輸電線路故障錄波與定位技術研究

（國網吉林省電力有限公司遼源供電公司，吉林 遼源 136200）

0 引言

輸電線路中很多故障錄波設備只顯示故障信息，隱藏了很多故障信息的價值，導致其不能科學利用，嚴重浪費了信息資源。如借助故障錄波數據準確定位輸電線路故障，將提高故障錄波設備的應用水平，有利于迅速排查故障，保證設備檢修質量，避免發生大規模停電事故，增強了電網感知故障的能力。

1 故障錄波監測系統設計

1.1 硬件平臺設計

采用先進的計算機與電子技術設計硬件，使裝置更具電磁兼容性，提高了其抗干擾能力。以后拔插式設計機械結構，便于日常維護。

1.1.1 硬件平臺的結構體系

電力系統故障具有發展特點，系提供準確的數據記錄，在廣域范圍內對電力系統的動態和穩定情況統一分析，要求錄波監測系統具備高速采集、大容量存儲、同步采樣等功能，且提供強大的硬件支持平臺。普通的錄波裝置難以滿足技術要求，可嘗試采取全嵌入式、多層次的硬件模塊化平臺。

1.1.2 硬件平臺工作流程

在Copact Flash 卡內存儲故障數據，同時傳輸至嵌入式管理模塊，系統處理、傳輸數據。

1.1.3 硬件平臺功能模塊

硬件平臺的功能模塊彼此獨立，以總線式接口完成連接，提升了數據的吞吐能力。

（1）嵌入式數據管理模塊。裝置利用嵌入式和模塊化，其特點是體積小、容易開發等。該模塊收集了ARM管理模塊數據，科學處理、顯示和輸出了記錄數據，為聯網通信接口提供了不同的運行方式。

（2）智能模擬量采集模塊。包括低通濾波電路、高精度A/D 和32位DSP 等。該模塊對信號同步采集，采取實時手段監測電氣量，對采集的數據預處理，合理計算工頻的有效值和序分量等。數據源由故障預穩態數據構成，利用雙口RAM 向管理單元傳遞數據。在第一通道實現方波整形，這一資源是測頻與跟蹤頻率的基礎。

（3）智能開關量采集模塊，包括光電隔離電路、32位DSP 和雙口RAM 等。開關量信號要想進入緩沖電路，需利用光電隔離的方式。以實時方法控制采樣脈沖操作，獲取多通道的開關數據，客觀評估變位特征，利用雙口RAM 向管理單元傳遞數據。

（4）GPS 同步時鐘模塊。其采取全球定位系統，保證了時鐘的精確性，獲得采樣同步時鐘脈沖。

（5）ARM 數據管理模塊。它有效聯系了智能采集模塊和ETX 管理模塊，彰顯了自身的特殊功能。該模塊主要獲取智能數據，達到啟動判斷的目標，在NVRAM存儲故障數據，與嵌入式數據管理模塊互動，以便對數據高速交換。模塊的設計初衷是妥善保存失電電源的瞬間數據。連接采集板和總線，向硬盤實時存儲數據，基于硬盤形成緩沖操作，隨之引起瞬間失電問題，如此容易損壞數據文件。同時，由于出現了較高的采集頻率，以及存在大規模數據量等問題，管理模塊對判據啟動作業時，必然侵占系統內部資源，干擾了通信的響應速率。而利用ARM 管理模塊，可以較好保存失電瞬間數據，提高通信速度。

1.2 軟件平臺設計

1.2.1 OSII 操作系統

該系統不只有良好的可移植性，還能固化、裁剪等，其最明顯的特征是操作穩定和可靠。OSII 是操作平臺整體運行不可或缺的部分，是各個裝置安全運行的保障。

1.2.2 QNX 操作系統

當前，錄波裝置的數據管理平臺很多都使用Microsoft Windows 操作系統，在錄波裝置聯網技術發展過程中，這一系統也帶來了很多安全隱患，直接降低了裝置的可靠性。此外，Windows 屬于商業操作系統，無法在工業中較好應用。這個情況下，錄波裝置的軟件平臺選擇嵌入式實時操作系統QNX，科學管理磁盤與數據通信功能，憑借QNX 保證實時管理數據的效率，避免病毒攻擊網絡。

