基于整個輸電網GPS行波故障定位系統的研究
0 引言
目前，高壓輸電線路故障定位主要基于阻抗算法［1］，這種算法對于高阻接地、多端電源線路等情況下的故障定位精度在實用中通常不優于3%，對于長線路（>100 km）難以滿足尋線要求。
現代行波定位是利用故障發生后線路上出現的電壓行波和電流行波進行精確故障定位，其測量誤差小于1 km，且受線路類型、接地阻抗等因素的影響小［2］，因此越來越受到國內外學者的關注，國內外已有部分產品在現場運行［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傳向母線第一行波與故障點的反射行波之間的時間差計算故障位置［4］。由于行波在各個一次設備、各條線路的連接處的反射、折射和衰減，使得故障點反射行波波頭的辨識變得復雜。雙端定位則只利用行波第一波頭到達線路兩端的時刻進行計算，只需捕捉行波第一個波頭，不用考慮行波的反射與折射，行波幅值大，易于辨識。同時由于全球衛星定位系統（GPS）的出現［5，6］，把時間的測量精度提高到納秒級，從而提高了雙端定位的精度（可達±150 m）。因此，國內外普遍采用GPS雙端定位系統。
但在現場運行中，GPS雙端定位系統也存在一些不足：
a.采樣頻率較高：1 MHz～5 MHz，故障信息存儲量太大。
b.受采樣頻率的限制，無法辨識近距離故障行波［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為定位系統能測量的最高行波頻率。
設f=150 kHz，則L=1 km，即能判斷的最近故障點距離母線為1 km。
c.無法檢測發生在電壓過零附近時刻接地的故障［2］。
d.由于GPS短時失步、衛星信號調整、天線干擾等導致時鐘信號失真［7］，可導致定位失敗。
針對傳統裝置的上述缺陷，本文提出一種新型的輸電網行波定位系統。它采用一種特殊的行波傳感器和具有守時鐘的高精度GPS時鐘。如果在整個輸電網中每一個變電站安裝一臺這樣的GPS行波記錄儀，就可形成GPS行波測量網絡，實現對各種故障的準確記錄和定位。
1 行波特性分析
以某500 kV線路（如圖1）為例，采用EMTP/ATP進行了多種故障仿真，其中距M端306 km處在1 ms時刻A相接地故障的仿真結果示于圖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相發生單相接地時，在線路兩端每相都有電流行波和電壓行波產生，行波波頭幅值大，頻率高。
b.行波第一波頭到達時刻較為明顯，以后在母線、變壓器、故障點等多處反射和折射，幅值有明顯的衰減。
c.電壓行波比電流行波相對幅值大，理論上較易測量。在實際運行中，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，可采用M端、B端的記錄定位。具有N—1容錯性。
2 總體方案設計
如圖6，采用專用的電壓行波傳感器檢測行波波頭，采用硬件電路啟動，記錄行波波頭到達的準確時刻，由高精度晶振驅動累加器產生高精度時鐘信號，利用行波第一波頭到達線路兩端的時間差（TM-TN）進行故障定位。故障點距M端的距離為LM：
LM=0.5［v（TM-TN）+L］
其中 L為輸電線路長度。
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
每個變電站只需安裝一個專用電壓行波傳感器。采用硬件檢測電壓行波波頭，產生啟動信號，直接記錄啟動時刻，無需高速A/D采集，無需倍頻電路，這樣可以簡化電路結構，減少存儲量，便于計算處理。
2.2 GPS精確時間的產生
采用單片機接收GPS串行時鐘，產生年、月、日、時、分、秒信號，并采用高精度恒溫晶振（5 MHz，誤差小于10-9 s）驅動24位累加器。由 GPS產生的每秒1個脈沖的脈沖信號定時對累加器清零，產生0.2 μs精度的時鐘信號。當GPS不同步或故障時，可臨時由高精度晶振產生脈沖信號，定時對累加器清零，保證1 h內誤差小于3.6 μs，即定位誤差小于1.18 km。
2.3 信號的存儲
