湖南铁路科技职业技术学院 湖南省株洲市 412000；
湖南省高铁运行安全保障工程技术研究中心 湖南省株洲市 412000
摘要：为准确记录电网故障行波波头到达时间，提高电网故障定位精度，简化故障定位装置，本文提出一种基于FPGA的行波波头捕捉方法。结合GPS高精度时钟和专用行波传感器，采用FPGA直接记录行波波头的到达时间，既避免了高速采样中的采样误差，又可消除软件分析误差，大大提高了行波到达时间记录的准确性。仿真分析、装置实验测试和现场运行结果表明：该方法实现简单、抗干扰能力强、定位精度高。
关键词：FPGA；故障定位；高精度时钟；行波
1 前言
输电线路故障后快速、准确地确定故障点是保障电网安全稳定运行的一项关键技术，也是长期困扰电网运行的主要难题之一。常用的输电线路故障定位方法主要有阻抗法和行波法，阻抗法由于原理上的缺陷，很难保证定位精度；随着计算机、通信及测量技术的不断进步，行波法得到了迅速发展，并逐步开始实用化[1]。行波故障定位的关键是寻找行波波头到达测量点的绝对时刻。目前国内研究者大多采用小波分析法来提取电流行波波头[2-4]，而该方法需要高速采集系统和复杂的软件分析计算，需要强有力的软硬件支持；并且小波分析结果易受母函数的种类、采样率及分析尺度等因素的影响，会产生一定的测量误差，而且采用电流行波进行故障定位需要测量变电站每条线路的电流行波，定位系统的结构复杂，工程适应性相对较差。
利用电压行波来进行故障定位，在电网的每个变电站只需安装一套行波定位装置，通过检测到达各变电站的电压行波信号，可形成一个行波测量网络，实现对各种故障的准确记录和定位[5-9]。加拿大成功研制了电压行波故障定位系统，该系统利用硬件电路来记录行波波头到达时间，无需复杂的高速采集和信息处理，运行结果表明其定位精度已达到300m。然而该定位系统安装时需要改变一次设备的接线，在我国难以推广。
行波在整个电网中传输，传输距离越远，行波的衰减越严重，越需要研究专门的方法来提取行波波头。因此，有必要研制一种不改变一次系统接线，而且简单易行的行波波头检测方法。本文在成功研制电压行波传感器的基础上，提出了一种基于FPGA的电压行波波头硬件检测方法，该方法记录时间的最小误差可达到10ns（不考虑GPS时钟误差），而且可准确记录行波极性，已成功运行于输电线路故障定位装置中。
2 行波波头捕捉的硬件实现
为满足时间记录的实时性和准确性要求，减小系统规模，提高可靠性，本文采用Altera公司的高性能芯片EPF10K10LC84来实现行波突变信号到达时刻和开关量突变时刻的记录。
3.1 行波波头捕捉的硬件方案
经过检测回路处理后的行波极性信号（包括正极性行波信号和负极性行波信号）和行波检测信号被送到FPGA，由FPGA结合GPS高精度秒时钟信号和高精度晶振对行波检测信号波头到达时刻进行记录，同时记录该行波极性信号的极性，以便上位机准确辨别出正确的故障初始行波。其硬件实现原理如图1所示。
图1基于FPGA的波头到达时刻记录原理图
硬件工作原理为：FPGA以GPS秒时钟信号作为时间基准，结合基于高精度晶振信号构成的27位时间计数器对行波通道输入的信号不断进行检测，当发现输入信号有突变即有行波信号输入时，立即将该行波波头信号到达的时刻和该行波信号的极性记录下来，并保存到相应的FIFO中，由CPU定时读取。其具体工作过程如下：
1）、由100MHz高精度恒温晶振信号和修正后的GPS秒脉冲信号结合构成计数器，对行波信号和开关量突变信号进行时间记录。修正后的GPS秒脉冲信号作为整个系统的时间基准，即每个秒脉冲的起始时刻作为计数器的清零时刻，计数器以晶振信号为计数周期从零开始不断计数，被清零后又从零开始计数。计数值作为行波信号和开关量突变信号到达时刻的时间记录依据；