QNX 實時操作系統借任務通信建立完整的系統。QNX 操作系統可對圖形用戶界面操作，只要對其運行，便可得到圖形用戶界面，無須編寫程序。

2 故障錄波監測關鍵技術

2.1 嵌入式一體化工業級設計

嵌入式設計對裝置的各個功能模塊綜合設計，達到了一體化運行的目標。將各種功能模塊分別置于機箱內，各模塊利用總線技術交換數據，避免過度消耗數據通信資源。普通的嵌入式設計相對簡單，主要采取單、雙CPU 結構，但本文利用了多CPU 并行技術，集合8 個CPU 并行工作，有效整合了采集、存儲、顯示數據等功能。基于DSP 的物理結構和并行指令高效處理數據，提高了運算速度，故而該裝置的實時性良好系統管理模塊使用32位嵌入式微處理器，處理、存儲和管理數據的能力更強，其系列產品與用戶PCB 載板結合使用，設計人員將ETX 模塊作為一個功能特殊的芯片。ETX 是一種嵌入式工業主板標準，其有靈活的結構，容易擴展，高度契合了裁剪思想，應用ETX 節省了產品的設計時間。

2.2 頻率自動跟蹤和同步相量測量

2.2.1 頻率同步

CPLD 與高精度晶振科學連接，借低通濾波器對模擬信號實現濾波操作，接入CPLD 后，利用周期計數器記錄晶振在上沿產生的震蕩次數。上升沿對周期脈沖信號有效觸發，CPLD 根據周期采樣數量計算采樣脈沖間隔。CPLD 的采樣脈沖發生裝置觸發了某一周期的采樣脈沖信號，使每周期的首個采樣脈沖信號與周期脈沖信號同步。該方法用于跟蹤軟件，通過每秒2.08Hz 計算變化率，在兩個周期內移動頻率0.0832%，基于實際情況分析，電力系統處于穩態時，臨近兩個周期難以產生巨大的變化規律，無須考慮變化造成的誤差。

2.2.2 時間同步

標準時間信息包括秒數和微秒數。UTC 信息借助RS485串口對CPLD 實現輸入，且對串行數據轉換獲得8位并行數據，輸送與讀取DSP，DSP 讀取和處理UTC信息，進一步得到基準時間。DSP 根據獲取的時間信息調整SOC。對CPLD 內定時器科學應用，安裝微妙計數器，每次PPS 來時，恢復微妙計數器。通過CPLD 處理由采樣脈沖和微秒累計值，避免CPU 定時器、串口等浪費資源，減輕了CPU 壓力，提高了時間的精度。

2.2.3 模擬通道誤差矢量校正

（1）通道變比校正。故障錄波系統除了采取PT、CT 通道外，還包括電阻、電感、電容等，在測量范圍內這部分元件屬于線性元件。并聯裝置的電壓通道，串聯電流通道，相位接通相同的交流電壓和電流，若改變電壓與電流信號的輸入值，則獲取m 組采樣數據與輸入數據。在具體應用中，為了精確呈現通道變化特征，以不同參數的線性函數對不同區域的變比進行標記。若輸入某區域的電流或電壓數值偏小，則通道的輸入輸出關系表示為y=k1x+y01，若輸入某區域的電壓或電流數值偏大，則通道的輸入輸出關系表示為y=k2x+y01。

（2）通道相位校正。各個通道在大多數情況均產生了相位誤差，直接影響了故障錄波系統測距結果的準確性。同時，相位誤差干擾了有功功率、無功功率和功率因數的計算精度，故需要對通道相位誤差實現調整。計算通過相位時，注意矯正測量通道的數據，如此保證了各通道相位的統一性。

（3）測試結果。根據電壓、電流、有功與無功相位對全新故障錄波裝置實現一致性檢測。結果說明，測量值的精度極高，明顯超過了行業要求，說明有功與無功的測量存在較大誤差。

2.2.4 穩態與動態過程記錄的統一分析

（1）存儲容量。穩態與動態記錄增加了系統記錄的數據容量，例如某臺96路模擬量與224路開關量的錄波系統，如每周波記錄一次穩態數據，則一條需存儲的數據為：

500Hz×（4bytes×96個模擬量通道+7bytes 開關量數據）×3600秒×24小時≈1.6Gbytes

客觀容量的外部存儲器對應較大的存儲數據量，雖然當前硬盤的存儲容量正常，但需較長的時間存儲大量數據，還要重點解決存儲數據帶來的延遲問題。具體解決手段：硬盤避免直接保存收集管理板的穩態與動態數據，而是利用緩存，把5秒穩態與動態數據分別存入硬盤，相應提升了存儲效率；其次，加大壓縮機制，寫入硬盤前壓縮數據，節省了寫盤時間，擴大了硬盤容量。

（2）通信速度。一體化結構設計中，所有板憑借總線通信技術實現應用，提升了通信速率。

（3）存儲介質的可靠性。大規模讀寫數據，對存儲介質的應用時間造成了影響，一般硬盤的使用時間與可靠性明顯不如筆記本電腦的移動硬盤，故系統事先應用了后者，它體現出體積小、重量輕、功率低等特點。

