输电网故障行波定位系统技术说明书.doc

WGXD2007输电网故障行波定位系统技术说明书二七年一、概述高压输电线路输送距离长，暴露在旷野，且多为山区丘陵地形，易发生故障。故障点的快速、精确定位，一直是电力部门尚未解决的难题，对电力系统的安全运行构成较大威胁，也给线路运行维护人员带来了繁重的负担。本产品在前期研究并获3项发明专利的电压行波故障定位方法、专用行波传感器和高精度GPS同步时钟的基础上，研究开发了一种原创性的具有广泛应用前景的高精度电网故障定位技术。该技术通过检测由故障点产生沿输电线路以接近光速的速度传输到电网中各变电站的暂态行波信号，记录故障行波到达各变电站测量点的GPS同步时钟精确时间值，由故障线路两侧变电站测量到的GPS时间差计算故障点精确位置。故障行波定位系统由各变电站的故障行波采样单元通过通讯网络与安装在调度的故障定位主机相连组成，实现对整个电网各种故障的精确定位，且可以用于电网相角测量。具体实现时，装置通过电压互感器和电流互感器直接提取故障行波波头，启动记录行波波头到达的GPS时间并传输到安装在调度中心的故障行波定位主机，根据输电线路两端测量的故障行波到达时间差计算故障点位置。并把故障数据信息通过Web服务器发送到各故障线路两侧变电站的主管电业局，便于电业局迅速进行故障处理。二、产品的主要特点 改变传统按输电线路进行故障定位方式，两个故障行波定位屏完成单条输电线路故障定位；该系统按电网进行故障定位，在每个变电站仅需安装一套行波采集装置，便可实现整个电网的故障定位； 行波定位装置分别从电压互感器、电流互感器和专用行波传感器提取故障行波波头，造价低，安装简单，满足电力系统安全运行要求； 采用高精度晶振同步GPS时钟，产生高精度时间同步信号，能有效消除S.A.干扰，在卫星正常接受条件下时间误差不高于0.1S，卫星失步一小时的条件下时间误差不高于1S； 故障定位精度高，现场试验测试表明：定位误差小于150米； 定位装置具有较高的运行可靠性，能够满足对雷击闪络、断线、碰线、污闪等各种类型故障的准确定位，尤其适用于高阻接地故障的定位； 软件采用Windows操作平台，基于C+Builder5开发，采用图形界面，运行稳定、升级方便、操作简单，可与变电站综合自动化系统及调度中心通讯； 具有完整的软硬件自检功能，设有掉电保护，抗干扰能力强。三、故障行波定位基本原理目前电力系统普遍采用的故障后工频或谐波分量进行输电线路故障定位，该定位方法的精度和可靠性通常有依赖于线路电压电流测量精度和系统参数整定准确度；定位结果与变电站CT、PT参数、线路参数及系统参数密切相关；各个环节的误差都会影响定位结果。在实验条件下，不考虑各种测量误差和整定误差，定位误差可以小于线路全长的1%。而在实际现场运行中，尤其在高阻故障及瞬态碰线故障中，定位误差远大于此值，甚至超过线路全长的50%，对于远距离输电线路误差有时大于50kM。为提高故障定位的精度和可靠性差，国内外采用故障行波进行定位，行波定位方法不受系统参数影响、定位精度和定位可靠性高。故障行波定位原理如下图所示，输电线路mn在F点发生故障，故障点产生的暂态行波以接近光速的速度n向输电线路两端传播，并在波阻抗不连续的地方（如：母线和故障点）发生反射和折射。若行波第一次到达m、n端的时间和能准确测量，则可以计算故障点距m端的距离为(为线路全长)：DmF =A输电线路故障B故障行波的传输图在互连的电力系统中，只需在每个变电站安装一套故障行波采集装置，记录任一输电线路故障产生的行波到达每个变电站的精确时间，由故障线路两端各任一变电站所记录的行波到达时间就可以实现故障点位置的精确计算，完成整个电网故障定位。故障定位网络四、输电网故障GPS行波定位系统介绍1 故障行波定位系统组成如下图所示，由前置模块、GPS时钟模块和行波到达时刻记录回路（行波采样单元）构成故障行波采集装置，通过通讯网络与安装在调度的故障定位主机相连，组成故障定位系统。各变电站故障行波采集装置检测由故障点产生并传输到该变电站的故障行波，记录行波波头到达的GPS高精度同步时钟时间；故障定位主机对电网中各变电站记录时间数据进行配对，剔除干扰信号影响，可靠提取故障行波波头到达各变电站的正确时间；线路故障跳闸后，由行波波头到达故障线路两侧变电站的高精度时间差及行波传播速度精确计算故障点位置。故障行波定位网络故障行波定位通讯网络为一个主站多个从站的模式，可以选择采用GPRS、光纤、载波或电话线等通讯方式。