输电线路故障录波与定位技术研究

徐江

（国网冀北电力有限公司秦皇岛供电公司,河北 秦皇岛 066000）

一、故障录波监测系统设计

（一）硬件平台设计

采用先进的计算机与电子技术设计硬件，使装置更具电磁兼容性，提高了其抗干扰能力。以后拔插式设计机械结构，便于日常维护。

1.硬件平台的结构体系。

电力系统故障具有发展特点，系提供准确的数据记录，在广域范围内对电力系统的动态和稳定情况统一分析，要求录波监测系统具备高速采集、大容量存储、同步采样等功能，且提供强大的硬件支持平台。普通的录波装置难以满足技术要求，可尝试采取全嵌入式、多层次的硬件模块化平台。

2.硬件平台工作流程。

在Copact Flash 卡内存储故障数据，同时传输至嵌入式管理模块，系统处理、传输数据。

3.硬件平台功能模块。

硬件平台的功能模块彼此独立，以总线式接口完成连接，提升了数据的吞吐能力。

（1）嵌入式数据管理模块。装置利用嵌入式和模块化，其特点是体积小、容易开发等。该模块收集了ARM 管理模块数据，科学处理、显示和输出了记录数据，为联网通信接口提供了不同的运行方式。

（2）智能模拟量采集模块。包括低通滤波电路、高精度A/D 和32 位DSP 等。该模块对信号同步采集，采取实时手段监测电气量，对采集的数据预处理，合理计算工频的有效值和序分量等。数据源由故障预稳态数据构成，利用双口RAM 向管理单元传递数据。在第一通道实现方波整形，这一资源是测频与跟踪频率的基础。

（3）智能开关量采集模块，包括光电隔离电路、32 位DSP 和双口RAM 等。开关量信号要想进入缓冲电路，需利用光电隔离的方式。以实时方法控制采样脉冲操作，获取多通道的开关数据，客观评估变位特征，利用双口RAM 向管理单元传递数据。

（4）GPS 同步时钟模块。其采取全球定位系统，保证了时钟的精确性，获得采样同步时钟脉冲。

（二）软件平台设计

1.OSII 操作系统。

该系统不只有良好的可移植性，还能固化、裁剪等，其最明显的特征是操作稳定和可靠。OSII 是操作平台整体运行不可或缺的部分，是各个装置安全运行的保障。

2.QNX 操作系统。

当前，录波装置的数据管理平台很多都使用Microsoft Windows 操作系统，在录波装置联网技术发展过程中，这一系统也带来了很多安全隐患，直接降低了装置的可靠性。此外，Windows 属于商业操作系统，无法在工业中较好应用。这个情况下，录波装置的软件平台选择嵌入式实时操作系统QNX，科学管理磁盘与数据通信功能，凭借QNX 保证实时管理数据的效率，避免病毒攻击网络。

QNX 实时操作系统借任务通信建立完整的系统。QNX 操作系统可对图形用户界面操作，只要对其运行，便可得到图形用户界面，无须编写程序。

二、故障录波监测关键技术

（一）嵌入式一体化工业级设计

嵌入式设计对装置的各个功能模块综合设计，达到了一体化运行的目标。将各种功能模块分别置于机箱内，各模块利用总线技术交换数据，避免过度消耗数据通信资源。普通的嵌入式设计相对简单，主要采取单、双CPU 结构，但本文利用了多CPU 并行技术，集合8 个CPU 并行工作，有效整合了采集、存储、显示数据等功能。基于DSP 的物理结构和并行指令高效处理数据，提高了运算速度，故而该装置的实时性良好系统管理模块使用32位嵌入式微处理器，处理、存储和管理数据的能力更强，其系列产品与用户PCB 载板结合使用，设计人员将ETX 模块作为一个功能特殊的芯片。ETX 是一种嵌入式工业主板标准，其有灵活的结构，容易扩展，高度契合了裁剪思想，应用ETX 节省了产品的设计时间。

