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研制输电线路故障定们系统的目的和意义
现代工业蒸蒸日上，一是千里。作为工业命脉的电力供给，也在经历着巨大的发展。现代电力系统规模正不断扩大，输电线路的电压等级一再提高，输电长度也越来越长。输电线路或者作为能量传输的纽带，或者作为大型电力系统之间的联络线，对电力系统的安全稳定运行起着举足轻重的作用。而相应的由于高压输电线路输电线路输电距离较长，路经的各种地形环境纷繁复杂，难以预见，故障发生基本不可避免，更兼沿途地势多变，难以查找，因此线路故障后迅速而精确定位故障点，始终困扰电力系统稳定运行的一大难题。 一般而言，输电线路故障大致可分两大类型：瞬时故障和永久故障。瞬时故障通过重合闸可恢复供电，但故障点往往是薄弱点，需用尽快找到加以处理，以免二次故障而危及电力系统的安全稳定运行。而当永久故障时，则需迅速查明故障并及时排除，排除时间的长短直接影响到输电系统送电保障和电力系统的安全运行。排除时间越长，则停电所造成的损失越大，同时对整个系统稳定运行的冲击也越大。简单来说，一个输送功率为400MW的500KV输电线路，若因为线路故障使得输电中断1小时，据估计直接和间接经济损失达120万元。因此，故障定位的引入，不仅对及时修复线路和保证可靠供电至关重要，而且对电力系统的安全稳定和经济运行都有十分重要的作用。 排除故障的前提是找到故障点的确切位置。高压输电线路输电距离长，沿线地理环境复杂，有时翻越崎岖山林，有时跨越河流水网，不依靠故障测距系统的帮助，要想人工徒步寻线找到故障点，宛若大海捞针般困难。即使采用直升机来巡视，也往往由于故障发生时的恶劣天气而难以实现，而且，很多人为或瞬时的故障往往在故障后事故痕迹消失，无法重现故障情况，一般情况下，用常规巡视的方法很难查明事故原因，而故障定位装置正是电力系统自动化需求下的产物，通过自动化测距装置的精确定位，可以克服上述种种的困难，实现简易、快速的发现故障，排除故障，为了整个系统运行提供安全可靠的电力传输。 综上所述，在输电线路故障后的故障查找过程中，精确的故障测距扮演着十分重要的作用。只有基于此装置，才能使我们在最短的时间内，以最小的人力、物力、排除故障，消除隐患。故障测距系统所提供的故障位置精确与否，直接关系到故障测距系统的成败。对于确保整个电网的安全稳定运行，减少因输电线路故障带来的经济损失，精确的故障定位装置正是解决之道，它有着显著的社会效益和经济效益。因此，故障定位装置的研究，正是在电力系统的可靠性、安全性、经济性运行需求下应运而生的一个备受重视的课题。 各种输电线路故障定位方法的比较 按定位原理的不同，故障定位方法主要可以分为阻抗法和行波法两大类 一、 阻抗法 阻抗法是最传统的故障定位方法，也是研究和实际应用最多的定位方法。在系统运行方式确定和线路参数已知的条件下，当线路发生故障时，线路两端的电压和电流均为故障距离的函数。阻抗法就是通过求解故障后的电压和电流量与线路阻抗之间满足的关系方程来获得故障点位置的方法。阻抗法又分为单端法和双端法两类。
1 利用单端数据的故障定位方法 单端法是利用线路一侧的电压和电流量以及必要的系统参数来计算故障点的位置的定位方法。一般采用录波器，即可获得所需的线路一侧的电压和电流量。这种方法的设备比较简单，但精确度比较差。它主要还存在以下问题：（1）不能克服过渡电阻和对端的系统阻抗变化对定位精确度的影响；（2）定位需做一定的假设，如假定测量端电流与故障点电流同相位，或假定过渡电阻为纯阻性，故定位精确度在很多情况下不能保证。（3）存在着迭代法的收敛性问题和解方程法的区分真伪根问题。因此，从原理上讲，用单端法不大可能得到精确的结果。
2 利用双端数据的定位方法 双端故障定位方法是利用线路两端的电压和电流量，即除本端电压、电流外，还必须知道对端的电压和电流量。若线路两侧的数据采样是同步进行的，那么由此得到的线路两端的电压电流工频相量将具有统一的时间参考基准，可得以下方程： 量将具有统一的时间参考基准，可得以下方程：
联立求解，在消去 后便得
上式中除外其他都是已知量，于是可得故障点的位置：
