廣域電網(wǎng)故障行波定位系統(tǒng) 第十一屆 特等獎

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：機械與控制簡介：本作品設(shè)計了廣域電網(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及連接行波采樣單元和故障定位主機的故障定位計算機網(wǎng)絡(luò)。該作品已在株洲電網(wǎng)和常德電網(wǎng)上投入運行，故障定位誤差小于150米，大大減少了停電時間。在2008年冰災(zāi)中株洲電網(wǎng)故障50多次，該系統(tǒng)準確找出故障位置，減少故障巡線時間400多小時，多輸送電能8000萬度，帶來巨大的經(jīng)濟效益；并已申請專利3項。該作品的主要特點有：1、國內(nèi)外首次采用專用行波傳感器提取故障行波波頭，造價低，安裝簡單；2、國內(nèi)首次采用電壓行波進行故障定位，每個變電站僅需一套故障定位裝置，便可實現(xiàn)整個電網(wǎng)的故障定位；3、提高故障定位的可靠性；4、故障定位容錯能力強、精度高，國內(nèi)外首次在行波定位裝置中實現(xiàn)了GPS時鐘的實時監(jiān)測和修正，在GPS時鐘信號短時中斷或少數(shù)變電站行波檢測失敗條件下，仍可進行精確定位，誤差小于150米。詳細介紹：本作品開發(fā)了廣域電網(wǎng)故障行波定位技術(shù)，實現(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，故障行波以速度v從故障點向整個電網(wǎng)中傳播，記錄電網(wǎng)中變電站的初始行波到達時間，將遠端變電站記錄的初始行波到達時間折算為故障線路出口側(cè)變電站的初始行波到達時間，并剃除無效初始行波到達時間，最后利用時間和波速實現(xiàn)行波定位。本作品發(fā)明了一種電網(wǎng)故障暫態(tài)行波信號檢測方法，研制了一種電網(wǎng)故障行波定位裝置，完成實驗檢測，在常德電網(wǎng)和株洲電網(wǎng)運行，并由湖南湘能許繼高科技股份有限公司生產(chǎn)，在全國推廣應(yīng)用。1．電網(wǎng)故障暫態(tài)行波信號檢測方法故障行波波頭的檢測是電網(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量暫態(tài)電流、電壓信號，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，只傳輸10KHz以上的高頻突變信號；且與一次設(shè)備無直接的電位聯(lián)系，安裝時不在變電站運行設(shè)備上串接任何電感、電容或其組合的采樣元器件，對電力系統(tǒng)不會產(chǎn)生任何影響。為實現(xiàn)對整個變電站高、中、低壓所有出線故障暫態(tài)行波信號的檢測，把穿芯式行波傳感器設(shè)計成由兩個半圓組成的開口式結(jié)構(gòu)。利用開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，該方法對暫態(tài)行波反映靈敏、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，運行可靠，可以為行波保護和定位提供準確的暫態(tài)行波到達時間。其具體方法是：1）在變電站變壓器外殼接地線上安裝開口式專用行波傳感器；2）利用開口式專用行波傳感器檢測電網(wǎng)暫態(tài)信號；3）根據(jù)暫態(tài)信號的上升時間和幅值大小判斷電網(wǎng)故障暫態(tài)行波信號，并記錄行波信號到達的精確時間和極性。該方法不改變電力系統(tǒng)的一次接線，開口式行波傳感器可實現(xiàn)變壓器高、中、低壓所有出線暫態(tài)行波信號的檢測，而且對暫態(tài)行波反映靈敏、安裝方便、簡單、適應(yīng)性廣。該方案由開口式專用行波傳感器、高頻屏蔽電纜、行波波頭檢測單元、行波時間記錄單元等組成。