其中GPRS 是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称，为GSM 用户提供分组形式的数据业务；GPRS已在工业控制、环境保护、道路交通、商务金融、移动办公、零售服务等行业中的应用具有无可比拟的性价比优势，且具有高速的数据传输和永远在线特点，适合应用于故障行波定位网络。由于电网中行波信号很少出现，为了实时检测故障定位系统是否正常运行，上图中设计了一方波化电路对电压波形进行方波化，实时测量三相电压波形过零点绝对时间，计算输电线路首末端电压波形过零时间的相位差，实现输电线路功角测量。因此该电网故障行波定位系统同时可以实现高精度的相角测量。2. 故障行波定位系统输入输出要求1) 安装穿芯式行波传感器，输入三相故障行波信号：l 4个穿芯式行波传感器分别安装在：CVT A相地线、CVT C相地线、电容式CT B相末屏地线、变压器 B相末屏地线；l 穿芯式行波传感器与一次系统无直接的电联系，负载容量很小，可以忽略；2) 输入三相电压互感器副边信号（57.7V）和电流互感器副边信号（5A），负载小于0.1VA，用于三相故障行波信号检测；3) CVT开口三角出口安装分压式行波传感器，输入零序电压行波信号，负载小于0.1VA；4) 输入CVT A相副边信号（57.7V），负载小于0.1VA，用于实时相角测量；5) 输入三相断路器动作信号，采用空节点形式输入，用于启动显示故障定位结果；6) 输出故障定位结果、装置异常信号和相关历史记录；并通过Web服务器，实现远方对装置的实时监测和控制；7) 电源 故障行波采集装置组屏安装在控制室，由20W的交流电源供电； 安装在调度中心的故障行波定位屏由220V 250W 的交流电源供电。8) GPS 天线，20米长，要求安装在开阔的地方。3. 行波传感器现场安装图行波传感器现场安装图 行波传感器安装尺寸安装要求（a）行波传感器的安装行波传感器为一圆筒，外径150mm、内孔直径40mm、高120mm、底部四个安装孔的直径均为6mm，安装在水泥柱或专用支架上。 CVT接地线、电容式CT套管的接地线或变压器套管的接地线从内孔中穿过。传感器输出信号引入故障行波采集装置。（b） 行波定位主机的安装故障行波定位主机组屏安装在变电站控制室内。（C）故障行波采集装置的安装故障行波采集装置组屏安装在变电站控制室内。4输电网故障GPS行波定位屏结构故障行波采集装置、故障定位主机和打印机安装在一个标准屏内，结构如上图所示：5. 故障行波采集装置结构及接线故障行波采集装置的背板结构和接线下图所示： 故障行波采集装置背视图上图中，故障行波采集装置由6部分组成：电源板、开入板、行波板、CPU板、电压电流板和时钟板。各板的外部接线如下：1) 电源板接220V交流电（UPS）或直流电源；2) 开入板接断路器常开触点，YX0-YX19为信号输入端，COM为公共端；3) 行波板可接4路行波传感器信号、2路3U0信号和1路功角信号；4) CPU板通过232串口或GPRS（可选）与行波定位计算机通讯；5) 电压电流板接互感器的输入信号，可接2路电压互感器信号和2路电流互感器信号（可调）；6) 时钟板接GPS天线信号，并可通过232串口进行GPS校时。6. 故障行波采集单元机箱外壳尺寸正面图底面图五、故障行波定位主机软件介绍1、主要功能l 故障定位功能：将故障信息（故障地点、故障距离、故障发生时间等）很直观的用图形表示出来；l 相角测量功能：将电网中各变电站的相角差用图形实时显示在故障定位主机上，并绘制相角变化曲线；l 通讯功能：与安装在各变电站的故障行波采样单元进行通讯，收集故障行波到达各变电站的精确时间，并把故障定位结果和实时相角通过Web服务器在电力系统内部网络上发布；l 数据录入功能：用户根据需要和实际情况可方便的录入变电站信息、线路信息、杆塔信息等；l 查询统计功能：所有数据库信息，用户可根据实际情况定义查询条件进行查询，并可统计故障信息。2、运行环境、安装和数据备份(a) 系统的运行环境该系统可在Win9X、Win2000或WinXP下运行，要求计算机的基本配置为： CPU 奔腾300以上 内存64M以上 显示器彩色显示器 显示卡支持真彩色 硬盘6G以上可用空间(b) 系统安装将1#安装盘（光盘）放入软盘驱动器（光驱），运行Setup.exe，选择安装路径。