（4）穩態和動態全過程記錄的完整性。錄波系統對穩態與動態記錄統一存儲與管理，為得到完整的數據，記錄穩態與動態數據時要高度關注暫態時段內容，其中還發現了類似于穩態和動態記錄過程的數據記錄，兩種數據存放的絕對時標位置相同，這樣便于對兩種數據系統分析。在記錄兩種數據方面，協調設計管理板和DSP系統，借啟動暫態記錄預防穩態與暫態數據記錄受到干擾，保持并行實施，同步存儲。

（5）穩態與動態全過程記錄的統一分析。穩態與動態記錄對軟件分析提出了更高的要求。傳統的故障錄波裝置只獨立記錄暫態波形，該數據一般幾秒鐘，數據量偏小，代表編程工作相對單一。但顯示分析長時間穩態和動態數據時，需要做很多編程工作。此外，為了統一分析暫態數據與穩態、動態數據，基于軟件完成了無縫嵌入暫態數據操作，使顯示與分析數據更加完整。

3 小電流接地故障選線

3.1 單相接地故障特性

小電流接地系統單相接地暫態電容電流是以下兩個電流和：

降低故障電壓，形成了放電電容電流，沿母線與故障點連接，加速衰減，電網線路的參數、故障點區位、過渡電阻數值均對振蕩頻率造成了影響。非故障電壓突然提升，引起了充電電容，以電源為核心產生了回路，減弱了衰減程度。

由上述可知，在單相接地故障暫態信號中形成了很多與小電流接地系統對應的突變點，同時明顯區別故障線和非故障線的差異。因此，根據出線數據系統了解小波變換隱藏的故障點，從而更好實現故障選線。

3.2 基于小波變換的接地故障選線

3.2.1 檢測奇異性信號

信號的奇異性一般隱藏了非常關鍵的信息，當電力系統出線故障后形成了暫態信號，突變點一般表示信號的故障暫態特點，故在分析與檢測電力系統故障時這部分奇異的信號發揮了重要作用。

設函數的小波變換為Wsf（x），基于s 尺度，若存在某一領域x0，則應滿足：

對奇異性的信號檢測時，要想降低噪聲的干擾程度，采取平滑方式處理混合噪聲的信號，之后對一階導數計算，根據異數極限值合理評價奇異點。如果小波函數屬于一階平滑函數的倒數，對信號采取小波變換方法，其與平滑處理原始信號的一階導數方法接近。故Wsf（x）獲取極值時，此處必然要獲取信號的極值，說明該點的信號形成了最強烈的變化。信號有不同的奇異性，形成不一樣的突變程度，表示在某一尺度上形成顯著的差異。

3.2.2 小電流接地故障選線算法

當小電流接地網發生單相接地故障時，增加了電網零序和負序分量的發生幾率，進一步獲取明顯的故障數據，準確判斷零序分量，將單相接地故障的特征量作為零序分量。按檢測模極大值的基本原理，發生單相接地時，通過故障線路與非故障線路的零序電流以小波變換方式進行處理，形成了區別明顯的模極大值。這一數值在故障線路與非故障線路表現出顯著特點，首先圍繞小波函數實現小波變換，小波函數在應用區域表現出差異化特點。目前小波函數憑借簡單的表達方式擴大了應用區域，樣條小波的變換信號起到了導數的功能，故采取小波不間斷檢測小波函數的奇異性與突變點信號的靈敏度極高。

二進小波以采集的回線零序電流序列實現變換，進一步得出各種尺度的小波變換序列，對任意尺度的小波變換模極大值序列逐一獲取，聯合某一尺度的小波變換模極大值信息形成一個組合信息。

其中，第1回線零序電流小波變換位于j 尺度上的k模極大值以Wjil（k）表示，n 則與這一尺度對應的極大值數據。

電力系統內的故障暫態信號通過高次諧波發生了突變，諧波含量升高，幅度也增大，信號的奇異性更為顯著，所以產生更大的小波變換模極大值。MPi（j）具體是指j 尺度在對應頻帶分布的諧波能量，而故障線與非故障線在每個尺度的頻帶內形成不同的諧波能量，故障線路的零序電流在某一頻帶內形成超過其他線路的諧波能量。由頻譜分析可知，故障線零序電流的諧波能量在第三尺度對應的頻帶內，明顯大于全部非故障線路。故將第三尺度作為故障特征，產生故障選線判據。

4 結束語

輸電線路故障定位有利于迅速發現故障點、降低停電損失、保證系統可靠運行。輸電線路一般安裝了故障錄波裝置，但其功能單一，僅是記錄和查看波形。故本文持續登記與檢測穩態與動態實時過程，進一步對范圍較大的發展性故障科學分析，保證電力系統安全運行。采取小波分析工具可以對故障實現準確定位，系統排查故障，對提高供電穩定性發揮了巨大的現實意義。