廣域電網(wǎng)故障行波定位系統(tǒng) 第十一屆 特等獎(jiǎng)

作品名稱：廣域電網(wǎng)故障行波定位系統(tǒng)大類：科技發(fā)明制作A類小類：機(jī)械與控制簡(jiǎn)介：本作品設(shè)計(jì)了廣域電網(wǎng)故障行波定位系統(tǒng)，包括：安裝在變電站的行波傳感器和行波采樣單元、安裝在電網(wǎng)調(diào)度室的故障定位主機(jī)及連接行波采樣單元和故障定位主機(jī)的故障定位計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。該作品已在株洲電網(wǎng)和常德電網(wǎng)上投入運(yùn)行，故障定位誤差小于150米，大大減少了停電時(shí)間。在2008年冰災(zāi)中株洲電網(wǎng)故障50多次，該系統(tǒng)準(zhǔn)確找出故障位置，減少故障巡線時(shí)間400多小時(shí)，多輸送電能8000萬(wàn)度，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益；并已申請(qǐng)專利3項(xiàng)。該作品的主要特點(diǎn)有：1、國(guó)內(nèi)外首次采用專用行波傳感器提取故障行波波頭，造價(jià)低，安裝簡(jiǎn)單；2、國(guó)內(nèi)首次采用電壓行波進(jìn)行故障定位，每個(gè)變電站僅需一套故障定位裝置，便可實(shí)現(xiàn)整個(gè)電網(wǎng)的故障定位；3、提高故障定位的可靠性；4、故障定位容錯(cuò)能力強(qiáng)、精度高，國(guó)內(nèi)外首次在行波定位裝置中實(shí)現(xiàn)了GPS時(shí)鐘的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和修正，在GPS時(shí)鐘信號(hào)短時(shí)中斷或少數(shù)變電站行波檢測(cè)失敗條件下，仍可進(jìn)行精確定位，誤差小于150米。詳細(xì)介紹：本作品開(kāi)發(fā)了廣域電網(wǎng)故障行波定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)故障行波定位方法。當(dāng)電網(wǎng)中某一條線路發(fā)生故障時(shí)，故障行波以速度v從故障點(diǎn)向整個(gè)電網(wǎng)中傳播，記錄電網(wǎng)中變電站的初始行波到達(dá)時(shí)間，將遠(yuǎn)端變電站記錄的初始行波到達(dá)時(shí)間折算為故障線路出口側(cè)變電站的初始行波到達(dá)時(shí)間，并剃除無(wú)效初始行波到達(dá)時(shí)間，最后利用時(shí)間和波速實(shí)現(xiàn)行波定位。本作品發(fā)明了一種電網(wǎng)故障暫態(tài)行波信號(hào)檢測(cè)方法，研制了一種電網(wǎng)故障行波定位裝置，完成實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，在常德電網(wǎng)和株洲電網(wǎng)運(yùn)行，并由湖南湘能許繼高科技股份有限公司生產(chǎn)，在全國(guó)推廣應(yīng)用。1．電網(wǎng)故障暫態(tài)行波信號(hào)檢測(cè)方法故障行波波頭的檢測(cè)是電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的關(guān)鍵。為了在不改變一次接線的前提下測(cè)量暫態(tài)電流、電壓信號(hào)，本課題組研制了專門的穿芯式行波傳感器。穿芯式行波傳感器是在一根截面均勻的環(huán)形鐵鈷鎳合金材料上均勻密繞若干層線圈而成。穿芯式行波傳感器能抑制工頻信號(hào)，只傳輸10KHz以上的高頻突變信號(hào)；且與一次設(shè)備無(wú)直接的電位聯(lián)系，安裝時(shí)不在變電站運(yùn)行設(shè)備上串接任何電感、電容或其組合的采樣元器件，對(duì)電力系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生任何影響。為實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)變電站高、中、低壓所有出線故障暫態(tài)行波信號(hào)的檢測(cè)，把穿芯式行波傳感器設(shè)計(jì)成由兩個(gè)半圓組成的開(kāi)口式結(jié)構(gòu)。利用開(kāi)口式專用行波傳感器從變壓器外殼接地線中提取暫態(tài)行波信號(hào)，該方法對(duì)暫態(tài)行波反映靈敏、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，運(yùn)行可靠，可以為行波保護(hù)和定位提供準(zhǔn)確的暫態(tài)行波到達(dá)時(shí)間。