基于同步相量的電力故障錄波監測系統

魯 文，劉明祥，孫國城

(國網電力科學研究院，江蘇南京210003)

數據的數學模型，從而形成了Prony算法[7]。Prony算法是一種能夠根據采樣值直接估算出信號頻率、衰減、幅值和初相位的分析方法。

方法所采用的數學模型為一組P個具有任意幅值、相位、頻率與衰減因子的指數函數，其離散時間的函數形式見式(1)：

fm(n)為第m個信號的第n+1個采樣點。由于加入了更多的方程，此方程組變成超定方程組，求解方法同樣采用最小二乘法。

定義：

我國將逐年實現全國聯網，電力系統會越來越復雜。在緊密相連的互聯電力系統中，一個局部故障能迅速向全系統傳播，會導致大面積停電[1]。目前的故障錄波裝置僅記錄的原始波形的快速動態數據量，不能全天候保存穩態數據，只能記錄故障前后幾秒的原始數據，有時無法捕捉電網的低頻振蕩，對于電網中許多系統類型的故障不足以進行分析，對于互聯系統下的大范圍、長過程的故障分析更是無能為力[2]。不同變電站的錄波數據沒有可比性和同步性，無法為故障后的穩定分析提供可靠的數據來源[3]。為此，基于同步相量測量平臺，利用同步時鐘信號、高速DSP數字信號處理技術和嵌入式實時操作系統，研制出DPR-2E型電力故障錄波監測系統，在可靠性、算法實現、通信技術上實現新的飛躍。

1系統構成

1.1系統硬件平臺

故障錄波監測系統硬件總體構成如圖1所示。系統采用全嵌入式設計方法。前置機硬件采用Motorola PowerPC，數據處理模塊采用ADI Black-Fin DSP。兩者之間采用大容量雙口RAM實現高速數據緩沖交換，數據存儲采用雙SATA硬盤備份，極大提高了錄波單元的可靠性。各智能模塊之間采用總線式接口，強弱電完全分開，大大減少外部電磁干擾在弱電側的耦合增強裝置的抗干擾能力。一體化背插式結構設計，便于擴展，每故障錄波監測單元最大可接入96路模擬量，256路開關量。高精確性、靈活接口的時鐘信號，對時誤差不超過±1μs。

1.2系統軟件平臺

圖1系統硬件總體構成

故障錄波監測系統的軟件平臺滿足系統可靠性和實時性的要求，同時考慮軟件的維護和擴展。前置機采用源碼開放的Linux嵌入式實時操作系統，數據管理單元軟件采用跨平臺設計，用于數據的冗余存儲管理和人機界面操作。Linux嵌入式實時操作系統的使用，一方面使數據管理的實時性和可靠性大大提高，另一方面可以有效防止病毒的襲擊和網絡攻擊。數據管理單元跨平臺設計滿足用戶多方面不同層次需求。

2系統的關鍵技術

2.1同步守時技術

目前的同步采樣技術大多都基于全球衛星定位系統（GPS）或“北斗”系統（RDSS）。本文以常用的GPS為例，實驗表明本系統在使用RDSS系統時同樣滿足所提性能指標。在收到同步信號時，模擬量經變換、調制后進行A／D模數轉換，模數轉換器轉換觸發信號是GPS提供、并經CPLD處理過的同步觸發脈沖，頻率為10 kHz，如圖2。該觸發脈沖作為所有裝置的A／D轉換觸發脈沖，實現所有裝置間的嚴格同步采樣，同時利用GPS給故障數據貼上精確的時間標簽，提供同步相角數據。數據處理模塊采用ADI BlackFin DSP,對全部采樣點逐點計算，大大提高了測量精度。經實際測試表明的測量精度可達到0.1%；開關量分辨率為0.1 ms；頻率的測量分辨率達到0.001Hz，由于地理位置，GPS天線安裝遮擋，天氣等因素接收的對時衛星個數不夠等原因造成GPS短時間失步，同步采樣要求在GPS在失步情況下系統仍能夠很好保證秒脈沖（1 PPS）信號的準確性。這就需要系統具有守時功能。為達到此要求，系統選用一款高精度的恒溫晶振，作為時間跟蹤源，頻率值為20 MHz，頻率精確度達到0.000 5 PPM的。在條件允許時，GPS模塊通過天線接收GPS衛星對時信號，將GPS模塊輸出的秒脈沖和恒溫晶振的輸出20 MHz脈沖信號信號送給CPLD。當秒脈沖上升沿來臨時，記下該秒脈沖的GPS時標信息，計數器對20 MHz晶振脈沖開始計數，直到下一個秒脈沖上升沿到來進行清零。當GPS失步后，秒脈沖通過恒溫晶振控制，計數器每記到20 000 000個晶振脈沖，主動發一個脈沖作為系統的秒脈沖，并將GPS時標信息增加1 s，同時計數器清零，秒脈沖及采樣脈沖時序如圖2所示。

