一种新型电网故障行波检测装置研究

一种新型电网故障行波检测装置研究

贺国方1张灵芝2

（湖南铁路科技职业技术学院）

摘要：智能配电网建设已成为国家发展战略，对输电线路的故障检测精度提出了更高的要求，希望当线路出现故障后，能更快速、更精确的查找出故障位置，缩小故障范围，以便于安排人员及时抢修线路、恢复供电，因此研制出一套故障定位误差范围小、精度高的输电线路故障定位装置，已成为电力有关企业迫在眉睫的需求。本文通过深入地与电力行业相关企业共同开展研究，研制出来一种新型电网故障检测装置，主要采用行波技术和FPGA技术，在分析输电线路故障特性和行波传播特性的基础上，研究利用电网故障时行波测量和提取行波波头的简化方法，并形成一种包含GPS同步时钟的行波硬件检测装置的改良思路，提出一种新型输电线路故障行波定位检测的装置搭建方案，切实地提高了电力线路故障处理效率。

关键词：FPGA；故障定位；行波

智能配电网建设已成为国家发展战略，对输电线路的故障检测精度提出了更高的要求，希望当线路出现故障后，能更快速、更精确的查找出故障位置，缩小故障范围，以便于安排人员及时抢修线路、恢复供电，因此研制出一套故障定位误差范围小、精度高的输电线路故障定位装置，已成为电力有关企业迫在眉睫的需求。本文通过深入地与电力行业相关企业共同开展研究，研制出来一种新型电网故障检测装置，主要采用行波技术和FPGA技术，在分析输电线路故障特性和行波传播特性的基础上，研究利用电网故障时行波测量和提取行波波头的简化方法，并形成一种包含GPS同步时钟的行波硬件检测装置的改良思路，提出一种新型输电线路故障行波定位检测的装置搭建方案，切实地提高了电力线路故障处理效率。

二、研究内容

本文在分析电网故障行波传播特性的基础上，研究电网故障行波测量和提取行波波头的简化方法，研究GPS同步时钟和行波的硬件检测的改进方案，提出基于FPGA的输电线路故障行波定位的具体优化配置方案。经过对定位原理、仿真分析、方案设计、试验测试等进行较深入的研究，最终研制出一套基于FPGA的高精度输电线路故障行波定位装置，确保当输电线路发生故障后，能快速准确的查找出故障位置，及时修复线路、恢复供电，减少因断电带来的经济损失，保障整个电力系统的安全稳定运行。

三、装置设计

基于整个输电网的故障行波定位系统由几大部分构成：行波传感器装置，行波定位硬件系统，软件模块，网络发布系统和时间同步通信系统等部分。故障发生时，故障行波信号首先经输电线路传入两端变电站中，通过监测在变电站中的各种设备的高频耦合信号，由硬件装置提取行波到达的初始波头，并启动GPS时钟单元记录初始波头到达时刻。行波定位装置将记录的行波数据和时间信息通过GPRS网络上传到故障定位主机，如图1所示。当检测到电网故障后，各主机上报到行波定位总站，当总站收到各变电站的行波故障信号后，对电网线路进行智能网络算法，通过搜索故障行波在输电网中的最短传输路径和各变电站初始行波到达时刻实现对全网故障的精确定位，最后将定位结果通过Web服务器以动态网页的形式实时发布。

图1行波定位系统

行波传输的特点就是它会随着在电网中的传输距离而衰减越严重，所以需要研究的一种新型方法来检测行波波头。因此，本文研制了采用在线路两端介入的穿芯式行波传感器来提取的电压行波，这样可以做到不改变系统的一次接线，原理简单、易于现场操作。该行波传感器能够有效抑制低频信号，放大高频信号，从而更好的测量出行波波头到达测量点的绝对时刻，邮箱提高了行波波头高精度检测方法。穿芯式行波传感器具体结构件图2。

图2穿芯式行波传感器及其接线图

行波传感器其检测回路如图3所示。

图3行波波头检测回路

电网故障行波波头的检测判据是行波的变化率、上升或下降时间以及对行波波头的幅值进行行波波头辨识，同时采用高精度、高稳定性的GPS秒脉冲，作为FPGA的计时基准。其硬件实现原理如图3所示。

图3基于FPGA的波头到达时刻记录原理图

整个装置按结构可划分为FPGA处理插件、GPS同步时间插件、暂态电压电流输入接口插件、行波输入接口插件、开关量输入接口插件及外部通信接口部件六个部分构成；按定位装置的可靠性和冗余性配置可分为主、副装置，以确保行波信号的准确采集；采用6U的背插式结构，各插件之间通过母板上的AT96总线实现互连，实现强弱电的分开，有效增强了系统的抗干扰性能，提高了定位的准确性。其结构与布局如图4所示。该系统由长沙理工大学电力系统自动化研究所和原湘能许继公司等单位联合研制，下面介绍各个硬件单元的功能。

图4定位装置硬件结构及现场运行图

四、可行性分析

（1）本研究前期研究基础充分。理论研究方面，研究组成员均有着从事输电线路运营、工程施工、教学相关工作经历，有着比较丰富的输电线路故障定位理论研究的相关经验和较为充分的参考文献资源。实践方面，本研究合作单位前期已投入28万元，采购了相关设备，研究组成员也进行了相关前期实验研究，计划将广州铁路局长沙供电段长沙南到株洲西区间的高速铁路电力贯通线路作为现场试验线路，已收集了较为充足的现场数据，初步建立了仿真模型，取得了有效的前期研究成果，为研究后续开展研究提供保障。

