基于高速數據采集卡的輸電線路故障定位系統設計*

張運周（廣東電網公司珠海供電局，廣東珠海 519000）

基于高速數據采集卡的輸電線路故障定位系統設計*

張運周
（廣東電網公司珠海供電局，廣東珠海 519000）

為了使輸電線路在短時間內以最小的人力、物力排除故障，設計了一套基于高速數據采集卡的輸電線路單端行波在線故障定位系統。系統由高速數據采集裝置和系統分析軟件構成，可消除輸電線路隱患、縮小停電范圍、減少停電時間，提高供電可靠性。

輸電線路；數據采集卡；故障測距

0 引言

由于輸電線路環境惡劣，輸電線路出現故障不可避免。當輸電線路發生故障時，需要迅速查明故障并及時排除，因為故障排除時間的長短直接影響到送電保障和系統的安全運行。排除時間越長，停電所造成的損失越大，對整個系統穩定運行的沖擊也越大。盡快排除或處理輸電線路故障，不僅對及時修復線路和保證可靠供電至關重要，而且對電力系統的安全穩定和經濟運行都有十分重要的意義。排除或處理故障的前提是找到故障點的確切位置，很多人為或瞬時故障的事故痕跡往往在故障后消失，無法重現故障情況，因此，依靠常規巡視的方法是很難查明事故原因的，而輸電線路故障定位裝置正是電力系統自動化需求下的產物，通過它精確的定位能力，可以克服上述種種困難，實現簡易、快速的發現故障，排除故障。

行波故障測距分為時域法和頻域法，從測量端數量劃分，又可分為雙端法和單端法[1-2]。雙端行波故障測距原理簡單，投資成本大；相對于雙端法，單端行波故障測距只需要在線路一端裝設故障檢測裝置，具有較好的經濟性[3]。輸電線路單端行波在線故障定位系統，可在線準確檢測到接地、短路、斷路器等各種故障。本文設計了一套基于PCI數據采集卡的輸電線路單端行波在線故障定位系統，系統主要由高速數據采集裝置和系統分析軟件兩部分構成。

1 高速數據采集卡

輸電線路單端行波在線故障定位需要同時監視母線上的多回線路上的單端行波。行波信號通過各回線路電流互感器的二次電流信號以模擬量形式輸入，監視線路斷路器和母線斷路器狀態信號及啟動信號作為故障定位裝置的開關量輸入，上述兩種信號通過PCI高速數據采集卡輸入到工控機中。

1.1 數據采集裝置要求

（1）CT(電流互感器)可以將上兆級甚至數十兆級的高頻瞬態電流耦合到二次側；

（2）系統采用一種基于PCI總線的高速數據采集卡；

（3）每套故障定位裝置可以在線監視多回輸電線路，每塊高速采集卡監視一回線路（三相四線）；

（4）高速數據采集卡可將其直接插在計算機內的任一PCI插槽中；

（5）可在線檢測線路負荷電流；

（6）能夠檢測線路雷電流；

（7）可在線準確檢測線路單相接地故障、相間短路故障、斷路故障、瞬間故障的發生；

（8）故障檢測裝置檢測方法新穎，動作可靠、性能穩定；

（9）安裝簡單方便。

1.2 高速數據采集卡設計

為了保證行波法具有較高的定位精度并減小近區故障的“死區”，采用了基于PCI總線的高速數據采集系統。鑒于PCI總線帶寬的限制和僅需記錄故障前后數據，高速采集卡需要具備足夠大的板載緩存。在高速數據采集電路捕捉到暫態數據后，工控機讀取記錄下的故障數據，并進一步地分析處理以實現高精度故障定位。