显然所得到的结果与过渡电阻无关。根据多种试验测试及理论分析，可以将双端同步数据的故障定位方法的优点概括如下： （1） 利用双端同步数据的故障定位方法不存在原理性误差，它的定位精确度高。定位精确度不受故障位置、故障类型、故障发生角和负荷电流的影响，特别是排除了过渡电阻的影响，这是双端法的最大优势所在。 （2） 这种定位算法适用性广，不但对单回线路能准确定位，且对双回线路和带分支的线路同样适用。对特殊类型故障，如转换性故障和断线故障也能准确定位。 （3） 数值仿真表明，定位算法具有很好的鲁棒性，定位精确度受各种误差因素的影响非常小。 随着电力系统自动化水平的提高和通信技术的发展，利用GPS定时的双端定位方法得到了普遍的重视。 双端法存在的问题：利用线路两侧数据的双端法不存在原理性误差，较单端法更具有优势。它完全可以克服短路过渡电阻的影响，在保证线路参数和采样数据准确的前提下能够准确定位。但双端法相对而言硬件成本较高，需要通讯手段，双端数据同步的方法则需要GPS提供同步时钟。但电力系统自动化水平的提高和通讯技术的发展，为双端定位方法的实现与应用提供了可能，双端法因其固有的优势将会得到更大的发展。 二、 行波法 当输电线路发生故障时，在故障点会产生沿输电线路传播的高频暂态行波，行波的传播速度接近于光速且固定。行波法就是通过测量由于故障扰动而产生的行波在故障线路上传播时间实现故障测距的方法。行波法测距的可靠性和精确度在理论上不受线路类型、线路参数、故障电阻及两侧系统参数的影响，是早期研究的一个热点。进入60年代，随着输电线路行波传输理论的研究深入，人们在相模变换，参数频变和暂态数值计算等方面做了大量的工作，进一步加深了对行波法测距及诸多相关因素的认识。另一方面随着电子技术和计算机技术的发展，数字滤波，相关技术，谱分析和压缩编码技术等的相继引入，尤其是新出现的小波理论和全球卫星定位系统（GPS）的大大提高了暂态行波信号的提取效率，简化了两端数据同步过程，为行波法测距带来了新的前景。 由于目前技术发展水平的原因，行波法还存在如下的几方面问题。 （1） 故障产生的行波的不确定性 故障发生的时刻是随机的，在电压过零时发生故障，暂态行波电压就会很微弱，它可能使行波测距失效。 （2） 故障点反射波的识别 线路上存在着大量的干扰，其特性与故障点的反射波极为相似。正常运行情况下较大的干扰主要来自断路器与隔离开关的操作，任何上述操作都会产生剧烈的电压变化。故障点反射波识别的最大障碍是区分出反射波是来自故障点还是线路对端母线。 （3） 母线接线方式的不确定性 行波测距理论基于行波的传播及反射，而母线上的接线是不固定的，这就引起行波到达母线时的反射波的不确定性，然而行波测距要求行波在母线处有足够的反射。 （4） 行波信号的提取比较困难 行波测距对互感器提出的基本要求是能较真实地传变高频暂态行波信号。为了达到测距精确度小于1Km的要求，二次侧暂态行波要在几个微秒内变换过来。研究表明，常规的电容式电压互感器的截止频率较低，不能满足传变暂态行波信号的要求。有一些研究认为电流互感器的暂态响应特性能满足传变暂态行波信号的要求，但还缺乏说服力。 （5） 行波信号的采集与处理 行波信号包含丰富的高频分量，因此，为保证测距的精确度，需要高速采集二次侧的行波信号，采样率应在几百kHz或几个kHz的数量级，因此硬件成本会较高。 （６）参数的频变和波速的影响因素 在行波测距中波速是主要影响因素，而其计算取决于大地电阻率和架空线的配置。高压线路沿线的地质条件相当复杂，不同地质段的土壤电阻率ρ有不同的取值，且与气候密切相关。而在输电线路发生的故障中，单相接地故障占总量的７０％－９０％，在该类故障中地模波速成受频变的影响很大。在采用地模波测距的算法中波速选取问题和架空地线对高频分量的衰减和畸变作用都会影响到测距精确度。因此参数的频变效应和波速的不确定性是限制行波法测距精确度的主要因素。 （７）陷波器的影响 由于电力系统普遍采用高压输电线路作为电力载波的通道，因此在变电站的母线外侧一般都装设陷波器来限制高频载波进入变电站。而高频载波的频率与故障时产生行波的频段相重叠，因此陷波器阻碍了行波的传播，这就造成了行波法应用的局限性。
基于ＧＰＳ同步采样的输电线路故障定位系统