只需存儲行波波頭到達時刻的時間信息，共10個字節，這樣一塊28256芯片就可記錄3276次行波時間信息，按每次事故或操作記錄10次反射、折射行波計算，可記錄327次事故或操作，因此完全可以記錄發展性故障。對于電壓過零附近時刻故障，其一般為永久性故障，可以采用重合閘后故障點產生的行波計算。
2.4 測量網絡的形成
對于某一電壓等級的電網，在每個變電站安裝一套行波記錄裝置，電網中任一點故障或雷擊時，則在整個電網中都有行波產生，因此每個變電站的記錄裝置都將有行波啟動記錄。由式（1）可知，對于變電站近距離故障，在該變電站將產生高頻行波，傳感器難以啟動記錄，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量數據進行近距離故障計算。同樣，在整個行波測量網絡中，任意一臺裝置發生故障或啟動失靈，都可根據其它裝置的記錄進行故障定位，從而提高故障定位的可靠性。
3 行波記錄儀設計
3.1 傳感器的連接
以某220 kV電網為例，電壓行波傳感器為一分壓器，其并聯于電壓抽能裝置內部避雷器上（如圖7所示，接于A點至地之間）。
圖7 220 kV耦合電容器和載波裝置接線
Fig.7 Scheme of the metrical signal coupling
當線路中沒有故障時，分壓器輸出信號為工頻信號，反映A點的電壓（有效值為100 V）；當線路發生故障時，故障行波自線路進入，避雷器1動作，A點至地間的電壓為避雷器1兩端的電壓。由于避雷器動作電壓低（2 kV～4 kV）、響應速度快，行波波頭到達時，在分壓器上將產生一個快速上升或下降的跳變信號，可以通過這個跳變信號啟動行波記錄裝置進行記錄。
3.2 硬件和軟件設計
行波記錄儀的硬件結構如圖8所示。
圖8 硬件原理圖
Fig.8 Block diagram of hardware
a. GPS接收機采用日產KODEN GSU—25型，其定時精度達0.5 μs。
b.邏輯器件采用ISP（超大規?？删幊唐骷?，實現了在線可編程，方便邏輯電路功能修改，基本上達到了邏輯電路硬件的“軟化”。
c. 24位累加器由晶振驅動。GPS時鐘接收準確時，由GPS產生的脈沖信號對累加器清零；當GPS時鐘接收失敗或時鐘失穩時，則由累加器產生的脈沖信號定時對累加器清零，使累加器在1 s內循環計數，并由其啟動CPU進行秒計時。
d.行波波頭到達時刻的鎖定由啟動信號啟動鎖存器完成，并由啟動信號中斷CPU記錄啟動時刻。
e.由保護跳閘信號啟動通信，讀取整個電網中其它行波記錄儀記錄的時間后，進行計算處理，顯示故障位置；也可由調度讀取各行波記錄儀的記錄時間，進行故障計算。
4 結論
綜上所述，該輸電網GPS行波故障定位系統基于專用的電壓行波傳感器及具有守時鐘的高精度GPS時鐘，具有以下特點：
a.采用專用傳感器，只需記錄行波波頭到達時刻，記錄信息量小，記錄次數多，可記錄發展性故障。
b.采用高精度晶振同步GPS計時，計時精度高，在GPS時鐘失真或故障時能維持時鐘的準確性。
c.形成基于整個輸電網的行波測量網絡，協同測量，對近距離故障或某臺設備故障等具有N—1容錯處理能力。
d.每個變電站只需一套設備，整個網絡結構簡單，投資少。
輸電網GPS行波故障定位系統正在研制、調試中，各部分硬件電路、計算方法已通過模擬實驗及仿真分析，效果良好。
參 考 文 獻
?。?］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.利用暫態行波輸電線路故障測距技術：〔博士學位論文〕.西安：西安交通大學，1991
?。?］董新洲，葛耀中，徐丙垠.新型輸電線路故障測距裝置的研制.電網技術，1998，22（1）
［4］葛耀中.新型繼電保護與故障測距原理與技術.西安：西安交通大學出版社，1996
?。?］高厚磊，賀家李.基于GPS的同步采樣及在保護與控制中的應用.電網技術，1995，19（7）
?。?］高厚磊，厲吉文，文 鋒，等.GPS及其在電力系統中的應用.電力系統自動化，1995，19（9）
［7］王元虎，周東明.衛星時鐘在電網中應用的若干技術問題.中國電力，1998，31（2）