其具體方法是：1）在變電站變壓器外殼接地線上安裝開(kāi)口式專用行波傳感器；2）利用開(kāi)口式專用行波傳感器檢測(cè)電網(wǎng)暫態(tài)信號(hào)；3）根據(jù)暫態(tài)信號(hào)的上升時(shí)間和幅值大小判斷電網(wǎng)故障暫態(tài)行波信號(hào)，并記錄行波信號(hào)到達(dá)的精確時(shí)間和極性。該方法不改變電力系統(tǒng)的一次接線，開(kāi)口式行波傳感器可實(shí)現(xiàn)變壓器高、中、低壓所有出線暫態(tài)行波信號(hào)的檢測(cè)，而且對(duì)暫態(tài)行波反映靈敏、安裝方便、簡(jiǎn)單、適應(yīng)性廣。該方案由開(kāi)口式專用行波傳感器、高頻屏蔽電纜、行波波頭檢測(cè)單元、行波時(shí)間記錄單元等組成。套接在變壓器的外殼接地線上的開(kāi)口式專用行波傳感器把行波波頭準(zhǔn)確、無(wú)延時(shí)地變換成幅值在2V~12V之間、頻率在100kHZ~2MHZ之間的高頻暫態(tài)行波信號(hào)，并從二次側(cè)經(jīng)高頻屏蔽電纜送至行波波頭檢測(cè)單元的輸入端；行波波頭檢測(cè)單元對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行突變信號(hào)檢測(cè)，以輸入信號(hào)的變化率、上升或下降時(shí)間和波頭的幅值進(jìn)行行波波頭辨識(shí)，當(dāng)行波信號(hào)的變化率電平大于0.3V、上升或下降時(shí)間小于10μs、行波波頭的幅值大于2V時(shí)，行波波頭檢測(cè)單元通過(guò)電路處理產(chǎn)生幅值為5V、持續(xù)時(shí)間寬度為5μs的方波信號(hào)，并通過(guò)高速光電隔離后送至行波時(shí)間記錄單元；行波時(shí)間記錄單元采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA實(shí)現(xiàn)，將輸入的方波信號(hào)進(jìn)行濾波處理后，用標(biāo)準(zhǔn)GPS秒脈沖信號(hào)同步100MHZ高精度恒溫晶振信號(hào)，在輸入信號(hào)到達(dá)時(shí)刻鎖存GPS同步時(shí)間數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄行波通道號(hào)和行波極性，并將鎖存的時(shí)間信息、行波通道號(hào)和行波極性打包形成行波信息進(jìn)行存儲(chǔ)，完成暫態(tài)行波信號(hào)的檢測(cè)和時(shí)間記錄功能。開(kāi)口式專用行波傳感器由對(duì)稱的兩個(gè)半環(huán)形高頻磁性材料組成，每部分雙層繞制10匝線圈，兩個(gè)半環(huán)形高頻磁性材料鐵心體由螺栓固定在一起。開(kāi)口式專用行波傳感器能抑制高頻信號(hào)，只傳輸100kHz~2MHz之間的高頻突變信號(hào)。開(kāi)口式專用行波傳感器套接在變壓器外殼接地線上，利用開(kāi)口式專用行波傳感器可從變壓器外殼接地線上不失真地提取暫態(tài)行波信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)行波波頭檢測(cè)單元判斷為故障行波信號(hào)，啟動(dòng)行波時(shí)間記錄單元記錄行波信號(hào)到達(dá)的精確時(shí)間和極性。由此可見(jiàn)，該電網(wǎng)故障暫態(tài)行波信號(hào)檢測(cè)方法能可靠準(zhǔn)確檢測(cè)電網(wǎng)故障暫態(tài)行波信號(hào)，可廣泛應(yīng)用于輸電線路故障行波保護(hù)與定位，具有廣闊應(yīng)用前景。2.高精度GPS同步時(shí)鐘課題組研究了高精度GPS同步時(shí)鐘。GPS接收機(jī)輸出的秒脈沖信號(hào)存在較大的隨機(jī)誤差，但不存在累計(jì)誤差。晶振時(shí)鐘信號(hào)的隨機(jī)誤差較小，但存在較大的累計(jì)誤差。根據(jù)GPS時(shí)鐘信號(hào)與晶振時(shí)鐘信號(hào)精度互補(bǔ)的特點(diǎn)，完善晶振信號(hào)同步GPS信號(hào)的一元二次回歸數(shù)學(xué)模型，估計(jì)出GPS時(shí)鐘隨機(jī)誤差的統(tǒng)計(jì)方差和晶振的累計(jì)誤差；對(duì)晶振時(shí)鐘進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，產(chǎn)生高精度時(shí)鐘，并預(yù)測(cè)了修正后的時(shí)鐘精度。采用了高精度晶振與GPS時(shí)鐘精度互補(bǔ)特點(diǎn)，對(duì)GPS時(shí)鐘誤差進(jìn)行了在線修正，確保時(shí)鐘誤差小于100ns。GPS時(shí)鐘單元對(duì)行波波頭到達(dá)的最初時(shí)刻進(jìn)行快速記錄。