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技術(shù)頻道

基于整個(gè)輸電網(wǎng)GPS行波故障定位系統(tǒng)的研究

0 引言
  目前,高壓輸電線路故障定位主要基于阻抗算法[1],這種算法對(duì)于高阻接地、多端電源線路等情況下的故障定位精度在實(shí)用中通常不優(yōu)于3%,對(duì)于長(zhǎng)線路(>100 km)難以滿足尋線要求。
  現(xiàn)代行波定位是利用故障發(fā)生后線路上出現(xiàn)的電壓行波和電流行波進(jìn)行精確故障定位,其測(cè)量誤差小于1 km,且受線路類(lèi)型、接地阻抗等因素的影響小[2],因此越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注,國(guó)內(nèi)外已有部分產(chǎn)品在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行[3]。
  行波定位可分為單端定位和雙端定位。單端定位是利用故障點(diǎn)傳向母線第一行波與故障點(diǎn)的反射行波之間的時(shí)間差計(jì)算故障位置[4]。由于行波在各個(gè)一次設(shè)備、各條線路的連接處的反射、折射和衰減,使得故障點(diǎn)反射行波波頭的辨識(shí)變得復(fù)雜。雙端定位則只利用行波第一波頭到達(dá)線路兩端的時(shí)刻進(jìn)行計(jì)算,只需捕捉行波第一個(gè)波頭,不用考慮行波的反射與折射,行波幅值大,易于辨識(shí)。同時(shí)由于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)的出現(xiàn)[5,6],把時(shí)間的測(cè)量精度提高到納秒級(jí),從而提高了雙端定位的精度(可達(dá)±150 m)。因此,國(guó)內(nèi)外普遍采用GPS雙端定位系統(tǒng)。
  但在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中,GPS雙端定位系統(tǒng)也存在一些不足:
  a.采樣頻率較高:1 MHz~5 MHz,故障信息存儲(chǔ)量太大。
  b.受采樣頻率的限制,無(wú)法辨識(shí)近距離故障行波[2]。由行波特性可知:
  式中 L為故障處到母線的距離;v為行波傳播速度,接近光速,v≈3.0×108 m/s;f為定位系統(tǒng)能測(cè)量的最高行波頻率。
  設(shè)f=150 kHz,則L=1 km,即能判斷的最近故障點(diǎn)距離母線為1 km。
  c.無(wú)法檢測(cè)發(fā)生在電壓過(guò)零附近時(shí)刻接地的故障[2]。
  d.由于GPS短時(shí)失步、衛(wèi)星信號(hào)調(diào)整、天線干擾等導(dǎo)致時(shí)鐘信號(hào)失真[7],可導(dǎo)致定位失敗。
  針對(duì)傳統(tǒng)裝置的上述缺陷,本文提出一種新型的輸電網(wǎng)行波定位系統(tǒng)。它采用一種特殊的行波傳感器和具有守時(shí)鐘的高精度GPS時(shí)鐘。如果在整個(gè)輸電網(wǎng)中每一個(gè)變電站安裝一臺(tái)這樣的GPS行波記錄儀,就可形成GPS行波測(cè)量網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)對(duì)各種故障的準(zhǔn)確記錄和定位。
1 行波特性分析
  以某500 kV線路(如圖1)為例,采用EMTP/ATP進(jìn)行了多種故障仿真,其中距M端306 km處在1 ms時(shí)刻A相接地故障的仿真結(jié)果示于圖2~圖5。