套接在變壓器的外殼接地線上的開口式專用行波傳感器把行波波頭準確、無延時地變換成幅值在2V~12V之間、頻率在100kHZ~2MHZ之間的高頻暫態(tài)行波信號，并從二次側(cè)經(jīng)高頻屏蔽電纜送至行波波頭檢測單元的輸入端；行波波頭檢測單元對輸入信號進行突變信號檢測，以輸入信號的變化率、上升或下降時間和波頭的幅值進行行波波頭辨識，當(dāng)行波信號的變化率電平大于0.3V、上升或下降時間小于10μs、行波波頭的幅值大于2V時，行波波頭檢測單元通過電路處理產(chǎn)生幅值為5V、持續(xù)時間寬度為5μs的方波信號，并通過高速光電隔離后送至行波時間記錄單元；行波時間記錄單元采用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA實現(xiàn)，將輸入的方波信號進行濾波處理后，用標(biāo)準GPS秒脈沖信號同步100MHZ高精度恒溫晶振信號，在輸入信號到達時刻鎖存GPS同步時間數(shù)據(jù)，同時記錄行波通道號和行波極性，并將鎖存的時間信息、行波通道號和行波極性打包形成行波信息進行存儲，完成暫態(tài)行波信號的檢測和時間記錄功能。開口式專用行波傳感器由對稱的兩個半環(huán)形高頻磁性材料組成，每部分雙層繞制10匝線圈，兩個半環(huán)形高頻磁性材料鐵心體由螺栓固定在一起。開口式專用行波傳感器能抑制高頻信號，只傳輸100kHz~2MHz之間的高頻突變信號。開口式專用行波傳感器套接在變壓器外殼接地線上，利用開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，該信號經(jīng)行波波頭檢測單元判斷為故障行波信號，啟動行波時間記錄單元記錄行波信號到達的精確時間和極性。由此可見，該電網(wǎng)故障暫態(tài)行波信號檢測方法能可靠準確檢測電網(wǎng)故障暫態(tài)行波信號，可廣泛應(yīng)用于輸電線路故障行波保護與定位，具有廣闊應(yīng)用前景。2.高精度GPS同步時鐘課題組研究了高精度GPS同步時鐘。GPS接收機輸出的秒脈沖信號存在較大的隨機誤差，但不存在累計誤差。晶振時鐘信號的隨機誤差較小，但存在較大的累計誤差。根據(jù)GPS時鐘信號與晶振時鐘信號精度互補的特點，完善晶振信號同步GPS信號的一元二次回歸數(shù)學(xué)模型，估計出GPS時鐘隨機誤差的統(tǒng)計方差和晶振的累計誤差；對晶振時鐘進行實時修正，產(chǎn)生高精度時鐘，并預(yù)測了修正后的時鐘精度。采用了高精度晶振與GPS時鐘精度互補特點，對GPS時鐘誤差進行了在線修正，確保時鐘誤差小于100ns。GPS時鐘單元對行波波頭到達的最初時刻進行快速記錄。為了簡化裝置結(jié)構(gòu)，提高抗干擾能力，使用1片F(xiàn)PGA來完成高精度時鐘信號的產(chǎn)生和故障行波波頭信號到達時間的記錄。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特的嵌入式陣列結(jié)構(gòu)相結(jié)合，同時也結(jié)合了眾多可編程器件的優(yōu)點來完成普通門陣列的宏功能。行波到達時刻的記錄過程由硬件在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，記錄行波到達時間的電網(wǎng)故障行波定位裝置。它對故障反映靈敏、結(jié)構(gòu)簡單、時間記錄準確、運行可靠，而且該開口式專用行波傳感器可實現(xiàn)對變壓器高、中、低壓所有出線的暫態(tài)信號檢測。該裝置包括以下幾個部分：1)開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；2)行波波頭檢測板，用于進行暫態(tài)行波信號的檢測，開口式專用行波傳感器提取的信號經(jīng)高通濾波濾除工頻等低頻信號，然后測量、比較輸入信號的變化陡度和大小，滿足條件的即為暫態(tài)行波信號，再把行波波頭信號變成具有一定幅值、一定寬度的方波信號；3)GPS時鐘板，在線修正GPS秒時鐘信號，用于給行波時間記錄板提供標(biāo)準GPS秒脈沖信號；4)行波時間記錄板，結(jié)合標(biāo)準GPS秒脈沖信號和高精度晶振信號記錄行波波頭的到達時間，同時記錄行波通道號和行波極性信號并打包形成行波信息進行存儲；5)中央處理單元板，讀取行波時間記錄板記錄的行波信息并進行規(guī)約轉(zhuǎn)換形成行波數(shù)據(jù)，并將行波數(shù)據(jù)送到定位計算機。定位計算機根據(jù)行波數(shù)據(jù)進行故障定位計算。