摘要：针对传统行波故障测距装置存在的一些问题，如采样率低造成直流线路故障不启动、不同厂家设备间数据无法共享，不能满足智能变电站接入等，提出并实现了一种设备间基于Qnet协议的新型行波故障测距系统。相对于传统行波故障测距系统，该系统采用超高采样频率、支持分布式接入，显著提高了测距装置接入的灵活度；对外通信协议全面满足IEC61850要求，数据存储格式采用comtrade标准格式，便于数据共享；用多尺度分析替代了传统的主导频带分析。模拟试验证明，该算法可深度优化测距结果，有效提高测距精度。
关键词：行波；故降测距；超高速采样；Qnet；测距算法；智能变电站
引言：
当线路故障时，如果能够快速准确地定位故障点，就可以大大减少线路寻查的工作量，缩短故障修复时间，节约大量的人力、物力，提高供电可靠性，减少停电损失。同时准确地测出故障点位置，找到故障原因，有利于及时地发现事故隐患，采取针对性的措施，对避免事故再一次地发生保证电网安全具有重要的意义。
1主要功能模块实现：
1.1工况信息采集模块：
主要实现工况信息采集，包括线路负荷电流、设备温度、电源状态（包括供电模式、电源电池电压）。其采集时间间隔受设备参数控制，且远程服务器可修改。在指定的时间将上传采集数据到服务器。其功能模块如图-2.
图-2
1.2故障信息采集模块：
主要实现故障信息采集，包括线路故障产生判断、故障波形数据采集、故障波形数据存储、故障波形数据发送。各个部分实现简要说明如下：
线路故障产生判断：设计了故障有效性算法分析，滤除了杂波干扰；
故障波形数据采集：包括预采样设计，保障在故障发生前的数据被采集到，为故障距离计算提供完整的波形数据；此模块主要由FPGA模块实现。
故障波形数据存储：提供了10个故障波形的存储空间，在波形数据未及时传输到服务器时，仍然可以继续采集存储。在未发送故障波形达到10个后，将暂停采集存储，并在此条件解除后立即恢复采集。
故障波形数据发送：提供断点续传功能，在网络信号较差时，可保证完整数据分段传输；
另外，采集参数，包括采样率及波形时长受设备参数控制，且远程服务器可修改。其功能模块如图-3.
图-3
1.3通信传输模块：
主要实现与服务器通信控制，完成《输电线路分布式故障监测装置技术规范》中的通信规约。包括4G通信模块控制、网络通信控制、通信规约实现、自定义私有控制实现等。各个部分实现简要说明如下：
4G通信模块控制：直接完成与4G模块的底层通信操作控制；
网络通信控制：负责与数据中心建立连接，实现通信维护；
通信规约实现：负责解析接收的通信协议包，组装发送的通信协议包；
自定义私有控制：在通信规约的保留部分，加入自定义私有控制数据；
另外，4G通信模块的通信参数以及数据中心IP及端口等受控于设备参数。其功能模块如图-4.
图-4
1.4电源采集模块：
主要实现与电源模块的通信，完成电源数据获取。包括电源供电状态（CT取电或电池供电）、CT取电电压、电池电压、电池充电状态等数据。其中，采集电源参数时间间隔受控于设备参数。其功能模块如图-5.
图-5
1.5可靠性运行管理模块：
主要实现设备正常运行，以避免设备出现异常情况时可恢复（包括子模块异常、设备宕机、设备出现逻辑问题）。包括通信模块异常复位、FPGA采集异常复位、周期性定时复位设备、硬件看门狗复位。各个部分实现简要说明如下：
通信模块异常复位：主要是4G模块通信出现异常不可恢复时，控制模块电源重启；
FPGA采集异常复位：主要在采集模块连续异常且不可恢复时，控制模块电源重启；
周期性定时复位：设定固定的时间周期，在时间到达时，如果当前处于空闲状态，则执行设备重启；如果不是空闲状态，则等待进入空闲状态后再执行。
硬件看门狗复位：设备在收到硬件看门狗的喂狗信号时，会及时进行喂狗操作。当设备出现宕机之类故障时，由硬件看门狗自动复位；
其功能模块如图-6.
图-6
2辅助功能模块实现：
2.1时钟系统模块：
主要实现设备高精度运行时钟，保障故障定位精度。包括GPS运行时钟，内部RTC运行时钟、授时操作、读取时钟操作。在GPS授时系统正常时，则系统时间取自GPS，否则取自内部RTC。各个部分实现简要说明如下：
GPS运行时钟：解析GPS数据，并在时钟有效时，通过PPS复位亚秒计数器。此时间精度依靠3个方面保证，GPS模块精度、MCU外部晶振精度、MCU软件内部算法；
内部RTC运行时钟：GPS时钟有效时，仅执行时间同步；在GPS无效时，见通过MCU内部定时器完成PPS计时获取纳秒数据。在GPS时钟短时失去有效性时，内部RTC运行获取的纳秒数据有一定的精度保障；
授时操作：在GPS时钟有效时，对内部RTC时钟进行授时操作；
读取时钟操作：首先通过硬件读取亚秒信息，再根据当前GPS时钟是否有效决定读取GPS时钟还是RTC时钟；
其功能模块如图-7.