高速采集卡有數據采集和數據傳輸兩種工作模式。高速采集卡工作在數據采集模式下，高速采集卡上的FPGA接到觸發信號后，根據設定時延繼續采集一段時間后再轉入數據傳輸模式。在數據傳輸模式下，FPGA根據觸發信號到來時刻和設定時間計算出觸發信號到達前一段時間采樣數據存放在板載RAM中的地址，并由此地址開始將數據從板載RAM通過PCI總線傳送到工控機的內存中。數據傳輸完成后，FPGA又由數據傳輸模式重新轉入數據采集模式，可以接受新的觸發信號。

單個數據采集采用邊沿正向中間觸發方式，即觸發事件位于整個采樣數據的中間某個位置，觸發事件之前M段采樣長度M_Length和觸發事件之后N段采樣長度N_Length均可通過上層應用程序調節，且滿足M_Length與N_Length之和等于整個樣本長度Sample_Length。

當用戶啟動采集時，模數轉換器ADC即刻進入實際的采樣過程，采集數據從板載RAM的物理位置開始一次寫入，寫入到Sample_Length指定的長度位置時，則返回到該位置繼續寫入，直到觸發事件發生時繼續采集N_Length長度后自動停止。

每塊高速采集卡監視一回線路，為了同時監視多回線路，需要多卡同步采樣。本方案中多卡同步采集采用共同的外觸發方式。采用共同的外觸發方式時，設置所有的參數保持一致。首先設置每塊卡的硬件參數，并且都使用外觸發（ATR或者DTR信號），連接好要采集的信號，通過ATR（需要設置觸發電平）或DTR管腳接入觸發信號，當每塊采集卡都進入等待外部觸發信號的狀態下，使用同一個外部觸發信號同時啟動A/

D轉換，達到同步采集。外觸發同步采集的連接方法如圖1所示。

圖1 外觸發同步采集的連接方法

2 系統分析軟件的要求及功能

2.1 故障數據的分析

數據分析是通過工控機的上層應用程序實現的，啟動故障定位模塊進行數據分析有兩種情況：

（1）當數據采集模塊新收到高速數據采集卡的數據時，自動將采集數據以文件形式存盤，然后啟動故障定位模塊進行數據分析；

（2）由人工操作根據數據文件索引庫將歷史數據文件導入應用程序變量中，啟動故障定位模塊進行數據分析。

通過數據分析，判定該采集數據是由干擾引起的數據上傳，還是由短路故障引起的數據上傳；再通過提取的故障信息判斷故障類型，并區分是否是被監視線路故障；確定故障線路后，還要判斷是否是區內故障，若判斷為區內故障，則選擇故障定位所需信息分量實現單端行波故障定位；最后輸出故障信號指示及報警，并將輸出定位結果統計到數據庫中，以供故障歷史查詢。

2.2 數據存儲的要求

高速數據采集卡采集的故障數據上傳到工控機的內存中后，需要從內存中取出故障數據以數據文件的形式保存到工控機的硬盤中。所有高速采集卡采集的故障數據和開關量輸入均存放到同一個數據文件中，作為該次故障的完整信息。保存數據文件時，首先保存所有回路的采集數據，然后保存開關量輸入。采集數據保存順序為：首先保存第一回線路的高速數據，然后保存第二回線路的高速數據，以此類推地保存所有回線路的高速數據。