圖2 秒脈沖及采樣脈沖時序

實驗表明系統在GPS同步鎖定情況下，1 PPS信號200 ns精度。失去GPS同步時鐘信號60 min以內相角測量誤差不大于0.2°，在GPS失步2 h內角度誤差不超過0.3°。

2.2在線低頻振蕩辨識

傳統故障錄波器通過判斷線路同一相電流在0.5 s內的變化可以部分捕捉電網的低頻振蕩。這對現代電網是遠遠不夠的，如果能夠估算出電網模擬量包含的頻率、衰減、幅值和初相位，就可以很容易判斷系統是否有明顯低頻振蕩。1795年，Prony提出了用復指數函數的一種線性組合來描述等間距采樣

數據的數學模型，從而形成了Prony算法[7]。Prony算法是一種能夠根據采樣值直接估算出信號頻率、衰減、幅值和初相位的分析方法。

方法所采用的數學模型為一組P個具有任意幅值、相位、頻率與衰減因子的指數函數，其離散時間的函數形式見式(1)：

式中：f(n)由等時間間距△t的N點組成，ci=Aiexp(jθi)，其中 Ai為信號幅值；θi為初相；Zi=exp[(αi+j2πfi)·△t]；αi為衰減因子；fi表示振蕩頻率；△t代表采樣間隔。通過一系列的數學變換，可推出：

在這里N≥2n，如果N=2n，則方程數和未知數相等，可以直接求解，如果N＞2n，則使用最小二乘法求解。多信號的Prony算法的推導過程與單信號的相同，m個信號的Prony算法的方程式變為：

fm(n)為第m個信號的第n+1個采樣點。由于加入了更多的方程，此方程組變成超定方程組，求解方法同樣采用最小二乘法。

定義：

m=1，2，…，M；i，k=0，1，…，p；由此可得 Prony 算法的法方程：

解此法方程，即可得到系數a1，a2，…，ap的估計值，進一步可求解出如下特征方程的根Z：

利用式（6）求：

求解方程并利用式(7)可算出幅值、相位、頻率和衰減因子。

2.3高精確度測距技術

2.3.1單端測距

測距是故障錄波監測系統的一個主要功能。在無法獲得對端數據的情況下，單端測距仍是故障定位的主要手段。但其精度受非周期衰減直流分量、故障點過渡電阻和對端系統阻抗以及線路分布電容等因素影響。系統中的單端測距算法采用濾除非周期衰減直流分量，考慮過渡電阻的影響，同時采用補償技術消除分布電容的影響[3]，較大地提高了單端測距的精確度。

2.3.2雙端測距

雙端測距可以根據對端數據徹底消除過渡電阻的影響。在短路故障時,下面微分方程成立：

式中：R1，L1為線路單位長度正序電阻和電感，Rg為短路的過渡電阻，if為流經過渡電阻的電流，u，i為裝置安裝處的測量電壓和電流。在單端測距的情況下，因為故障處的故障電流，if無法測知,在單端測距計算中采用積分化簡，使用故障處零序電流，假設故障處零序電流和裝置安裝處零序電流同相位，即if0=K×i0(9)

事實上它們之間存在著一定的相位差，過度電阻較大時測距精度影響較大。雙端測距把Rg×if作為一個未知量處理，利用對測數據同樣列類似式（8）的方程，消去該項。從而消除過渡電阻帶來的影響。

