(gòu)和功能與SIMEASR相似,也是完全模塊化設(shè)計,一個裝置最多可配置4塊數(shù)據(jù)采集模塊。多個裝置使用標準通信接口通過專用光纖(電話線等)連接到一臺PC機上。PC機裝

28、有基于Windows95/ 98NT操作平臺的管理分析軟件WinDR,具有遠方設(shè)置、記錄分析、多窗口顯示、集中計算等功能,相當于故障數(shù)據(jù)管理裝置DAKON。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。 圖1-2. MiCOMM840故障系統(tǒng)配置M840具有以下特點:a.有專門的頻率輸入模板,用于記錄頻率變化過程和作為內(nèi)部同步信號,其分辨率為±0101Hz精度為±011Hz。b.采樣頻率從112Hz到10kHz可變,對不同的故障和故障過程的不同時段,M840會自動調(diào)節(jié)其采樣頻率。另外,它還有01012Hz慢采樣頻率,用于長過程的動態(tài)記錄。c.沒有使用以太網(wǎng)PCCARD轉(zhuǎn)換器板,通過Modem連

29、到標準的局域網(wǎng)、專用網(wǎng)、電話網(wǎng)上或直接通過RS2232串行口連到一臺標準的打印機或一臺PC機。d.錄波系統(tǒng)通過SCSI總線外擴1G或2G的硬盤容量,采用IEEECOMTRADE標準格式,可與具有相同格式的其它故障處理裝置通信。1.5.5 國外其它公司的故障錄波器 美國Hathaway公司生產(chǎn)的數(shù)字式故障錄波器IDM是一種分散式多功能的故障數(shù)據(jù)采集裝置,其基本結(jié)構(gòu)與SIMEASR類似,不同之處在于一個IDM有10路或16路模擬量輸入通道,采樣頻率614kHz,中性點電流由計算得到而不專門配置輸入通道;另外,IDM有SCADAI/ O口通過Modbus規(guī)約可與RTU進行通信。加拿大APT公司生產(chǎn)的

30、TESLA故障錄波器,采樣頻率418kHz,分辨率13位,具有1000個記錄存貯能力,通過Modbus,DNP310或RS2232能和監(jiān)控系統(tǒng)通信,除了常規(guī)的觸發(fā)方式外還有諧波水平觸發(fā)畸變率觸發(fā)。美國通用電氣公司的EPMO7700具有60次諧波分析能力,除常規(guī)的錄波功能外還能進行電能計費。美國RiS公司的TRO2000是一種功能綜合的錄波器,具有采樣頻率195kHz的暫態(tài)記錄功能,可用于特殊的場合,例如閃電研究、SVCs中的快速開關(guān)和FACTS的監(jiān)視。 1.6 國內(nèi)故障錄波器發(fā)展現(xiàn)狀 國內(nèi)對故障錄器的研究和開發(fā)已經(jīng)有多年的歷史,早期的錄波器有機電式錄波器、光纖式錄波器和采用固態(tài)數(shù)據(jù)存儲器的錄波

31、器,現(xiàn)在普遍使用的是用微處理器實現(xiàn)的錄波器。1.6.1 YSO8A型微機故障錄波測距裝置該裝置適用于220kV以上的變電站、發(fā)電廠及其它對錄波要求極高的場所。原理框圖如圖1-3所示。 圖1-3. YSO8A故障錄波器的原理框圖裝置采用以單片機為前置機,工控機為后臺機的模塊化結(jié)構(gòu),后臺機與各前置機相對獨立,每個模擬量前置機可管理8路模擬量,每個開關(guān)量前置機可管理64路開關(guān)量,前置機的數(shù)量可根據(jù)用戶的不同要求而配置,最多可配置8個模擬量前置機和2個開關(guān)量前置機。輸入裝置的開關(guān)量信號、模擬量信號分別經(jīng)過光電隔離和電磁隔離進入前置機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),前置機再通過高速通信接口傳給后臺機,后臺機把這些數(shù)據(jù)存盤