（2）本研究研究有制度和人员保证。湖南铁路科技职业技术学院有着完善的科研管理制度，且本院电子电气系对本研究给予高度重视，对本研究的实施提供了保障。研究组成员富有创新性和协作精神，学科结构合理，可以保证研究的顺利完成。研究主持人张灵芝不仅是电气工程类工程师而且具有硕士文凭，曾参与多个电气类科技攻关研究研究，熟悉科研方法和输电线路现场情况；研究组成员李泽文曾在企业从事电力系统微机继电保护装置的安装调试工作，积累了丰富的电力系统现场实际工作经验，后又以《时差型电网故障行波定位与广域行波保护方法研究》为毕业论文题目，获得博士学位，主持多项国家级故障行波定位有关课题研究。夏琨具备近二十年的输电线路工程现场管理经验，善于安排协调现场测试；叶国远多次参加学生技能竞赛并获奖，有着较强的实践能力；贺国方具有很强的文献分析以及实验动手能力，帮助本研究的顺利实施；刘翔从事供电线路现场故障检修作业超过二十年，有丰富的现场工作经验和故障数据；赵峰是合作企业总经理，能保证对本研究的资金和设备支持。

（3）本研究研究有着扎实可靠的实施条件。本研究合作组合作单位，有着丰富的城市轨道交通现场工作和相关科研经验，该公司目前负责长沙南至株洲西区间的高速铁路电力贯通线改造工程施工，拥有着可以在长沙南至株洲西区间进行现场实验的便利条件，并已投入28万元采购实验设备，正在进行现场实证研究，能确保本研究研究成果的实施。

本研究的创新之处：

1）研究研究的是一种基于FPGA的高精度输电线路故障行波定位方法。运用GPS同步时钟随机误差和高精度晶振时钟累计误差互补的特点，给出了GPS时钟误差的在线修正新方法；不需要改变一次侧接线，采用从电压互感器二次侧、CVT接地线、变压器外壳接地线和PCB行波传感器等多种提取电压行波波头的技术以满足行波定位与保护技术中电压行波检测的需求；实现记录时间的最小误差可达到15（不考虑GPS时钟误差），故障定位精度误差不超过±200m，而且可准确记录行波极性，与其他故障行波定位方法相比，测量精度相对较高，测量结果可靠性较高。

2）研究研究的成果以技术应用为目的。设计一套基于FPGA的输电线路故障行波定位装置，要求精度高，接线简单，易操作，并能应用现场。目前国内外的电力系统均重视该技术的研究，相关研究的仿真以及理论研究较多，但把理论研究与现场装备相结合进行技术应用的较少，研究研究设计的基于FPGA的高精度输电线路故障行波定位装置，与其他装置相比，造价相对较低，操作、维修简单，便于实现产品化。

五、成果应用分析

图5故障行波测量仿真波形图

故障行波测量仿真波形如图5所示，红色的突变曲线表示接地线上的行波信号，绿色的振荡曲线表示传感器绕线上的感应信号；仿真结果表明此方法可以利用本装置准确提取电力系统中的暂态行波信号，拓展了行波在电力系统中的检测技术空间。

通过对输电线路故障定位理论的深入研究和研究应用实践，本研究已有了明显进展。本研究合作单位前期已投入28万元，采购了相关设备，研究组成员也进行了相关前期实验研究，计划将某路局供电段某区间的高速铁路电力贯通线路作为现场试验线路，已收集了较为充足的现场数据，初步建立了仿真模型，取得了有效的前期研究成果，为研究后续开展研究提供保障。目前已经取得如下成果：

1）研究研究出一种基于FPGA的高精度输电线路故障行波定位方法。运用GPS同步时钟随机误差和高精度晶振时钟累计误差互补的特点，给出了GPS时钟误差的在线修正新方法；不需要改变一次侧接线，采用从电压互感器二次侧、CVT接地线、变压器外壳接地线和PCB行波传感器等多种提取电压行波波头的技术以满足行波定位与保护技术中电压行波检测的需求；实现记录时间的最小误差可达到15（不考虑GPS时钟误差），故障定位精度误差不超过±200m，而且可准确记录行波极性，与其他故障行波定位方法相比，测量精度相对较高，测量结果可靠性较高。

2）研究研究的成果以技术应用为目的，并应用于现场。设计出了一套基于FPGA的输电线路故障行波定位装置，要求精度高，接线简单，易操作，并能应用现场。目前国内外的电力系统均重视该技术的研究，相关研究的仿真以及理论研究较多，但把理论研究与现场装备相结合进行技术应用的较少，研究研究设计的基于FPGA的高精度输电线路故障行波定位装置，与其他装置相比，造价相对较低，操作、维修简单，便于实现产品化。

目前该研究还在继续深入开展，仍存在很多不足之处，仍需要大量的工程实践和理论研究，本文将继续研究下去。

参考文献：

[1]张灵芝，基于FPGA的电网故障行波硬件检测技术[J]，防护工程，2018.05；

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基金项目：2016年湖南省教育厅科学研究研究：基于FPGA的高精度输电线路故障行波定位装置的研究，课题编号：16C1053，阶段性研究成果

作者1简介：贺国方，男，汉，湖南铁路科技职业技术学院，讲师，研究方向：高职教育，供电技术。

作者2简介：张灵芝，女，汉，湖南铁路科技职业技术学院，副教授、工程师，研究方向：高职教育，供电技术。