一、 故障定位系统的总体结构 １系统概述 故障定位系统装置适用于110kV-500kV的中性点直接接地系统的高压输电线路，安装于线路的两端，具有故障定位和故障录波双重功能。 系统正常运行时，定位系统装置实时监测两侧母线的电压电流信号。当系统或线路发生故障时，定位装置自行启动，进行故障录波，并将带有ＧＰＳ时标的录波数据发送到主站或调度中心，然后利用双端同步采样的电流和电压数据进行故障定位，给出故障点位置。做为对双端定位的后备和参考，线路两侧的装置都具有单端测距的功能。 ２主要技术指标 （１） 输入变送器 二次ＰＴ额定电压57.7V，短期过压至100V；准确级为0.1级 二次ＣＴ额定电流5A，短期过流至100A；准确级为0.2级 （２） 额定频率：50Hz （３） 采集单元：Ａ／Ｄ：分辨率１２位；１６路信号同步采样，采样率2.4kHz。 （４） ＧＰＳ单元：提供给系统ＵＴＣ时间精度优于１μs。 （５） 调制解调器：外置ＭＯＤＥＭ或内置ＭＯＤＥＭ卡。 （６） 工作电源：直流220V，交流220V。 （７） 定位精确度约为线路总长的0.5%。 ３系统工作原理
故障定位系统实际装置如图所示，线路两端的电流和电压信号取自一次侧的电流互感器和电压互感器，经过变换器箱内的二次变换器变成小信号（电压在±５Ｖ以内），然后进行数据采集单元变成数字量，最后进入微机进行处理和计算。电力系统正常运行时，定位装置中的采集单元实时监测运行中的电压和电流信号。当线路发生故障时，采集单元根据故障启动判据检测到故障后开始进行故障录波，同时读取ＧＰＳ单元提供的ＵＴＣ时间码以得到故障启动时刻的时标。由于线路两侧的数据采集是在ＧＰＳ单元提供的ＵＴＣ时间码以得到故障启动时刻的时标。由于线路两侧的数据采集是在ＧＰＳ同步脉冲触发下进行的，采样数据被贴上全球统一的时间标签，因此通过远传系统将两侧数据发送到主站或调度中心，经过对时和计算后即可对输电线路进行故障定位和对故障进行后台分析。
二、 故障定位系统的硬件结构 １二次变换器（二次电流互感器和电压互感器） 二次电流互感器（ＣＴ）和电压互感器（ＰＴ）是用来将系统一次侧的高电压大电流转变成可以进行采集和测量的低电压信号，最后由微机进行数据的采集和计算处理。因此二次ＣＴ和ＰＴ的传变精度直接影响着定位的精确度。由于电流的动态范围比较大，因此二次ＣＴ的选取要满足如下技术要求： （１） 在额定工作状态下电流较小，要保证其有较高的变换精度，测量误差应小于0.2%。 （２） 在短路大电流以及含有直流分量的情况下，变换器应不会发生饱和，波形不畸变，２０倍额定电流下的误差应小于５％。 二次变换器将一次侧的电流互感器和电压互感器的电流电压信号变成弱电压信号后，再进入数据采集卡。 ２全球卫星定位系统（ＧＰＳ）和ＧＰＳ授时板 （１） 全球卫星定位系统（ＧＰＳ） 为了接收ＧＰＳ时间信息，可选择民用型ＧＰＳ接收机，这种接收机由接收模块和天线组成。接收机在任意时刻能同时接收其视野范围的４～８颗卫星，其内部硬件电路和处理软件通过对接收到的信号进行解码和处理，能从中提取并输出两种时间信号：一是间隔为１s的脉冲信号，即１ＰＰＳ(1 pulse per second)，其脉冲前沿与国际标准时间（ＵＴＣ时间）的同步误差不超过１μs；二是与１ＰＰＳ脉冲前沿相对应的国际标准时间和日期的ＵＴＣ代码（年、月、日、时、分、秒）。 在用故障定位系统进行输电线路两端的数据采集时，必须作到两端的装置同步采样。由于电力系统是一动态系统，电网中各电站母线电压、线路电流的相位是随时间变化的，要达到精确测量的目的，一是要在统一时间基准下进行同步测量，二是要有足够的精确度。全球卫星定位系统（ＧＰＳ）是能满足这一要求的最佳选择。它的特点是，可以为全球各地的实时地提供一个高精度的时钟，并能保证两地间的时间误差在１μs以内。这样输电线路两侧信号的采集就有了一个高精度的统一时钟，从而也就保证了双端信号的同步。 （２） ＧＰＳ授时板 ＧＰＳ授时板用于提取ＧＰＳ接收器提供的全球统一的时间代码信息，然后将其提供给系统作为采样数据的时标。ＧＰＳ授时板为ＰＣ总线，用于产生规定频率的与全球标准时钟同步的时钟脉冲。该板产生脉冲频率最高可达５kHz，输出的同步时钟脉搏冲频率可以任意设定，同步精度优于1μs，用以同步触发A/D采集板。 3多通道同步数据采集卡 （１） 多通道同步数据采集卡的原理框图：