32、、分析、打印并通過RSO232接口向上級部門傳送。YSO8A具有如下特點:a.模擬量前置機是一個獨立的數(shù)據(jù)采集單元,主要包括8032CPU、數(shù)據(jù)存貯器、隔離放大器、A/ D574轉(zhuǎn)換器、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)。它主要負責將輸入的電流、電壓、高頻等電量經(jīng)過整理變換成數(shù)字信號并存入數(shù)據(jù)存貯器。b.開關(guān)量前置機將開關(guān)接點信號經(jīng)過光耦隔離變換成數(shù)字信號,存入數(shù)據(jù)存貯器,然后傳給后臺機。c.后臺機是整個錄波器的核心,它負責錄波器的人機對話、數(shù)據(jù)的處理和存貯、和各前置機交換數(shù)據(jù)、與上級部門通信等,后臺機是32位386/ 486工控機。d.高頻信號采樣頻率是2kHz,模擬信號采樣頻率為1kHz,分辨率為12位,諧波分

33、辨率7次,開關(guān)事件分辨率1ms。e.電流、電壓波形采樣頻率優(yōu)于2%,故障測距精度優(yōu)于5%。f.除高頻信號外,所有輸入信號都可作為啟動量,越限啟動量精度優(yōu)于5%,突變啟動量精度優(yōu)于30%。g.裝置配有兩個集成軟件包,錄波屏上配有一個在線軟件包,以多任務控制系統(tǒng)為軟件核心,任務項包括錄波、故障自動分析、打印、參數(shù)修改、通信等。在調(diào)度部門的主機上配有基于平臺的離線軟件包,功能包括故障波形分析、諧波分析、測距、參數(shù)整定、通信監(jiān)控等。所有軟件均漢化,人機界面好、操作簡單。h.裝置上設(shè)有GPS接口,可接收GPS對時信息。1.6.2 WDS型數(shù)字式故障錄波器它是國內(nèi)較早出現(xiàn)的數(shù)字式故障錄波器,其結(jié)構(gòu)如圖1-

34、4所示。圖1-4. WDS型數(shù)字式故障錄波器的結(jié)構(gòu)從功能上, 可將裝置分成3部分。ASTU部分相當于YSO8A型錄波器的變送器層, 不同之處在于它只完成模擬信號的變送和隔離, 將現(xiàn)場的高壓大電流信號和高速通道信號變換成適合于計算機處理的小電壓信號。開關(guān)量隔離輸入板在DSSU單元中, DSSU部分是數(shù)據(jù)采集啟動控制單元,它相當于YSO8A型錄波器前置機,完成數(shù)據(jù)采集、存貯及錄波啟動等工作。不同之處在于它基于MULTIBUS模板設(shè)計,采用8086CPU插件構(gòu)成了一個獨立的智能模塊,但它跟M840和SIMEASR相比其運算能力和存貯功能遠不及后者,另外它也沒有顯示和面板操作功能。DAU部分是一臺標準

35、的32位工業(yè)控制計算機,它的功能包括:a.與DSSU通信,詢問DSSU狀態(tài),如果DSSU單元已啟動,則索取錄波數(shù)據(jù)；b.定時與DSSU時鐘同步；c.錄波數(shù)據(jù)存盤,分析處理和打印輸出;d.裝置自檢及工作報告。由于國內(nèi)變電站綜合自動化的發(fā)展,對故障錄波器提出了更高的要求。許多廠家開始使用DSP技術(shù),用專門的DSP芯片代替模擬量采集前置機,以提高數(shù)據(jù)采集的速度和精度。除已開發(fā)的集中式故障錄波器外,一些單位正在開發(fā)分散式故障錄波器。分散方式中的數(shù)據(jù)傳輸格式和錄波網(wǎng)的選擇都有待進一步探討。 1.7 國內(nèi)外故障錄波器的比較及建議同國外相比,國內(nèi)的故障錄波器還存在一定的差距,概括起來,主要有以下幾點:a.錄

36、波器在故障時沒有正常運行的主要原因是元器件質(zhì)量不過關(guān),占總數(shù)的70%。b.硬件配置不合理14。國內(nèi)故障錄波器一般采用單片機完成數(shù)據(jù)的采集、計算和判斷,而國外普遍采用專門的DSP芯片。c.系統(tǒng)容量小。由于受到系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)的限制,無論是模擬量的輸入、開關(guān)量的輸入、還是故障數(shù)據(jù)存儲容量,其冗余度小,不利于增容和升級。而國外錄波器的模塊式結(jié)構(gòu)使以后的擴展能簡單地集成到現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)中,且采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù),存儲容量大。d.國外的故障錄波器一般是多功能的智能化裝置,能記錄短路故障、低頻振蕩、暫態(tài)故障,還能進行故障定位、諧波分析和電能質(zhì)量分析,而國內(nèi)的錄波器數(shù)據(jù)分析能力差,故障測距結(jié)果不準15。e.遠傳技術(shù)不完