該電網(wǎng)故障行波定位裝置，采用獨特的暫態(tài)行波信號提取方法，使用一個開口式行波傳感器便可實現(xiàn)變壓器高、中、低壓所有出線暫態(tài)行波信號的檢測；并利用硬件直接記錄行波到達時間，大大簡化了判斷行波的有無和記錄行波到達時間的軟硬件設(shè)計、避免了A/D采樣誤差和軟件分析誤差；結(jié)合GPS時鐘校對高精度恒溫晶振，輸出高精度GPS同步時鐘信號，使行波時間記錄的時間誤差不超過100ns，大大提高了行波到達時間紀錄的準確性。被測線路發(fā)生故障后，故障產(chǎn)生的故障行波從故障點沿線路向線路兩端傳播，分別到達線路兩端變電站。開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，與一次系統(tǒng)無直接的電聯(lián)系，開口式專用行波傳感器的輸出信號幅值在+2V~+12V之間，送入行波波頭檢測板。行波波頭檢測板對輸入信號進行突變信號檢測，由行波的變化率、上升或下降時間和波頭幅值進行行波波頭辨識。當(dāng)暫態(tài)行波信號的變化率、上升或下降時間和波頭的幅值滿足要求時，行波波頭檢測板通過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，并通過高速光電隔離后送至行波時間記錄板。GPS時鐘板對GPS接收機接收的GPS信號進行處理產(chǎn)生高精度的標(biāo)準秒脈沖信號：當(dāng)GPS信號接收正常時，直接由GPS接收機提供標(biāo)準秒脈沖信號；當(dāng)GPS接收機運行異常或丟星時，由CPLD結(jié)合100M高精度恒溫晶振產(chǎn)生標(biāo)準秒脈沖信號；標(biāo)準秒脈沖信號經(jīng)過光電隔離后，送至行波時間記錄板。行波時間記錄板將輸入的行波和行波極性信號通過濾波電路后，用標(biāo)準秒脈沖信號同步100MHz高精度恒溫晶振信號，在輸入信號到達時刻將時間鎖存，同時記錄行波通道號和行波極性，并將鎖存的時間信息、行波通道號和行波極性打包形成行波信息進行存儲。中央處理單元板讀取存儲在行波時間記錄板中的行波信息，進行規(guī)約轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生行波數(shù)據(jù)，并將行波數(shù)據(jù)發(fā)送至定位計算機，定位計算機根據(jù)故障線路兩端的行波到達時間進行故障定位計算。該電網(wǎng)故障行波定位裝置已經(jīng)在220kV輸電網(wǎng)上運行一年，運行結(jié)果顯示線路故障時的故障點定位誤差小于150米，具有較高的定位準確度。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。通過對電網(wǎng)中各行波到達時刻進行過濾、匹配，結(jié)合初始行波傳輸路徑實現(xiàn)全網(wǎng)綜合定位，可靠性高，容錯性強，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某一臺定位裝置故障、啟動失靈或時間記錄錯誤后仍能進行精確定位。為了更方便地分析故障行波在整個電網(wǎng)中的傳輸過程，從圖論的角度，將電力系統(tǒng)看作一個由n個頂點和b條邊構(gòu)成的圖G=(V，E)，其中V表示圖的頂點集合，E表示圖的邊的集合，分別對應(yīng)于電力系統(tǒng)中母線（變電站）和支路的集合。對網(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)拓撲圖中，邊的權(quán)值代表輸電線路的長度。對任意一條邊(vi，vj)∈E，如果邊(vi，vj)端點無序，則稱其為無向邊，此時圖G為無向圖。對于輸電線路而言，因Lij=Lji，L為線路長度，故電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖是典型的無向圖。當(dāng)故障發(fā)生后，故障行波由故障點向電網(wǎng)中傳播，初始行波的到達時刻對應(yīng)初始行波傳輸?shù)淖疃搪窂?。因此，可以通過分析電網(wǎng)中各個變電站之間輸電線路的最短距離對包含有環(huán)網(wǎng)的系統(tǒng)進行簡化，得到解網(wǎng)后的輻射型網(wǎng)絡(luò)，從而消除其對初始行波傳輸路徑識別的影響。本作品采用Floyd算法計算網(wǎng)絡(luò)中任意兩點的最短路徑。5．相角測量輔助功能故障電壓裝置設(shè)計為9路脈沖信號輸入，當(dāng)脈沖信號到達時，鎖存脈沖到達時間，用于故障定位。為實現(xiàn)功角測量，對三相電壓信號進行低通濾波，消除諧波信號