目前，高壓輸電線路故障定位主要基于阻抗算法［1］，這種算法對于高阻接地、多端電源線路等情況下的故障定位精度在實用中通常不優于3%，對于長線路（>100 km）難以滿足尋線要求。
現代行波定位是利用故障發生后線路上出現的電壓行波和電流行波進行精確故障定位，其測量誤差小于1 km，且受線路類型、接地阻抗等因素的影響小［2］，因此越來越受到國內外學者的關注，國內外已有部分產品在現場運行［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傳向母線第一行波與故障點的反射行波之間的時間差計算故障位置［4］。由于行波在各個一次設備、各條線路的連接處的反射、折射和衰減，使得故障點反射行波波頭的辨識變得復雜。雙端定位則只利用行波第一波頭到達線路兩端的時刻進行計算，只需捕捉行波第一個波頭，不用考慮行波的反射與折射，行波幅值大，易于辨識。同時由于全球衛星定位系統（GPS）的出現［5，6］，把時間的測量精度提高到納秒級，從而提高了雙端定位的精度（可達±150 m）。因此，國內外普遍采用GPS雙端定位系統。
但在現場運行中，GPS雙端定位系統也存在一些不足：
a.采樣頻率較高：1 MHz～5 MHz，故障信息存儲量太大。
b.受采樣頻率的限制，無法辨識近距離故障行波［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為定位系統能測量的最高行波頻率。
設f=150 kHz，則L=1 km，即能判斷的最近故障點距離母線為1 km。
c.無法檢測發生在電壓過零附近時刻接地的故障［2］。
d.由于GPS短時失步、衛星信號調整、天線干擾等導致時鐘信號失真［7］，可導致定位失敗。
針對傳統裝置的上述缺陷，本文提出一種新型的輸電網行波定位系統。它采用一種特殊的行波傳感器和具有守時鐘的高精度GPS時鐘。如果在整個輸電網中每一個變電站安裝一臺這樣的GPS行波記錄儀，就可形成GPS行波測量網絡，實現對各種故障的準確記錄和定位。
1 行波特性分析
以某500 kV線路（如圖1）為例，采用EMTP/ATP進行了多種故障仿真，其中距M端306 km處在1 ms時刻A相接地故障的仿真結果示于圖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相發生單相接地時，在線路兩端每相都有電流行波和電壓行波產生，行波波頭幅值大，頻率高。
b.行波第一波頭到達時刻較為明顯，以后在母線、變壓器、故障點等多處反射和折射，幅值有明顯的衰減。
c.電壓行波比電流行波相對幅值大，理論上較易測量。在實際運行中，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，可采用M端、B端的記錄定位。具有N—1容錯性。
2 總體方案設計
如圖6，采用專用的電壓行波傳感器檢測行波波頭，采用硬件電路啟動，記錄行波波頭到達的準確時刻，由高精度晶振驅動累加器產生高精度時鐘信號，利用行波第一波頭到達線路兩端的時間差（TM-TN）進行故障定位。故障點距M端的距離為LM：
LM=0.5［v（TM-TN）+L］
其中 L為輸電線路長度。
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
每個變電站只需安裝一個專用電壓行波傳感器。采用硬件檢測電壓行波波頭，產生啟動信號，直接記錄啟動時刻，無需高速A/D采集，無需倍頻電路，這樣可以簡化電路結構，減少存儲量，便于計算處理。
2.2 GPS精確時間的產生
采用單片機接收GPS串行時鐘，產生年、月、日、時、分、秒信號，并采用高精度恒溫晶振（5 MHz，誤差小于10-9 s）驅動24位累加器。由 GPS產生的每秒1個脈沖的脈沖信號定時對累加器清零，產生0.2 μs精度的時鐘信號。當GPS不同步或故障時，可臨時由高精度晶振產生脈沖信號，定時對累加器清零，保證1 h內誤差小于3.6 μs，即定位誤差小于1.18 km。
2.3 信號的存儲