37、善16,國內(nèi)的故障錄波器機型各種各樣,錄波的數(shù)據(jù)格式、遠傳實現(xiàn)的格式各不相同,缺少統(tǒng)一的遠傳技術(shù)規(guī)范。存在差距的同時,我們也有自己的優(yōu)勢:a.與國外產(chǎn)品相比,國內(nèi)錄波器在價格上有一定優(yōu)勢。b.國外故障錄波系統(tǒng)除前置錄波器外,還要配置專門的故障分析軟件,構(gòu)建獨立的錄波網(wǎng),投資大,技術(shù)要求高,不適合目前仍以集中組屏式結(jié)構(gòu)為主,網(wǎng)絡功能不健全的變電站系統(tǒng)。c.國內(nèi)廠家在現(xiàn)場調(diào)試、培訓和售后服務方面比國外廠家更具優(yōu)勢。現(xiàn)就錄波器的關(guān)鍵技術(shù)提出幾點建議:a.提高數(shù)據(jù)測量的精度,這可以從硬件和軟件兩個方面著手。在硬件上,可選用分辨率是16位的A/D轉(zhuǎn)換器和高速高精度DSP芯片,若要降低成本,也可以采用幾個

38、低速A/ D轉(zhuǎn)換器并聯(lián)工作的技術(shù)。在軟件上,減小濾波算法誤差關(guān)鍵是消除非周期分量的影響,現(xiàn)在有一種將差分和博氏變換相結(jié)合的算法具有很高的可靠性和準確度;諧波分析的算法比較多,一般的FFT算法,快速抗混疊的FAFT算法和減少泄露誤差地加窗2插值技術(shù),關(guān)鍵是在編程時如何有效快速地實現(xiàn)這些復雜的算法17。還有一個需要重視的問題是故障非周期分量引起的TA飽和問題,在不能改變現(xiàn)有一次配置的情況下考慮能否從算法上減小誤差。b.保證裝置的準確啟動。故障錄波器的啟動判據(jù)很多,如整定得不好,就會出現(xiàn)拒動或系統(tǒng)稍有波動就啟動的情況,為此在整定時可以參照保護整定的方法,以求達到較高的準確性和可靠性。c.擁有強大的網(wǎng)

39、絡功能和通信能力。從硬件上要求錄波器裝置具有多個RSO232及RSO485接口,可與當?shù)氐谋O(jiān)控系統(tǒng)或?qū)Ｓ锰幚砥魍ㄐ?內(nèi)置Modem能與遠方調(diào)度中心通信,同時提高遠傳通道的質(zhì)量;從軟件上要求采用標準的數(shù)據(jù)記錄格式和統(tǒng)一的遠傳技術(shù)規(guī)范,采用數(shù)據(jù)壓縮以提高傳輸容量。d.擁有豐富的后臺分析能力。進行后臺分析的基礎(chǔ)是對時時鐘精確,為此應采用GPS,它可將時間誤差減小到1ms以下。故障測距的精度是影響后臺分析能力的關(guān)鍵技術(shù),目前雙端測距是一個比較好的辦法。第二章 故障測距方法目前，我國正處于建設(shè)堅強智能電網(wǎng)的關(guān)鍵時期，電網(wǎng)正向超(特)高壓、大容量、大系統(tǒng)發(fā)展，對供電可靠性、安全穩(wěn)定性要求越來越高輸電線路發(fā)

40、生短路故障時，能否實時在線地進行故障測距、快速準確地找到短路點的位置對運行檢修部門來說相當重要18-19，同時輸電線路故障測距是電力系統(tǒng)在線監(jiān)測與故障診斷的一個重要分支，是加快推進實施電力系統(tǒng)在線監(jiān)測與故障診斷體系的關(guān)鍵一環(huán)。早期的故障定位一般是根據(jù)模擬式錄波器記錄的故障錄波圖粗略的估計故障點的位置。隨著計算機技術(shù)的普遍發(fā)展及應用，基于微機的保護裝置和故障錄波裝置應用的越來越廣泛，由于當時的故障定位方法還不是很完善，且受其他因素的影響，測距精度仍得不到保障。近年來，高速數(shù)字信號處理器及其他新型技術(shù)的發(fā)展，為各種測距算法的發(fā)展提供了保證。本文分析了各種故障定位方法的優(yōu)缺點，并由此提出了發(fā)展輸電線