(c) 数据备份本系统的数据放在系统当前目录下的data文件夹下。系统升级时，为防止意外，请先备份data数据库数据。升级完成后，原数据可用。3、状态指示灯 为了便于观察行波定位装置的工作状态，本装置的时钟板和CPU板分别设置指示灯：CPU板共有自检(黄色)、通讯(绿色)、状态(红色)三个指示灯; 时钟板共有自检(黄色)、通讯(绿色)、状态(红色)、GPS(蓝色)四个指示灯。不同的灯闪烁代表不同的状态，系统工作指示灯状态说明如下：时钟CPU指示自检通讯状态GPS自检通讯状态设备启动先全亮，再全灭，然后依次从左到右时钟、CPU同时点亮指示灯，再全灭。搜索卫星灭闪灭闪灭闪灭待机状态灭闪（每秒）灭亮灭闪（每秒）灭传输数据灭闪灭亮或闪灭闪闪其他状态1.当GPS搜索到三颗及以上卫星时，“GPS”灯会一直亮，且CPU与时钟“通讯”灯会每秒同步地闪。2.当有行波故障量传输数据时，CPU的“状态”灯会闪。3.当GPS的没有搜到至少三颗卫星时，CPU与时钟“通讯”灯之间每秒同步闪烁，并且“GPS”灯会以隔两秒同步地闪烁，；或者CPU与时钟“通讯”灯之间闪烁反相，表明正在寻找卫星，调整状态。4.其他状态下，表示定位装置运行不正常。六、几种输电线路故障定位产品比较GPS故障行波定位技术已在国外超高压电网中得到推广应用。如加拿大B.C Hydro 的500kV输电网在安装了故障行波定位系统，由14个500kV变电站的行波检测装置及上层软件组成，能准确检测5300公里线路上的各种故障。几年的运行经验表明：该系统具有很高的故障定位精度，能可靠地对各种故障进行检测，例如：相-相碰线故障、导线积雪导致的一相导线高阻接地故障（接地电流仅650A）、鸟粪引起的污闪事故、雷击引起的瞬时接地及绝缘子的损环等，定位精度已达到或超过300m。但该系统中的行波传感器为一小电抗器，串联在电容式电压互感器（CVT）的地线上，用来提取电压行波信号。故该行波传感器的安装需要对一次系统接线进行改动，不符合我国电力系统运行规程，很难在我国推广应用。HP公司的产品属于该类型。目前生产故障行波定位装置的厂家仅有电科院（WFL2010输电线路故障行波测距装置）和山东淄博科汇公司（XC-2000输电线路故障行波测距系统）。由于电压行波测量困难，国内一般仅采用电流行波进行故障定位，采用小波分析方法直接从电流互感器二次侧提取电流行波波头的突变信号。该定位方法需要具有海量数据存储的高速数据采集系统和能进行复杂小波分析的高性能计算机系统。受高速采集系统及高性能计算机系统的限制，现有的电流行波定位装置结构复杂、造价高，并易受各种暂态干扰信号的影响，运行可靠性较低。长沙理工大学在华中科技大学研究的基础上开发了故障行波定位产品，采用专门研制的行波传感器提取故障电压行波波头，同时检测电压互感器和电流互感器的故障行波波头，然后用硬件对行波波头进行前置处理、记录行波波头的到达时间和行波极性，被测信号几乎不受限制，不会饱和，可以测量上升时间为纳秒级的电流，从而降低故障定位装置成本，提高装置运行的可靠性。且在每个变电站安装一套故障行波采集装置，即可对接在变电站的每个线路进行测距。故障行波定位产品比较 长沙理工大学产品科汇产品电科院产品国外HP公司产品原理采用电压行波进行故障定位采用电流行波进行故障定位采用电流行波进行故障定位采用电压行波进行故障定位功能故障定位和相角测量故障定位故障定位故障定位；精度故障定位误差小于150m；相角测量误差小于1分故障定位误差小于500m故障定位误差小于500m故障定位误差小于300m；安装要求一个变电站仅需安装一套设备，对所有出线 进行故障定位一套设备对一条或几条出线进行故障定位一套设备对一条或几条出线进行故障定位一个变电站仅需安装一套设备，对所有出线进行故障定位信号采集方式使用专门研制的传感器提取行波信号；同时采集CT、PT二次信号；采用硬件直接记录行波波头到达时间高速数据采集CT二次信号，记录并缓存行波数据高速数据采集CT二次信号，记录并缓存行波数据在CVT地线上安装一小电抗器，硬件提取行波信号；电抗器的安装影响电力系统运行，难以被电力公司接受造价很低高高低GPS同步时钟GPS时钟误差小于100ns; 对GPS时钟进行监测与修正，在失去GPS时钟信号条件下运行1天误差小于5msGPS时钟误差小于1ms; 没有对GPS时钟进行监测与修正，在失去GPS时钟信号条件下不