（二）频率自动跟踪和同步相量测量

1.频率同步。

CPLD 与高精度晶振科学连接，借低通滤波器对模拟信号实现滤波操作，接入CPLD 后，利用周期计数器记录晶振在上沿产生的震荡次数。上升沿对周期脉冲信号有效触发，CPLD 根据周期采样数量计算采样脉冲间隔。CPLD 的采样脉冲发生装置触发了某一周期的采样脉冲信号，使每周期的首个采样脉冲信号与周期脉冲信号同步。该方法用于跟踪软件，通过每秒2.08Hz 计算变化率，在两个周期内移动频率0.0832%，基于实际情况分析，电力系统处于稳态时，临近两个周期难以产生巨大的变化规律，无须考虑变化造成的误差。

2.时间同步。

标准时间信息包括秒数和微秒数。UTC 信息借助RS485 串口对CPLD 实现输入，且对串行数据转换获得8 位并行数据，输送与读取DSP，DSP 读取和处理UTC 信息，进一步得到基准时间。DSP 根据获取的时间信息调整SOC。对CPLD 内定时器科学应用，安装微妙计数器，每次PPS 来时，恢复微妙计数器。通过CPLD 处理由采样脉冲和微秒累计值，避免CPU 定时器、串口等浪费资源，减轻了CPU 压力，提高了时间的精度。

3.模拟通道误差矢量校正。

（1）通道变比校正。故障录波系统除了采取PT、CT 通道外，还包括电阻、电感、电容等，在测量范围内这部分元件属于线性元件。并联装置的电压通道，串联电流通道，相位接通相同的交流电压和电流，若改变电压与电流信号的输入值，则获取m组采样数据与输入数据。在具体应用中，为了精确呈现通道变化特征，以不同参数的线性函数对不同区域的变比进行标记。若输入某区域的电流或电压数值偏小，则通道的输入输出关系表示为y=k1x+y01，若输入某区域的电压或电流数值偏大，则通道的输入输出关系表示为y=k2x+y01。

（2）通道相位校正。各个通道在大多数情况均产生了相位误差，直接影响了故障录波系统测距结果的准确性。同时，相位误差干扰了有功功率、无功功率和功率因数的计算精度，故需要对通道相位误差实现调整。计算通过相位时，注意矫正测量通道的数据，如此保证了各通道相位的统一性。

（3）测试结果。根据电压、电流、有功与无功相位对全新故障录波装置实现一致性检测。结果说明，测量值的精度极高，明显超过了行业要求，说明有功与无功的测量存在较大误差。

4.稳态与动态过程记录的统一分析。

（1）存储容量。稳态与动态记录增加了系统记录的数据容量，例如某台96 路模拟量与224路开关量的录波系统，如每周波记录一次稳态数据，则一条需存储的数据为：

500Hz×(4bytes×96 个模拟量通道+7bytes 开关量数据)×3600 秒×24 小时≈1.6Gbytes

客观容量的外部存储器对应较大的存储数据量，虽然当前硬盘的存储容量正常，但需较长的时间存储大量数据，还要重点解决存储数据带来的延迟问题。具体解决手段：硬盘避免直接保存收集管理板的稳态与动态数据，而是利用缓存，把5 秒稳态与动态数据分别存入硬盘，相应提升了存储效率；其次，加大压缩机制，写入硬盘前压缩数据，节省了写盘时间，扩大了硬盘容量。

（2）通信速度。一体化结构设计中，所有板凭借总线通信技术实现应用，提升了通信速率。

（3）存储介质的可靠性。大规模读写数据，对存储介质的应用时间造成了影响，一般硬盘的使用时间与可靠性明显不如笔记本电脑的移动硬盘，故系统事先应用了后者，它体现出体积小、重量轻、功率低等特点。

（4）稳态和动态全过程记录的完整性。录波系统对稳态与动态记录统一存储与管理，为得到完整的数据，记录稳态与动态数据时要高度关注暂态时段内容，其中还发现了类似于稳态和动态记录过程的数据记录，两种数据存放的绝对时标位置相同，这样便于对两种数据系统分析。在记录两种数据方面，协调设计管理板和DSP 系统，借启动暂态记录预防稳态与暂态数据记录受到干扰，保持并行实施，同步存储。