41、路故障定位技術(shù)的研究思路。目前的故障定位方法可以分為行波測距法和阻抗測距法。2.1 行波測距法行波法最早誕生于20世紀40年代，它是通過測量故障產(chǎn)生的行波在故障線路上的時間來實現(xiàn)測距的方法。由于早期受許多相關(guān)技術(shù)的限制，比如行波信號的提取、信號處理方法、數(shù)據(jù)處理方法等等，一直沒有得到推廣。隨著近年來科學技術(shù)的發(fā)展，GPS的商業(yè)化，高速處理芯片的應用，為行波分析方法在電力系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的運用提供了基本手段。行波分析法可分為A、B、C、D四種方法20，其中A 型和C型采用的是單端信號定位；B型和D型采用雙端信號定位。對于單端信號的行波測距法而言，由于 行波到達故障點后會發(fā)生反射，也會折射到對端

42、的母線，折射到對端母線的行波經(jīng)過一段時間后又會反射到測量點，使得行波分析有較大的誤差。由于影響因素較多，后面幾次的行波辨識比上一次的辨識更加困難，因此單端法難以精確記錄兩次行波到達測量端的時間，以致測量存在較大的誤差。雙端法由于是故障后記錄電流或電壓行波到達線路兩端的時間，而行波的傳輸速度近似于光速，1s就會造成150m的誤差，因此這種測距原理對線路兩側(cè)的GPS對時系統(tǒng)要求非常高。故障行波信號是一個突變的、具有奇異性的、含有大量高頻分量的信號，并且行波在不同的模式下傳播時，各頻率分量的傳播速度和衰減也各自不同，從而造成行波的到達時間難以準確判斷，這些是影響行波法故障測距精度得重要原因之一。小波

43、分析法的出現(xiàn)使行波的信號處理有了一個很好的解決辦法。小波分析法21具有伸縮、平移和放大功能，它在時域和頻域上同時具有良好的局部化性質(zhì)。它可以對信號進行多尺度分析，具有很強的特征提取功能，尤其對突變信號的處理優(yōu)勢非常明顯，另外,由于隨機噪聲信號和有效信號的小波變換在特征上有明顯的區(qū)別，因此小波分析法具有很強的消噪功能。這些優(yōu)勢為小波分析法在微機保護中的應用提供了可靠性。2.2 阻抗測距法阻抗測距法廣義上又稱為故障分析法，是根據(jù)故障時的系統(tǒng)自身參數(shù)以及故障點的電壓、電流求得故障阻抗的一種通用方法。阻抗法也包括單端量法和雙端量法。2.2.1單端量測距法 單端量法一般是在系統(tǒng)運行方式確定和線路參數(shù)已知

44、的情況下，利用線路一端測得的電流、電壓計算出故障阻抗的一種算法。由于保護裝置、測量裝置和錄波裝置公用一套電流、電壓互感器，硬件投資少，且不受系統(tǒng)通信條件的限制，在早期的測距裝置中應用的較多。但是單端測距法只使用了一側(cè)的故障信息，故 障過渡電阻和對側(cè)系統(tǒng)阻抗變化對測距精度有著較大的影響?，F(xiàn)代的單端測距算法可細分為迭代法、解微分方程法、解二次方程法等。迭代法是從分析故障時系統(tǒng)序網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)人手，根據(jù)邊界條件，得出測量端短路電流與故障支路同類電流之間或者它們的相角之間存在的關(guān)系式，再與測量端電壓方程構(gòu)成方程組，得到一個值，最后利用所得值反復迭代，求得一個最優(yōu)近似值。文獻22提出利用迭代法來求解故障距離，

45、通過一定次數(shù)的迭代來修正故障電流相位，雖然解決了電流不同相位而帶來的誤差問題，但缺點是迭代結(jié)果不一定收斂于故障距離，且 定位精度受過渡電阻等因素的影響。 解微分方程法是基于被測線路的分布電容可以忽略的情況下提出的，它利用兩個不同時刻的采樣值，獲得兩個獨立的方程，從而求得故障距離。該方法無需 雙側(cè)系統(tǒng)參數(shù)和故障前的數(shù)據(jù)，由于是采樣兩個時刻的瞬時值，響應時間短，且不必濾掉非周期分量。但該方法忽略了分布電容的存在，因此對長線路失效，并且在高阻抗故障時，測距精度影響較大。文獻23則利用正序和負序故障分量的相位代替故障電流的相位，使之適應于高阻抗接地。但同時測距精度也會受對側(cè) 系統(tǒng)運行方式和過渡電阻的影