   圖2 M端電壓行波
   Fig.2 Travelling wave of voltage on the busbar M

   圖3 N端電壓行波
   Fig.3 Travelling wave of voltage on the busbar N

   圖4 M端電流行波
   Fig.4 Travelling wave of current on the busbar M

   圖5 N端電流行波
   Fig.5 Travelling wave of current on the busbar N
  由圖2~圖5可以明顯看出:
  a. A相發(fā)生單相接地時(shí),在線路兩端每相都有電流行波和電壓行波產(chǎn)生,行波波頭幅值大,頻率高。
  b.行波第一波頭到達(dá)時(shí)刻較為明顯,以后在母線、變壓器、故障點(diǎn)等多處反射和折射,幅值有明顯的衰減。
  c.電壓行波比電流行波相對(duì)幅值大,理論上較易測(cè)量。在實(shí)際運(yùn)行中,500 kV線路電容式電壓互感器高頻特性差,截止頻率太低,因此需要制作專(zhuān)用的電壓行波傳感器。
  d.在M端、N端、B端分別安裝電壓行波傳感器,N端近距離故障時(shí),可采用M端、B端的記錄定位。具有N—1容錯(cuò)性。
2 總體方案設(shè)計(jì)
  如圖6,采用專(zhuān)用的電壓行波傳感器檢測(cè)行波波頭,采用硬件電路啟動(dòng),記錄行波波頭到達(dá)的準(zhǔn)確時(shí)刻,由高精度晶振驅(qū)動(dòng)累加器產(chǎn)生高精度時(shí)鐘信號(hào),利用行波第一波頭到達(dá)線路兩端的時(shí)間差(TM-TN)進(jìn)行故障定位。故障點(diǎn)距M端的距離為L(zhǎng)M:
  LM=0.5[v(TM-TN)+L]
  其中 L為輸電線路長(zhǎng)度。

   圖6 GPS行波定位模型總框圖
   Fig.6 Block diagram of GPS travelling wave fault location model
  2.1 行波波頭的提取
  每個(gè)變電站只需安裝一個(gè)專(zhuān)用電壓行波傳感器。采用硬件檢測(cè)電壓行波波頭,產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào),直接記錄啟動(dòng)時(shí)刻,無(wú)需高速A/D采集,無(wú)需倍頻電路,這樣可以簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu),減少存儲(chǔ)量,便于計(jì)算處理。
  2.2 GPS精確時(shí)間的產(chǎn)生
  采用單片機(jī)接收GPS串行時(shí)鐘,產(chǎn)生年、月、日、時(shí)、分、秒信號(hào),并采用高精度恒溫晶振(5 MHz,誤差小于10-9 s)驅(qū)動(dòng)24位累加器。由 GPS產(chǎn)生的每秒1個(gè)脈沖的脈沖信號(hào)定時(shí)對(duì)累加器清零,產(chǎn)生0.2 μs精度的時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)GPS不同步或故障時(shí),可臨時(shí)由高精度晶振產(chǎn)生脈沖信號(hào),定時(shí)對(duì)累加器清零,保證1 h內(nèi)誤差小于3.6 μs,即定位誤差小于1.18 km。
  2.3 信號(hào)的存儲(chǔ)
  只需存儲(chǔ)行波波頭到達(dá)時(shí)刻的時(shí)間信息,共10個(gè)字節(jié),這樣一塊28256芯片就可記錄3276次行波時(shí)間信息,按每次事故或操作記錄10次反射、折射行波計(jì)算,可記錄327次事故或操作,因此完全可以記錄發(fā)展性故障。對(duì)于電壓過(guò)零附近時(shí)刻故障,其一般為永久性故障,可以采用重合閘后故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波計(jì)算。
  2.4 測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的形成
  對(duì)于某一電壓等級(jí)的電網(wǎng),在每個(gè)變電站安裝一套行波記錄裝置,電網(wǎng)中任一點(diǎn)故障或雷擊時(shí),則在整個(gè)電網(wǎng)中都有行波產(chǎn)生,因此每個(gè)變電站的記錄裝置都將有行波啟動(dòng)記錄。由式(1)可知,對(duì)于變電站近距離故障,在該變電站將產(chǎn)生高頻行波,傳感器難以啟動(dòng)記錄,但在其它變電站,行波頻率下降,則易于記錄。這樣,可以由其它變電站的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行近距離故障計(jì)算。同樣,在整個(gè)行波測(cè)量網(wǎng)絡(luò)中,任意一臺(tái)裝置發(fā)生故障或啟動(dòng)失靈,都可根據(jù)其它裝置的記錄進(jìn)行故障定位,從而提高故障定位的可靠性。
3 行波記錄儀設(shè)計(jì)
  3.1 傳感器的連接
  以某220 kV電網(wǎng)為例,電壓行波傳感器為一分壓器,其并聯(lián)于電壓抽能裝置內(nèi)部避雷器上(如圖7所示,接于A點(diǎn)至地之間)。

   圖7 220 kV耦合電容器和載波裝置接線
   Fig.7 Scheme of the metrical signal coupling
  當(dāng)線路中沒(méi)有故障時(shí),分壓器輸出信號(hào)為工頻信號(hào),反映A點(diǎn)的電壓(有效值為100 V);當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí),故障行波自線路進(jìn)入,避雷器1動(dòng)作,A點(diǎn)至地間的電壓為避雷器1兩端的電壓。由于避雷器動(dòng)作電壓低(2 kV~4 kV)、響應(yīng)速度快,行波波頭到達(dá)時(shí),在分壓器上將產(chǎn)生一個(gè)快速上升或下降的跳變信號(hào),可以通過(guò)這個(gè)跳變信號(hào)啟動(dòng)行波記錄裝置進(jìn)行記錄。
  3.2 硬件和軟件設(shè)計(jì)
  行波記錄儀的硬件結(jié)構(gòu)如圖8所示。