為了簡(jiǎn)化裝置結(jié)構(gòu)，提高抗干擾能力，使用1片F(xiàn)PGA來(lái)完成高精度時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生和故障行波波頭信號(hào)到達(dá)時(shí)間的記錄。記錄之后送往中央處理單元處理。FPGA芯片選擇Altera公司的高性能芯片EPF10K10LC84。該芯片采用重復(fù)可構(gòu)的CMOSSRAM工藝，把連續(xù)的快速通道互連與獨(dú)特的嵌入式陣列結(jié)構(gòu)相結(jié)合，同時(shí)也結(jié)合了眾多可編程器件的優(yōu)點(diǎn)來(lái)完成普通門陣列的宏功能。行波到達(dá)時(shí)刻的記錄過(guò)程由硬件在10s內(nèi)完成?？紤]一定的余度，裝置能夠連續(xù)記錄的相鄰兩次行波的間隔在20s范圍內(nèi)，超出雷電定位系統(tǒng)的給定指標(biāo)。3.電網(wǎng)故障行波定位裝置該作品提供一種從變壓器外殼接地線中提取暫態(tài)行波信號(hào)，記錄行波到達(dá)時(shí)間的電網(wǎng)故障行波定位裝置。它對(duì)故障反映靈敏、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、時(shí)間記錄準(zhǔn)確、運(yùn)行可靠，而且該開(kāi)口式專用行波傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器高、中、低壓所有出線的暫態(tài)信號(hào)檢測(cè)。該裝置包括以下幾個(gè)部分：1)開(kāi)口式專用行波傳感器，套接在變壓器外殼接地線上，用于提取暫態(tài)行波信號(hào)；2)行波波頭檢測(cè)板，用于進(jìn)行暫態(tài)行波信號(hào)的檢測(cè)，開(kāi)口式專用行波傳感器提取的信號(hào)經(jīng)高通濾波濾除工頻等低頻信號(hào)，然后測(cè)量、比較輸入信號(hào)的變化陡度和大小，滿足條件的即為暫態(tài)行波信號(hào)，再把行波波頭信號(hào)變成具有一定幅值、一定寬度的方波信號(hào)；3)GPS時(shí)鐘板，在線修正GPS秒時(shí)鐘信號(hào)，用于給行波時(shí)間記錄板提供標(biāo)準(zhǔn)GPS秒脈沖信號(hào)；4)行波時(shí)間記錄板，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)GPS秒脈沖信號(hào)和高精度晶振信號(hào)記錄行波波頭的到達(dá)時(shí)間，同時(shí)記錄行波通道號(hào)和行波極性信號(hào)并打包形成行波信息進(jìn)行存儲(chǔ)；5)中央處理單元板，讀取行波時(shí)間記錄板記錄的行波信息并進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換形成行波數(shù)據(jù)，并將行波數(shù)據(jù)送到定位計(jì)算機(jī)。定位計(jì)算機(jī)根據(jù)行波數(shù)據(jù)進(jìn)行故障定位計(jì)算。該電網(wǎng)故障行波定位裝置，采用獨(dú)特的暫態(tài)行波信號(hào)提取方法，使用一個(gè)開(kāi)口式行波傳感器便可實(shí)現(xiàn)變壓器高、中、低壓所有出線暫態(tài)行波信號(hào)的檢測(cè)；并利用硬件直接記錄行波到達(dá)時(shí)間，大大簡(jiǎn)化了判斷行波的有無(wú)和記錄行波到達(dá)時(shí)間的軟硬件設(shè)計(jì)、避免了A/D采樣誤差和軟件分析誤差；結(jié)合GPS時(shí)鐘校對(duì)高精度恒溫晶振，輸出高精度GPS同步時(shí)鐘信號(hào)，使行波時(shí)間記錄的時(shí)間誤差不超過(guò)100ns，大大提高了行波到達(dá)時(shí)間紀(jì)錄的準(zhǔn)確性。被測(cè)線路發(fā)生故障后，故障產(chǎn)生的故障行波從故障點(diǎn)沿線路向線路兩端傳播，分別到達(dá)線路兩端變電站。開(kāi)口式專用行波傳感器從變電站中變壓器的外殼接地線上提取暫態(tài)行波信號(hào)，與一次系統(tǒng)無(wú)直接的電聯(lián)系，開(kāi)口式專用行波傳感器的輸出信號(hào)幅值在+2V~+12V之間，送入行波波頭檢測(cè)板。行波波頭檢測(cè)板對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行突變信號(hào)檢測(cè)，由行波的變化率、上升或下降時(shí)間和波頭幅值進(jìn)行行波波頭辨識(shí)。當(dāng)暫態(tài)行波信號(hào)的變化率、上升或下降時(shí)間和波頭的幅值滿足要求時(shí)，行波波頭檢測(cè)板通過(guò)硬件電路處理一定幅值、一定寬度的行波和行波極性方波信號(hào)，并通過(guò)高速光電隔離后送至行波時(shí)間記錄板。