46、響。因此要減小其影響，就要引人對端系統(tǒng)的阻抗，那必然要受對側(cè)系統(tǒng)阻抗變化的影響，這是單端測距算法長期沒有解決的難=-題。2.2.2雙端量測距法 雙端量測距法是利用線路兩端的電氣量實現(xiàn)的故障測距算法。由于這類算法是利用兩端電流電壓推算倒故障點電壓相等的條件獲得的故障位置信息，因此 從原理上不存在過渡電阻和對側(cè)系統(tǒng)運行方式變化影響的問題。目前的雙端測距法主要分為雙端數(shù)據(jù)同步和不同步兩種。 (1)基于雙端數(shù)據(jù)同步采樣數(shù)的測距算法 這類算法的特點是算法簡單，但由于要求兩端數(shù)據(jù)采樣同步，對硬件要求較高，數(shù)據(jù)采樣的非同步誤差會影響這類算法的測距精度，通常利用GPS對時系統(tǒng)保證兩端數(shù)據(jù)采樣同步或進行采樣同步

47、化來處理解決該問題。文獻24是基于微分方程的算法，它利用兩端的暫態(tài)數(shù)據(jù)進行分析，在短線路中，用差分代替微分，采用最小二乘法提高精度；長線路中，利用貝瑞龍模型，故障距離也通過最小二乘法進行校正，此方法采用兩端電流電壓的瞬時值，靈活方便，且對硬件的要求 比行波法低，只需要兩端數(shù)據(jù)同步即可。文獻25，26提出基于模分析理論的精確故障定位法，該方法利用相一模變換原理很好地克服了輸電線路參數(shù)實際上的 不平衡對故障測距精度的影響，既適用于不換位線路， 也適用于各種換位線路，還可以推廣到耦合平行雙回線路的故障測距。 (2)基于雙端數(shù)據(jù)不同步采樣的測距算法 不同步數(shù)據(jù)采樣算法是先在計算中引人相角差，在故障點處

48、列些兩端電壓方程式，得到關(guān)于相角差和故障距離的兩個方程，然后使用迭代法求出相角差，進而得到故障距離；或消除相角差，建立故障距離的二次方程求得故障點。文獻27利用本端電壓、電流和對側(cè)的電流實現(xiàn)故障測距，由于是直接利用分相式電流差動保護已有電流信息，因此可以不必考慮雙端數(shù)據(jù)的同步問題。 (3)帶有串補電容補償?shù)妮旊娋€路故障測距 串聯(lián)電容補償技術(shù)是一項十分成熟的技術(shù)，在電力系統(tǒng)中已有8O多年的應用歷史。在輸電線路中加入串補電容不僅能提高線路的輸送能力，還可以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行水平。研究表明：串聯(lián)電容補償技術(shù)不僅在技術(shù)上具有優(yōu)勢，而且經(jīng)濟效益也非常明顯，常規(guī)串補電容補償?shù)脑靸r通常不到架設(shè)一條新輸電

49、線路造價的1028。 由于串聯(lián)補償電容的存在破壞了輸電線路的均勻性，常規(guī)的測距算法已不能滿足其要求。國內(nèi)外許多學者進行了有關(guān)串補電容輸電線路測距算法的研究， 文獻29利用單側(cè)電壓電流工頻分量進行雙電源線路短路點定位，原理上無法克服對側(cè)系統(tǒng)運行方式阻抗隨負荷波動和運行方式的改變而變化對測距精度的影響。文獻30是采用雙端數(shù)據(jù)，利用序分量求解的精確故障定位算法，它不需要雙端信號同步，并且考慮的MOV的非線性問題。2.3 行波測距原理2.3.1 行波產(chǎn)生機理 設(shè)單相線路F點發(fā)生金屬性短路。故障時等效網(wǎng)絡如圖2-1所示。圖2-1線路F點故障時的等效網(wǎng)路圖2-1(a)為正常時的網(wǎng)絡圖，圖2-1(b)為故障