图-7
2.2参数信息管理模块：
主要实现可本地或远程修改，包括设备基本信息、设备工作参数、设备通信参数、拟合数据。各个部分说明如下：
设备基本信息：标识设备ID、软件版本、生产日期、生产厂商等信息；
设备工作参数：控制设备运行过程中需要的阈值、参数、行为等；
设备通信参数：数据中心IP地址、端口，或APN信息等；
拟合数据：主要是雷电流及工频电流的AD换算为电流值的拟合数据；
其功能模块如图-8.
图-8
2.3存储操作模块：
主要完成设备相关数据的存储操作，包括E2PROM存储、FLASH存储。E2PROM主要用以存储设备参数数据，FLASH用以存储波形数据。
其功能模块如图-9.
图-9
2.4调试信息模块：
主要完成软件调试与测试工作，并记录错误日志信息（通过通信模块上报错误）。包括软件升级、错误信息输出、提示信息输出、参数设置、拟合数据功能等。
其功能模块如图-10.
图-10
2.5 主要的零部件设计
2.5.1防水硅橡胶圈：
根据架空输电线路在线监测系统通用技术条件Q/GDW 242-2008技术要求：外壳的防护性能应该满足GB4208规定的IP65要求；
所以本设备采用硅橡胶密封圈和液体硅胶涂抹的方式达到IP65的要求：完全防止粉尘进入和用水冲洗无任何伤害。
2.5.2电缆槽组件：
根据架空输电线路在线监测系统通用技术条件Q/GDW 242-2008技术要求：导线安装类产品与导线的连接部件应有锁紧装置，应保证在运行中不松脱。
电缆槽组件是整套设备的核心固定组件，电缆槽内部装备有硅橡胶垫片，防止夹紧电缆的时候对电缆造成断线损伤；电缆槽两头设计又夹紧装置，保证整套设备在输电线上可靠的固定。硅橡胶能在-60℃至+250℃长时间运行，保证能设备的可靠性。
2.5.3接触弹片：
根据架空输电线路在线监测系统通用技术条件Q/GDW 242-2008 5导线安装类产品的外壳应和导线等电位。
接触弹片采用铍青铜材质，具有有耐磨、耐低温、无磁性、高的导电性；很高的弹性极限和疲劳极限。可以保证整套设备与高压电缆的长时间，良好的接触，保证设备可靠的等电位连接。
2.5.4外壳：
根据根据架空输电线路在线监测系统通用技术条件Q/GDW 242-2008可见电晕和无线干扰电水平的要求。
设备表面所有外露部分，均采用弧面设计，进一步减少电晕的发生。
3 本系统应用过程中的注意事项
3.1输电线路故障规律统计分析
输电线路故障智能监测系统可准确记录每一次线路跳闸的情况、分析辨识其故障原因。系统长期运行积累下来的数据是输电线路运行维护中切实反映线路运行能力的十分宝贵的基础数据。
3.2加强输电线路的属地化管理
传统输电线路故障定位装置的误差较大，导致在发生故障后故障点不明确。多条跨省和跨区线路输电线路分别由多个公司管理，在运行维护时多个公司共同巡线查找故障点，浪费了人力、物力。建立了分布式输电线路故障精确定位及诊断系统及平台，各级工作人员均可通过该系统及时监测、查询、掌握线路的运行情况，线路发生故障后明确巡线及维护单位，有效提高了工作效率，加强了对输电线路的属地化管理，提高了输电线路的运行管理水平。
4.项目的主要成果及展望
4.1项目的主要成果
混合线路精确故障定位及雷击识别手段是当前供电公司亟需的技术，本项目根据实际需要出发，重点研究行波的传播规律，提出了混合线路的故障定位和雷击类型识别方法，主要成果及结论包括：
首先，研究了混合线路中故障电流行波的传播特性，研究故障点与有效检测区间的对应关系实现故障电流行波及其折反射波的有效识别研究提出了对架空-电缆混合线路故障区间的快速定位方法，实现架空线路故障重合闸，电缆线路故障禁用重合闸，最终提高整条线路的可靠性；研究故障电流检测装置的布置布局方法，实现分布式故障定位装置的优化配置。
其次，研究提出了二分SVD对故障电流行波到达时刻的检测的原理，通过和三次B样条小波比较得出，二分SVD方法可有效检测过零点故障的电流行波。
再次，研究了输电线路在反击和绕击情况下三相故障电流首个电流行波的极性规律，得出输电线路反击时三相电流行波极性相同，线路故障或者绕击时三相电流极性相反的结论；输电线路故障时首个电流行波和两个行波间隔之间电流幅值变化不大，而绕击时首个电流行波和两个行波间隔之间的电流幅值差异很大，因此提出采用基于能量比的绕击识别方法，并通过仿真验证了算法的正确性。
最后，研制开发了分布式故障定位与雷击类型识别系统，通过了EMC、环境、功能测试等实验，通过智能监测装置的计算和分析可对混合线路的故障点定位和雷击类型识别。
4.2展望
本系统积累了一定数据和经验。但现场运行数据的积累仍然有限，仍需积累不同故障模式下的数据，分析不同条件下可能出现的结果和影响，为系统更加可靠的提供运行数据支持奠定基础。
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论文作者:王宗明,梁江涛,杨红斌,杨军,张京良,雷仝,高梓
论文发表刊物:《电力设备》2019年第14期
论文发表时间:2019/11/21
标签：故障论文; 线路论文; 设备论文; 数据论文; 波形论文; 模块论文; 时钟论文; 《电力设备》2019年第14期论文;