（5）稳态与动态全过程记录的统一分析。稳态与动态记录对软件分析提出了更高的要求。传统的故障录波装置只独立记录暂态波形，该数据一般几秒钟，数据量偏小，代表编程工作相对单一。但显示分析长时间稳态和动态数据时，需要做很多编程工作。此外，为了统一分析暂态数据与稳态、动态数据，基于软件完成了无缝嵌入暂态数据操作，使显示与分析数据更加完整。

三、小电流接地故障选线

（一）单相接地故障特性

小电流接地系统单相接地暂态电容电流是以下两个电流和：

降低故障电压，形成了放电电容电流，沿母线与故障点连接，加速衰减，电网线路的参数、故障点区位、过渡电阻数值均对振荡频率造成了影响。非故障电压突然提升，引起了充电电容，以电源为核心产生了回路，减弱了衰减程度。

由上述可知，在单相接地故障暂态信号中形成了很多与小电流接地系统对应的突变点，同时明显区别故障线和非故障线的差异。因此，根据出线数据系统了解小波变换隐藏的故障点，从而更好实现故障选线。

（二）基于小波变换的接地故障选线

1.检测奇异性信号。

信号的奇异性一般隐藏了非常关键的信息，当电力系统出线故障后形成了暂态信号，突变点一般表示信号的故障暂态特点，故在分析与检测电力系统故障时这部分奇异的信号发挥了重要作用。

设函数的小波变换为Wsf(x)，基于s 尺度，若存在某一领域x0，则应满足：

对奇异性的信号检测时，要想降低噪声的干扰程度，采取平滑方式处理混合噪声的信号，之后对一阶导数计算，根据异数极限值合理评价奇异点。如果小波函数属于一阶平滑函数的倒数，对信号采取小波变换方法，其与平滑处理原始信号的一阶导数方法接近。故Wsf(x)获取极值时，此处必然要获取信号的极值，说明该点的信号形成了最强烈的变化。信号有不同的奇异性，形成不一样的突变程度，表示在某一尺度上形成显著的差异。

2.小电流接地故障选线算法。

当小电流接地网发生单相接地故障时，增加了电网零序和负序分量的发生几率，进一步获取明显的故障数据，准确判断零序分量，将单相接地故障的特征量作为零序分量。按检测模极大值的基本原理，发生单相接地时，通过故障线路与非故障线路的零序电流以小波变换方式进行处理，形成了区别明显的模极大值。这一数值在故障线路与非故障线路表现出显著特点，首先围绕小波函数实现小波变换，小波函数在应用区域表现出差异化特点。目前小波函数凭借简单的表达方式扩大了应用区域，样条小波的变换信号起到了导数的功能，故采取小波不间断检测小波函数的奇异性与突变点信号的灵敏度极高。

二进小波以采集的回线零序电流序列实现变换，进一步得出各种尺度的小波变换序列，对任意尺度的小波变换模极大值序列逐一获取，联合某一尺度的小波变换模极大值信息形成一个组合信息。

其中，第1 回线零序电流小波变换位于j 尺度上的k 模极大值以Wjil(k)表示，n 则与这一尺度对应的极大值数据。

电力系统内的故障暂态信号通过高次谐波发生了突变，谐波含量升高，幅度也增大，信号的奇异性更为显著，所以产生更大的小波变换模极大值。MPi(j)具体是指j 尺度在对应频带分布的谐波能量，而故障线与非故障线在每个尺度的频带内形成不同的谐波能量，故障线路的零序电流在某一频带内形成超过其他线路的谐波能量。由频谱分析可知，故障线零序电流的谐波能量在第三尺度对应的频带内，明显大于全部非故障线路。故将第三尺度作为故障特征，产生故障选线判据。

四、结语

输电线路故障定位有利于迅速发现故障点、降低停电损失、保证系统可靠运行。输电线路一般安装了故障录波装置，但其功能单一，仅是记录和查看波形。故本文持续登记与检测稳态与动态实时过程，进一步对范围较大的发展性故障科学分析，保证电力系统安全运行。采取小波分析工具可以对故障实现准确定位，系统排查故障，对提高供电稳定性发挥了巨大的现实意义。