50、附加網(wǎng)絡圖。根據(jù)疊加原理，故障后的網(wǎng)絡可等效為故障前正常運行網(wǎng)絡與故障后故障附加網(wǎng)絡的疊加31。故障狀態(tài)等效于故障點增加了兩個大小相等、方向相反的電壓源，其電壓數(shù)值等 于故障前F點的電壓。行波測距法就是利用故障附加網(wǎng)絡的電壓源產(chǎn)生的行波在線路中傳播這一物理特性進行的。2.3.2 雙端行波測距原理雙端行波測距原理利用線路內(nèi)部故障產(chǎn)生的初始行波浪涌到達線路兩端測量點時的絕對時間之差值，計算故障點到兩端測量點之間的距離。為準確標定故障初始行波浪涌到達故障線路兩端測量點的絕對時間，在線路兩端均需裝設(shè)行波采集系統(tǒng)。兩端行波采集系統(tǒng)中必須配備高精度和高穩(wěn)定度的實時時鐘，而且需采用內(nèi)置高精度授時系統(tǒng)(如GP

51、S接收模塊)的電力系統(tǒng)同步時鐘實現(xiàn)精確同步，以使得兩系統(tǒng)的時鐘誤差平均不超1us。圖2-2為雙端測距的原理圖。圖2-2 雙端測距的原理圖當線路為單一介質(zhì)線路時，行波在線路上的傳播速度恒定，波速用 表示。如圖6所示，當在線路MN中某一點F發(fā)生故障時，故障點產(chǎn)生的行波向線路兩端傳播。行波到達兩端的絕對時間分別為t1和t2。則可得以下方程組： （2-1）式中：L是線路MN的長度；At是故障行波到達M端和N端的時差。因此故障距離可表示為： (2-2)式中：LMF是故障點到M端的距離;LNF是故障點M到N端的距離。當線路為混合線路時，行波在線路上的傳播速度不恒定，上述方法失效。但是仍滿足以下方程組： （

52、2-3）式中：t是故障行波到達M端和N端的時差；t是行波從M端傳到N端所需要的時間。因此，故障時間可表示為： （2-4）式中：t1是故障行波傳到M端所需要的時間；t2是故障行波傳到N端所需要的時間。2.4 故障錄波器數(shù)據(jù)分析及雙端測距算法2.4.1波形再現(xiàn)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)是一系列離散的點，利用以java為平臺開發(fā)的基于IEEE標準的COMTRADE數(shù)據(jù)格式的面向?qū)ο蟮目梢暬绦蚩梢杂嬎愠雒總€時刻對應的電壓和電流瞬時值，再利用jfreechart的強大功能便可以生成電壓和電流波形圖。具體的單通道波形生成程序如下：JFreeChart chartA=ChartFactory.createXYLine

53、Chart("", / chart title"X", / x axis label"Y", / y axis labeldataset, / dataPlotOrientation.VERTICAL,true, / include legendtrue, / tooltipsfalse / urls);import;import ;import ;2.4.2 頻率計算采樣電壓信號為一正弦電壓，假設(shè)采樣期間電壓幅值保持不變，系統(tǒng)頻率也不迅速改變，系統(tǒng)電壓信號采樣可用下式表示： （2-5）設(shè)每周波的采樣點數(shù)為N，每0.1s的采樣點數(shù)為n

54、，當電壓信號以T為時間間隔采樣時，第k, k +1, k +2, k +3的采樣值可以表示為 （2-6） （2-7） （2-8） （2-9）由上式可知： （2-10） 為消除的影響，利用等比定理若，則經(jīng)過n-3次計算的按上式取絕對值和進行補償?shù)玫剑?（2-11） 令 （2-12） 根據(jù)采樣值可以計算出每隔0.1s的x值由式（2-11）和式（2-12）可以推導出 （2-13）注：f=50Hz，T為采樣周期，根據(jù)式（2-13）求出的x為x0，將在處進行泰勒展開得 （2-14） 可得：2.4.3 結(jié)合全周傅氏變換算法這是在電力系統(tǒng)中應用很廣泛的一種較好的算法，尤其是在電力系統(tǒng)微機保護提取基波分量時占有重要的地位。當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時往往產(chǎn)生較大的衰減，非周期分量全周傅氏差分算法則可以消除這種誤差。為了降低直流分量的影響采用