（２） 数据采集卡特点 * 16路输入信号，同步采样保持，可以保持各路信号的同步相位关系。 * 进行16路信号采集的情况下，采样率为2.4kHz。 l A/D分辨率为12位。 *模拟信号差分输入，范围为-5V-+5V。 * 数字电路和模拟电路之间采用高速光电隔离，既保证了计算机系统安全，又有效地防止了数字电路及计算机开关电源干扰信号对A/D转换精度的影响。 * 系统同步可以采用查询方式、也可以采用中断方式。 * A/D卡与系统接口方式为PC总线。 4数据采集单元 （１） 数据采集的同步工作原理 GPS单元和数据采集卡设计为PC总线结构方式，插在工控机底板的ISA总线插槽内。GPS单元产生频率为2.4kHz的全球统一的时钟脉冲来触发采集单元的A/D转换器对电压电流进行同步采集。A/D采集卡在GPS授时板的同步脉冲下等间隔采样（每周波采样48点），然后将采样数据存储在采集单元的数据存储器里，由于采集单元每点的采样数据与GPS单元产生的同步采样脉冲是一一对应的，从而使得相隔几十公里或上百公里的线路两端对电压和电流的采集是同时进行的。 （２） 采集单元的故障启动原理 数据采集单元实时采集电压和电流信号，并实时计算和判断是否满足启动判据。当采集单元判断出系统有故障发生时，发生故障启动信号，通过GPS单元读取故障时间并进行故障录波 三、 故障定位系统的软件算法 1故障启动原理 故障启动判据有以下两种： （１） 半波有效值过限（欠限）启动： 利用半波积分算法将采样得到的半个周波数据计算得到一有效值，并将其与启动定值相比较，如果大于（小于）定值就启动。这包括相电压欠压启动、相电流过流启动、零序电流及零序电压过限启动。 （２） 相电流突变启动： 将采样得到的数据与前一个周波的对点数据相比较，其结果大于（小于）启动定值就记数一次，连续六次即启动。 最终启动判据的实现是取上述各种判据逻辑或，只要有一种启动方式满足条件就发出故障启动信号。 2数据传送的软件实现 双端定位算法要利用线路两端的故障数据进行计算，因此需要将两侧数据传送到调度中心或是将一侧的数据传送到另一侧。 （１） 通讯的硬件平台 微机通过调制解调器（MODEM）连接到通讯线路上，MODEM的最大传输率为55.6kbps，通讯线路可以为微波通道或光纤通道。 （2）通讯的软件平台 通讯软件的实现是基于客户商向服务器商拨号建立连接，然后利用网络通讯协议TCP/IP协议进行数据传送的。 服务器端的系统平台为Windows NT Server，操作系统本身支持远程访问服务的功能即RAS(Remote Access Service)。客户端的系统平台为Windows98，它通过RAS拨号登陆到服务器端，然后基于TCP/IP协议层之间是通过Windows Sockets编程实现的。应用程序调用Windows Sockets的API实现相互之间的通讯，Windows Sockets又利用下层的网络通讯协议功能和操作系统调用实现实际的通讯工作。 3故障定位计算程序 故障定位算法为基于微分方程的双端数据同步的定位算法，通讯程序负责将线路两端的数据传送到主站或调度中心后，由故障定位程序进行故障定位计算，定位程序的具体实现包含如下步骤： （１） 数据的同步 （２） 信号滤波 （３） 定位计算 整个系统的数据采集、数据传送以及定位计算都是自动完成的，不需要人工干预。 四、 动态模拟实验结果 为了验证定位算法的准确性以及检验定位系统装置的定位精确度和工作情况能否达到现场运行的要求，曾在清华大学电机系动态模拟实验室、华中科技大学动态模拟实验室以及电科院动态模拟实验室，对定位装置进行了动态模拟实验。实验结果表明研制的故障定位系统具有很高的定位精确度，其定位精确度约为0.5%。部分的实验结果见下表。在清华大学的动模实验中采用单机对无穷大系统，线路模型取的是100km长的220kV线路。 表1短路位置在20km处的定位结果（金属性短路）
表2短路位置在80km处的定位结果（金属性短路）
表3A相接地对不同过渡电阻值的定位结果
实验结果表明研制的故障定位系统定位精确度约为0.5%，它完全不受过渡电阻的对定位精确度影响，充分证明了双端数据同步的故障定位方法的准确性和可行性，有着传统的单端测距方法所不可比拟的优越性。双端数据同步的故障定位系统在电力系统中得到应用会对电力系统的安全稳定和经济运行有着重大的意义。 主要组成：
工作原理：
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