2）、当FPGA检测到有行波信号输入时，立即启动时间记录模块将行波信号的到达时刻记录下来，同时将该行波信号的极性和输入通道号与记录的行波到达时间存储到先进先出堆栈FIFO中，供CPU随时读取。时间记录模块以计数器的计数值作为时间记录依据，即需要进行时间记录时，此时计数器的计数值就是该时刻的计时时间；
3）、当FPGA检测到输入的开关量有突变时，立即启动时间记录模块将开关量突变时刻记录下来，同时将该开关量号与突变时刻记录到FIFO中。该发生突变的开关量号在基于整个电网的行波定位系统里可作为判断发生故障线路的依据；
4）、存储在FIFO中的数据可由CPU随时读取，CPU根据读取的时间数据及相关信息进行初步处理后发送给上位机，秒和秒以下的时间信息由FPGA记录，秒以上的时间信息由CPU根据GPS的时间信息进行补充，上位机根据收到的信息进行故障定位计算。
2.1 仿真分析
仿真软件为MAX PLUS Ⅱ，在做仿真实验时，由于计算机资源不足，无法进行秒级的仿真实验，本文中用周期为1μs的信号代替秒脉冲，其它信号仍按实际情况处理，仿真1ms的时间。在仿真中使用的晶振频率为100MHZ，时钟周期为10ns,假设行波信号持续时间为100ns（实际持续时间约为2～3μs）。仿真结果如图2 所示。图2中，XB1和XB2为输入的两路行波信号，XB1J和XB2J分别为XB1和XB2的极性信号，PPS为秒时钟信号，CLK100M为输入的晶振信号，CLK100MCON为晶振时钟计数器，PPS为秒脉冲，PPSCON为秒计数器。addr为CPU读取FIFO数据的相关地址命令，其中FF0E为查询FIFO中是否存有行波数据命令，FF01～FF07为FIFO数据读取命令，一次读取2个字节。DATA为从FIFO中读取的行波的相关信息，其中FE表示FIFO中存有行波数据，FF表示FIFO中没有行波数据，一条行波数据中包含有14字节的信息，从低位到高位依次为行波通道号，行波极性，秒计数值和晶振计数值等信息。
图2 FPGA功能仿真波形图
3 试验测试及在行波定位系统中的具体应用
根据上述行波波头检测原理，作者所在的课题组开发了行波故障定位系统。当电网发生故障后，由定位装置记录各变电站的行波波头到达时间并发送给主站的上位机，由上位机进行故障定位。为验证本文方法对行波波头到达时间记录的准确性，对装置进行了详细的模拟试验测试，测试方法和测试结果分别如下：
3.1 单装置各行波通道测试
测试方法：向行波采样单元CPU板的0-7#通道中输入同一行波信号，测试各通道接收到行波信号的时间,统一微秒数量级及以上时间，记录纳秒数值，计算出装置行波通道的时间偏差。测试结果如表1所示。
表1单装置行波通道测试结果（ns）
Tab.1 Measuring results of different channel
从以上结果可以看出，不同装置的相同序号行波通道间的传输误差基本在100ns以内，折算为距离约为30米，这说明采用本文方法的行波故障定位装置具有较高的定位精度能够现场运行需要。
3.3 实际应用
基于行波波头到达时刻检测方法的行波故障定位系统经实验室模拟试验验证后，已于2005年6月成功运行于株洲电网，整个220KV系统接线如图3所示。
图3 株洲220KV系统结构图
Fig.6 Connection diagram for zhuzhou 220KV system
整个行波定位系统工作至今一直很稳定，定位系统在运行后共发生了多次故障，其中在云团线（云田站到团山站）共发生了4次故障，定位系统均准确进行了定位，定位结果如表3所示。表中D为故障点到参考端（团山站）的实际距离，d为利用本文方法检测的时间所计算出的故障距离，ε为计算误差。
表3 故障定位结果
Tab.3 Results for fault location
由以上结果可知，本文方法能有效准确检测行波信号，利用该信号的故障定位误差基本在±200米以内，定位精度能够满足故障定位的实际要求。