GPS時(shí)鐘板對(duì)GPS接收機(jī)接收的GPS信號(hào)進(jìn)行處理產(chǎn)生高精度的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)：當(dāng)GPS信號(hào)接收正常時(shí)，直接由GPS接收機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)；當(dāng)GPS接收機(jī)運(yùn)行異?；騺G星時(shí)，由CPLD結(jié)合100M高精度恒溫晶振產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)；標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離后，送至行波時(shí)間記錄板。行波時(shí)間記錄板將輸入的行波和行波極性信號(hào)通過(guò)濾波電路后，用標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)同步100MHz高精度恒溫晶振信號(hào)，在輸入信號(hào)到達(dá)時(shí)刻將時(shí)間鎖存，同時(shí)記錄行波通道號(hào)和行波極性，并將鎖存的時(shí)間信息、行波通道號(hào)和行波極性打包形成行波信息進(jìn)行存儲(chǔ)。中央處理單元板讀取存儲(chǔ)在行波時(shí)間記錄板中的行波信息，進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生行波數(shù)據(jù)，并將行波數(shù)據(jù)發(fā)送至定位計(jì)算機(jī)，定位計(jì)算機(jī)根據(jù)故障線路兩端的行波到達(dá)時(shí)間進(jìn)行故障定位計(jì)算。該電網(wǎng)故障行波定位裝置已經(jīng)在220kV輸電網(wǎng)上運(yùn)行一年，運(yùn)行結(jié)果顯示線路故障時(shí)的故障點(diǎn)定位誤差小于150米，具有較高的定位準(zhǔn)確度。4.廣域電網(wǎng)故障行波定位方法本作品研究了廣域電網(wǎng)故障行波定位方法。通過(guò)對(duì)電網(wǎng)中各行波到達(dá)時(shí)刻進(jìn)行過(guò)濾、匹配，結(jié)合初始行波傳輸路徑實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)綜合定位，可靠性高，容錯(cuò)性強(qiáng)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某一臺(tái)定位裝置故障、啟動(dòng)失靈或時(shí)間記錄錯(cuò)誤后仍能進(jìn)行精確定位。為了更方便地分析故障行波在整個(gè)電網(wǎng)中的傳輸過(guò)程，從圖論的角度，將電力系統(tǒng)看作一個(gè)由n個(gè)頂點(diǎn)和b條邊構(gòu)成的圖G=(V，E)，其中V表示圖的頂點(diǎn)集合，E表示圖的邊的集合，分別對(duì)應(yīng)于電力系統(tǒng)中母線（變電站）和支路的集合。對(duì)網(wǎng)絡(luò)圖的邊(vi，vj)賦予數(shù)量指標(biāo)，稱之為“權(quán)”。在電網(wǎng)拓?fù)鋱D中，邊的權(quán)值代表輸電線路的長(zhǎng)度。對(duì)任意一條邊(vi，vj)∈E，如果邊(vi，vj)端點(diǎn)無(wú)序，則稱其為無(wú)向邊，此時(shí)圖G為無(wú)向圖。對(duì)于輸電線路而言，因Lij=Lji，L為線路長(zhǎng)度，故電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖是典型的無(wú)向圖。當(dāng)故障發(fā)生后，故障行波由故障點(diǎn)向電網(wǎng)中傳播，初始行波的到達(dá)時(shí)刻對(duì)應(yīng)初始行波傳輸?shù)淖疃搪窂?。因此，可以通過(guò)分析電網(wǎng)中各個(gè)變電站之間輸電線路的最短距離對(duì)包含有環(huán)網(wǎng)的系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到解網(wǎng)后的輻射型網(wǎng)絡(luò)，從而消除其對(duì)初始行波傳輸路徑識(shí)別的影響。本作品采用Floyd算法計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中任意兩點(diǎn)的最短路徑。5．相角測(cè)量輔助功能故障電壓裝置設(shè)計(jì)為9路脈沖信號(hào)輸入，當(dāng)脈沖信號(hào)到達(dá)時(shí)，鎖存脈沖到達(dá)時(shí)間，用于故障定位。為實(shí)現(xiàn)功角測(cè)量，對(duì)三相電壓信號(hào)進(jìn)行低通濾波，消除諧波信號(hào)