2.4集暫態故障錄波、穩態連續記錄和實時監測為一體

2.4.1暫態故障錄波

故障錄波監測系統可記錄系統發生大擾動前后電流、電壓、高頻、開關狀態等各輸入量的變化過程，全程采用10 kHz采樣數據記錄。雙SATA硬盤設計可以冗余備份數據，暫態故障在每個硬盤上各存儲一份，以防止某一硬盤損壞，丟失全部重要數據。

2.4.2穩態連續記錄

故障錄波監測系統穩態連續記錄支持1 kHz的采樣值24 h不間斷的連續紀錄，這使得監測系統需要記錄的數據容量猛增，硬盤存取的次數大大增多。為解決上述問題，系統采用雙SATA硬盤設計，Motorola PowerPC收集的穩態數據并不急于保存到硬盤上，而是經過約10 s時間的緩存，然后將10 s時間的穩態數據根據硬盤狀態批量寫入硬盤。正常運行情況下，數據交替寫入硬盤，時間設置在30 min。批量寫入較之隨時寫入大大提高了存儲效率，交替寫盤不至于使硬盤始終處于高速讀寫狀態，提高了硬盤使用壽命；其次，增加壓縮機制，寫入硬盤之前將數據進行有效壓縮，可大大縮短寫盤時間，同時也相對地增加了硬盤存取數據的能力。

2.5故障分析與診斷

電力故障監測系統記錄大量原始數據，把所有這些數據不加選擇地上送調度端、故障信息管理系統或SCADA系統等主站系統是對調度人員是毫無意義的，還會對系統造成沉重地負擔。從這些海量數據中提取有用信息在線上送上級調度端尤為必要。新型電力故障監測是多功能的智能化系統，不但能記錄短路故障、暫態故障，還能進行故障定位、諧波分析和電能質量分析。

以某條線路單相接地為例，接有該條線路的故障監測終端裝置會啟動錄波并發網絡命令啟動全站故障監測終端裝置，但我們沒有必要把所有的錄波數據全部上送主站系統。故障監測終端管理機收集到所有故障數據后分析出故障線路，分析出故障類型和故障位置，形成故障簡報上送，并把該線路的電壓電流量重新形成故障文件上送，該次故障的其它以備調用。新型電力故障監測系統具有強大的計算能力和通信能力，以上分析與診斷功能均可以在線實現。

2.6人機界面跨平臺技術

管理機使用跨平臺圖形界面，具備詳盡的故障分析功能如下：

(1)電壓、電流的幅值、峰值、有效值、頻率計算。

(2)有功、無功功率計算。

(3)相量、序量和諧波分析。

(4)波形疊加，差值等公式計算。

提供符合ANSI/IEEE C37.111—1999（COMTR ADE）標準格式的文件。支持遠程維護，可遠方配置，系統采用多級加密措施保證系統安全。

3低頻振蕩辨識算法驗證

3.1理想單信號分析

理想單信號為：

首先，取時間間隔為0.1 s，時間長度為20 s，共200個數據點。利用前面2.2介紹的算法辨識，表1列出了主要模式。表中最后一項是直流分量，是擬合過程中出現的，對結果影響不大。圖3是原始數據曲線和擬合數據曲線比較圖：黑色實線為原始數據曲線，紅色虛線為擬合數據曲線，兩者相差很小。

表1理想單信號的prony分析結果

圖3原始數據和擬合數據比較

3.2現場低頻振蕩分析

2006年7月1日21時，華北電網發生局部低頻振蕩，裝設在河北萬全的同步相量測量裝置捕捉到這一過程。

圖4和圖5分別是豐萬1，2回線功率振蕩曲線，裝設在河北萬全的同步相量測量裝置以10kHZ采樣頻率在0～20 s區間進行采樣，同時記錄下豐萬線的電壓電流的幅值和相角，根據裝置啟動原因記錄，這里來反向分析該過程。