只需存儲行波波頭到達時刻的時間信息，共10個字節，這樣一塊28256芯片就可記錄3276次行波時間信息，按每次事故或操作記錄10次反射、折射行波計算，可記錄327次事故或操作，因此完全可以記錄發展性故障。對于電壓過零附近時刻故障，其一般為永久性故障，可以采用重合閘后故障點產生的行波計算。
2.4 測量網絡的形成
對于某一電壓等級的電網，在每個變電站安裝一套行波記錄裝置，電網中任一點故障或雷擊時，則在整個電網中都有行波產生，因此每個變電站的記錄裝置都將有行波啟動記錄。由式（1）可知，對于變電站近距離故障，在該變電站將產生高頻行波，傳感器難以啟動記錄，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量數據進行近距離故障計算。同樣，在整個行波測量網絡中，任意一臺裝置發生故障或啟動失靈，都可根據其它裝置的記錄進行故障定位，從而提高故障定位的可靠性。
3 行波記錄儀設計
3.1 傳感器的連接
以某220 kV電網為例，電壓行波傳感器為一分壓器，其并聯于電壓抽能裝置內部避雷器上（如圖7所示，接于A點至地之間）。
圖7 220 kV耦合電容器和載波裝置接線
Fig.7 Scheme of the metrical signal coupling
當線路中沒有故障時，分壓器輸出信號為工頻信號，反映A點的電壓（有效值為100 V）；當線路發生故障時，故障行波自線路進入，避雷器1動作，A點至地間的電壓為避雷器1兩端的電壓。由于避雷器動作電壓低（2 kV～4 kV）、響應速度快，行波波頭到達時，在分壓器上將產生一個快速上升或下降的跳變信號，可以通過這個跳變信號啟動行波記錄裝置進行記錄。
3.2 硬件和軟件設計
行波記錄儀的硬件結構如圖8所示。
圖8 硬件原理圖
Fig.8 Block diagram of hardware
a. GPS接收機采用日產KODEN GSU—25型，其定時精度達0.5 μs。
b.邏輯器件采用ISP（超大規?？删幊唐骷?，實現了在線可編程，方便邏輯電路功能修改，基本上達到了邏輯電路硬件的“軟化”。
c. 24位累加器由晶振驅動。GPS時鐘接收準確時，由GPS產生的脈沖信號對累加器清零；當GPS時鐘接收失敗或時鐘失穩時，則由累加器產生的脈沖信號定時對累加器清零，使累加器在1 s內循環計數，并由其啟動CPU進行秒計時。
d.行波波頭到達時刻的鎖定由啟動信號啟動鎖存器完成，并由啟動信號中斷CPU記錄啟動時刻。
e.由保護跳閘信號啟動通信，讀取整個電網中其它行波記錄儀記錄的時間后，進行計算處理，顯示故障位置；也可由調度讀取各行波記錄儀的記錄時間，進行故障計算。
4 結論
綜上所述，該輸電網GPS行波故障定位系統基于專用的電壓行波傳感器及具有守時鐘的高精度GPS時鐘，具有以下特點：
a.采用專用傳感器，只需記錄行波波頭到達時刻，記錄信息量小，記錄次數多，可記錄發展性故障。
b.采用高精度晶振同步GPS計時，計時精度高，在GPS時鐘失真或故障時能維持時鐘的準確性。
c.形成基于整個輸電網的行波測量網絡，協同測量，對近距離故障或某臺設備故障等具有N—1容錯處理能力。
d.每個變電站只需一套設備，整個網絡結構簡單，投資少。
輸電網GPS行波故障定位系統正在研制、調試中，各部分硬件電路、計算方法已通過模擬實驗及仿真分析，效果良好。
參 考 文 獻
?。?］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.利用暫態行波輸電線路故障測距技術：〔博士學位論文〕.西安：西安交通大學，1991
?。?］董新洲，葛耀中，徐丙垠.新型輸電線路故障測距裝置的研制.電網技術，1998，22（1）
［4］葛耀中.新型繼電保護與故障測距原理與技術.西安：西安交通大學出版社，1996
?。?］高厚磊，賀家李.基于GPS的同步采樣及在保護與控制中的應用.電網技術，1995，19（7）
?。?］高厚磊，厲吉文，文 鋒，等.GPS及其在電力系統中的應用.電力系統自動化，1995，19（9）
［7］王元虎，周東明.衛星時鐘在電網中應用的若干技術問題.中國電力，1998，31（2）
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