5 结论
为降低行波定位装置的成本、提高定位准确度，本文在成功研制专用行波传感器和实现GPS高精度时钟在线修正方法的基础上，提出了一种基于FPGA的行波波头捕捉新方法。该方法在不考虑硬件传输误差时，仅有不超过20ns的时间误差，在考虑硬件传输误差时，各装置间的时间误差也在200ns以内，从而可以实现简单的不需高速采集的电压行波故障定位。经试验测试和现场实际应用证明，基于本文方法的行波故障定位系统具有较高的定位准确性，有望在电力系统中得到广泛应用。
参考文献：
[1]Gilany M，Ibrahim D K，Eldin E T． Traveling wave based fault loca-tion scheme for underground cable system［J］． IEEE Transaction onPower Delivery，2007，22( 1) : 82-89．
[2]姚李孝 ，赵化时 ，柯丽芳 ，等. 基于小波相关性的配电网单相接地故障测距［J］. 电力自动化设备，2010，30（1）：71-74.
[3] 董杏丽，葛耀中，董新洲，等．基于小波变换的行波测距式距离保护原理的研究[J]．电网技术，2001，25(7)：9-13．
[4] 龙英，何怡刚，张镇，等．基于小波变换和ICA特征提取的开关 电 流 电 路 故 障 诊 断 [J]．仪 器 仪 表 学 报2015，36（10）：2389－2400.
[5]楚湘辉．新型行波传感器及其在电网故障行波定位中应用［D］．硕士学位论文，长沙理工大学，2009.
[6] 邓丰，曾祥君，马士聪，等.基于分布式行波检测的广域网络故障定位方法[J].电网技术.2017,41（4）：1300-1307.
[7] 王阳，曾祥君，黎锐烽，等． 基于图论的配电网故障行波定位新算法［J］． 电力系统自动化，2012，36( 18) :
143-147．
[8]邓丰，曾祥君，马士聪，等.基于分布式行波检测的广域网络故障定位方法[J].电网技术.2017,41（4）：1300-1307.
[9] Nanayakkara O M K K，Rajapakse A D，Wachal R．
Location of dc line faults in conventional HVDC systems with segments of cables and overhead lines using terminal measurements[J]．IEEE Trans on Power Delivery，2012，27(1)：279-288．
[10] 邓丰，曾祥君，马士聪，等.基于分布式行波检测的广域网络故障定位方法[J].电网技术.2017,41（4）：1300-1307.
作者简介：
张灵芝(1981—)，女，籍贯湖南衡阳，硕士，副教授，工程师，湖南铁路科技职业技术学院专业教师，湖南省高铁运行安全保障工程技术研究中心研究员，主要研究方向：电气工程。E-mail：36250266@qq.com
基金项目：2016年湖南省教育科学研究项目：基于FPGA的高精度输电线路故障行波定位装置的研究，编号：16C1053
基金项目：2016年度湖南省职业院校教育教学改革研究项目：培养“工匠精神”的中高职铁道供电专业课程体系衔接的研究，编号：ZJGB2016173
基金项目：湖南铁路科技职业技术学院2017年院级科研课题:电力安规虚拟交互培训系统研究与设计, 编号：HNTKY-KT2017-4研究成果
论文作者:张灵芝
论文发表刊物:《防护工程》2018年第5期
论文发表时间:2018/7/10
标签：信号论文; 故障论文; 时间论文; 波波论文; 电网论文; 误差论文; 方法论文; 《防护工程》2018年第5期论文;