圖4豐萬1功率振蕩曲線

根據記錄的數據首先去掉高頻分量，每0.01 s抽取一個數據點，時間長度為20 s，階數選為200，下表為裝置記錄的主導模式，主要有0.573 Hz,0.578 Hz,0.133 Hz,0.132 Hz,1.654 Hz,1.535 Hz,0.798 Hz,0.674 Hz 8種振蕩模式，顯然模式9和10為消除直流后在擬合過程中出現的。多信號的prony分析結果見表2。當系統功率振蕩超過穩態功率5%時，裝置啟動錄波前6種振蕩模式的振幅均超過穩態功率5%。系統啟動記錄。

圖5豐萬2功率振蕩曲線

表2多信號的prony分析結果

4結束語

（1）雙核CPU全嵌入式設計。系統采用全嵌入式設計方法，裝置采用源碼開放的Linux嵌入式實時操作系統，硬件采用Motorola PowerPC和ADI BlackFin DSP組成雙CPU系統，極大提高了錄波單元的可靠性。

（2）高精確性、靈活接口的時鐘信號。外置共享型GPS單元可以接受站內多種對時信號（如脈沖方式，接受IRIG-B同步信號等），靈活可靠。對時精度達到同步相量測量要求。

（3）集故障錄波、測距、實時監測和連續記錄為一體。暫態錄波和故障測距，金屬性短路的測距精度優于2%；記錄系統發生大擾動前后各輸入量(電流、電壓、高頻、開關狀態等)的變化過程，全程采用采樣數據記錄；穩態連續記錄支持24 h不間斷的連續紀錄，以1 kHz的采樣值記錄；電力系統實時監測，可實時顯示電壓、電流波形及系統的有功/無功功率、相角；數據存儲采用雙SATA硬盤備份。

(4）高可靠的集成化裝置設計。一體化背插式機箱結構設計，便于擴展。強弱電完全分開，大大減少外部電磁干擾在弱電側的耦合增強裝置的抗干擾能力，提高可靠性和安全性。抗干擾能力達到GB/T14598規定的嚴酷等級為Ⅳ級標準；特別設計的PCB，滿足16位分辨率的噪聲要求。

（5）支持多種通信方式。提供RS232/422/485串行通信口；提供10M/100M自適應以太網接口；支持TCP/IP協議，支持IEC 870-5-103規約；可以通過MODEM和以太網與中心站聯網，支持與綜自和監控系統聯網。

（6）失電保持功能。電源帶有儲能功能，可在失去電源下持續供電數秒，以保證全面得到暫態數據。

（7）極高的同步性。系統借鑒同步相量采樣技術，具有極高的同步性；兼容測量CT，可實現高精度相量測量；高同步性可為雙端測距提供可靠數據。

（8）改進的prony算法可準確迅速判定電力系統低頻振蕩。

（9）在線故障分析與診斷降低的網絡通訊負擔，并提供迅速快捷簡明信息。

（10）數據管理單元跨平臺設計滿足用戶多方面不同層次需求。

[1]薛禹勝．時空協調的大停電防御框架：(一)從孤立防線到綜合防御[J]．電力系統自動化，2006，30(1)：8-16．

[2]王振樹，張 波，李欣唐．新型電力故障錄波監測系統[J].電力系統自動化，2007,31(10)：92-101.

[3]羅建裕，王小英，魯庭瑞，等．基于廣域測越技術的電網實時動態監測系統應用[J]．電力系統自動化,2003，27(24)：78-80．

[4]魯 文,徐晨亮,丁孝華,等．一種考慮分布電容的模糊故障測距算法[J]．電力系統自動化，2006，30（8）．

[5]謝小榮，李紅軍，吳京濤，等．同步相量技術應用于電力系統暫態穩定性控制的可行性分析[J]．電網技術，2004，28(1)：l0-l4．

[6]牟曉勇，黃益莊，李志康，等．嵌入式雙速暫態信號同步錄波裝置[J]．電力系統自動化，2003，27(20)：92-94．

[7]Michel Meunier Fouiertrnsform Wavelets．Prony analysis：Tools for Harmonics and Quality of Power[J]．IEEE Power Delivery,1998，13(4)：11-19．