   圖8 硬件原理圖
   Fig.8 Block diagram of hardware
  a. GPS接收機(jī)采用日產(chǎn)KODEN GSU—25型,其定時(shí)精度達(dá)0.5 μs。
  b.邏輯器件采用ISP(超大規(guī)模可編程器件),實(shí)現(xiàn)了在線可編程,方便邏輯電路功能修改,基本上達(dá)到了邏輯電路硬件的“軟化”。
  c. 24位累加器由晶振驅(qū)動(dòng)。GPS時(shí)鐘接收準(zhǔn)確時(shí),由GPS產(chǎn)生的脈沖信號(hào)對(duì)累加器清零;當(dāng)GPS時(shí)鐘接收失敗或時(shí)鐘失穩(wěn)時(shí),則由累加器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)定時(shí)對(duì)累加器清零,使累加器在1 s內(nèi)循環(huán)計(jì)數(shù),并由其啟動(dòng)CPU進(jìn)行秒計(jì)時(shí)。
  d.行波波頭到達(dá)時(shí)刻的鎖定由啟動(dòng)信號(hào)啟動(dòng)鎖存器完成,并由啟動(dòng)信號(hào)中斷CPU記錄啟動(dòng)時(shí)刻。
  e.由保護(hù)跳閘信號(hào)啟動(dòng)通信,讀取整個(gè)電網(wǎng)中其它行波記錄儀記錄的時(shí)間后,進(jìn)行計(jì)算處理,顯示故障位置;也可由調(diào)度讀取各行波記錄儀的記錄時(shí)間,進(jìn)行故障計(jì)算。
4 結(jié)論
  綜上所述,該輸電網(wǎng)GPS行波故障定位系統(tǒng)基于專(zhuān)用的電壓行波傳感器及具有守時(shí)鐘的高精度GPS時(shí)鐘,具有以下特點(diǎn):
  a.采用專(zhuān)用傳感器,只需記錄行波波頭到達(dá)時(shí)刻,記錄信息量小,記錄次數(shù)多,可記錄發(fā)展性故障。
  b.采用高精度晶振同步GPS計(jì)時(shí),計(jì)時(shí)精度高,在GPS時(shí)鐘失真或故障時(shí)能維持時(shí)鐘的準(zhǔn)確性。
  c.形成基于整個(gè)輸電網(wǎng)的行波測(cè)量網(wǎng)絡(luò),協(xié)同測(cè)量,對(duì)近距離故障或某臺(tái)設(shè)備故障等具有N—1容錯(cuò)處理能力。
  d.每個(gè)變電站只需一套設(shè)備,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,投資少。
  輸電網(wǎng)GPS行波故障定位系統(tǒng)正在研制、調(diào)試中,各部分硬件電路、計(jì)算方法已通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)及仿真分析,效果良好。
參 考 文 獻(xiàn)
  [1]Ye Ping, Zhang Zhe, Chen Deshu. Theory and Application Experience of a New Algorithm for HV Transmission Line Fault Location. Power System Technology, 1995, 19(7)
  [2]徐丙垠.利用暫態(tài)行波輸電線路故障測(cè)距技術(shù):〔博士學(xué)位論文〕.西安:西安交通大學(xué),1991
  [3]董新洲,葛耀中,徐丙垠.新型輸電線路故障測(cè)距裝置的研制.電網(wǎng)技術(shù),1998,22(1)
  [4]葛耀中.新型繼電保護(hù)與故障測(cè)距原理與技術(shù).西安:西安交通大學(xué)出版社,1996
  [5]高厚磊,賀家李.基于GPS的同步采樣及在保護(hù)與控制中的應(yīng)用.電網(wǎng)技術(shù),1995,19(7)
  [6]高厚磊,厲吉文,文 鋒,等.GPS及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用.電力系統(tǒng)自動(dòng)化,1995,19(9)
  [7]王元虎,周東明.衛(wèi)星時(shí)鐘在電網(wǎng)中應(yīng)用的若干技術(shù)問(wèn)題.中國(guó)電力,1998,31(2)

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