圖2 數據文件保存順序

2.3 系統分析軟件實現的功能

（1）具有自動故障識別、輸出報警和數據文件存儲功能；

（2）具有故障自動錄波功能；

（3）可記錄線路雷電流、進行雷擊點定位和雷擊次數的統計；

（4）可實現各種故障類型分析、故障定位顯示、故障距離計算及顯示、故障行波分析；

（5）采用雙RAM記錄技術，消除暫態信號“記錄死區”，防止雷電流干擾造成漏記故障數據；

（6）測距精度不受故障電阻、線路參數不對稱、互感器誤差、線路分布電容等因素的影響；

（7）自動化程度高，自動完成故障行波數據的傳輸、存儲、分析、處理等；

（8）后臺分析軟件用于完成系統設置、統計查詢、信息顯示、數據采集和分析、系統幫助等；

（9）數據保存可以區別到秒，能夠滿足系統要求；

（10）不同時刻故障數據文件的命名具有唯一性，采用日期時間（精確到秒）的方式；

（11）通過導入數據文件可以自動給出定位結果并導入統計數據庫，以供歷史查詢；

（12）查詢可以按照日期及時間先后順序查詢所有線路，也可以按照線路順序查詢故障日期及時間；

（13）可在當地或通過通信網對系統進行配置、管理及維護；

（14）具有不依賴線路對端信息、無需兩端通信、便于變電站集中管理、使用方便的優點。

3 系統總體結構和實施情況

3.1 系統總體結構

對多個回線路進行故障監測的系統采取了如圖3的結構形式，其中GPS為故障定位裝置提供高精度統一授時。

圖3 故障定位系統總體結構

3.2 故障定位系統在輸電線路中的安裝注意事項

（1）對于任意一回輸電線路，至少有一端安裝故障定位裝置以定位該回輸電線路上的故障；

（2）盡量在進出線較多的變電站安裝故障定位裝置；

（3）對于進出線回數較少的情況，可以考慮分配給對端的故障定位裝置；

（4）對于“T”節點線路，把“T”節點視為母線，將線路拓撲結構轉化為沒有“T”節點的情況，在與“T”節點相連的三個支路母線處分別安裝故障定位裝置，如圖4所示。

圖4 “T”節點線路上單端故障定位裝置的安裝

3.3 系統達到的技術指標

（1）使用范圍：10 kV及以上輸電線路；

（2）測量線路長度：300 km；

（3）測量線路數：1～8條（可擴展至16條）；

（4）故障定位誤差：＜25 m；

（5）一個故障定位時間：0.01 s；

（6）4通道單端模擬輸入方式（各通道完全獨立同步采樣）；

（7）模擬量輸入量程：±5 V；

（8）A/D轉換精度：12位；

（9）采樣率：最高40MSPS（同步可調）；

（10）每通道512K字（點）RAM存儲器；

（11）數據讀取方式：DMA方式；

（12）保存文件的類型：txt類型。

4 結論

設計了一套基于工控機PCI數據采集卡的輸電線路單端行波在線故障定位系統。運用此裝置，可以在短時間內以最小的人力、物力，排除故障，消除隱患、縮小停電范圍、減少停電時間，提高供電可靠性。同時大大減少故障巡線人員，提高工作效率。對于確保整個電網的安全穩定運行，減少因輸電線路故障帶來的經濟損失，有顯著的社會效益和經濟效益。

［1］季濤.中性點非有效接地系統行波故障測距技術［M］.北京：北京理工大學出版社，2008.

［2］鄔林勇，何正友，錢清泉.單端行波故障測距的頻域方法［J］.中國電機工程學報，2008，28（25）：99-104.

［3］葛耀中.新型繼電保護與故障測距原理與技術［M］.西安：西安交通大學出版社，1996.

Design of Transmission Line Fault Location System Based on High Speed Data Acquisition Card

ZHANG Yun-zhou
（Zhuhai Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Corporation，Zhuhai 519000，China）

In order to make the transmission line in a short time with minimal manpower，troubleshooting，design a set of transmission lines fault location system based on high speed data acquisition card with single terminal traveling wave.The system is composed of high speed data acquisition device and system analysis software.The system can eliminate the hidden trouble，reduce the power outage，reduce outage time，improve the reliability of power supply.

transmission line；data acquisition card；fault location

TP277

A

1009－9492(2014)05－0140－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.035

張運周，男，1973年生，廣東河源人，大學專科，工程師。研究領域：高壓輸電線路運行維護，輸電工程，輸電線路防雷、防污等。已發表論文6篇。

(編輯：向 飛)

*廣東省電網公司科研項目（編號：K-GD2012-128）

2013－11－28