（农业电气化与自动化专业论文）铁路自闭贯通线路行波故障测距的应用研究.pdf

中国农业大学硕士学位论文附件3 摘要 铁路1 0 k v 自闭贯通线路故障迅速、准确的定位，能够提高供电可靠性，对铁路电力系统的 安全稳定和经济运行都有十分重要的作用。 本文分析了故障暂态行波的产生机理和模分鼍在时域、频域的传播特性，研究了铁路白闭 贯通线路的结构特点以及目前各种故障测距原理，提出了利用线路侧电压互感器提取暂态行波双 端故障测距的新方法，该方法能够精确地测量各种类型的故障距离。采用电磁仿真软件 a t p e m t p 针对1 0 k v 贯通线路的故障暂态行波进行了仿真试验。设计了基于全球定位系统( g p s ) 的时间同步电路，使测距系统具有) ) c 端和单端两类行波测距原理。 完成了现场人工接地试验，行波测距装置捕捉到故障产生的暂态电压行波信号及其到达线路 两端的时刻，给出了故障距离，验证了所提出的测距方法的正确性。根据试验结果讨论了实际应 用中行波测距误差产生的原因，提出了减小测距误差的措施，从而进一步提高了双端测距的精度。 关键词：自闭贯通线，行波，故障测距，全球定位系统 a b s t r a c t f a s ta n da c c u r a t ef a u l tl o c a t i o no f1 0 k vr a i l w a ya u t o m a t i cb l o c k i n g p o w e rc o n t i n u o u sl i n e sc a n e n h a n c er e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l ya n dp l a ya ni m p o r t a n tr o l et ot h es a f e t ya n de c o n o m i cr u n n i n go f r a i l w a yp o w e rs y s t e m t h eo r i g mo f t r a v e l l i n g w a v ea n di t s p r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o fm o d a lc o m p o n e n t si n t i m e - d o m a i n a n df r e q u e n c yd o m a i na r ea n a l y z e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n f i g u r a t i o no f r a i l w a y a u t o m a t i cb l o c k i n g p o w e rc o n t i n u o u sl i n e sa n dp r i n c i p l eo fv a r i o u sm e t h o d so ft r a v e l l i n gw a v ef a u l t l o c a t i o na r es t u d i e d u s i n gt r a n s i e n ts u r g e se x t r a c t e db yt r a n s f o r mv o l t a g eo nt h el i n e s ，an e wm e t h o d o fd o u b l e e n d e dp r i n e i p l eo ff a u l tl o c m i o ni sp r o p o s e d i tc a nd e t e c td i f f e r e n tk i n d so ff a u l t sc o r r e c t i y s i m u l a t i o no ft r a v e l l i n gw a v eo f1 0 k vr a i l r o a dp o w e rc o n t i n u o u sl i n e sh a dd o n eu s i n ga t p e m t p a n dt i m es y n c h r o n i z a t i o nc i r c u i tb a s e do ng p si sd e s i g n e d t h es y s t e mh a st h ep r i n c i p l eo fb o t h d o u b l e e n d e da n ds i n g l e - e n d e df a u l tl o c a t i o n a ne x p e r i m e n tc a u s e db yg r o u n d i n gf a u l ti n i t i a t e da r t i f i c i a l l yi sc a r r i e do u t t r a v e l l i n gw a v ef a u l t l o c a t o rc a p t u r e sv o l t a g es i g n a la n da r r i v i n gt i m eo ft r a v e l l i n gw a v e a n dt h ed i s t a n c eo ff a u l ti sg i v e n 。 c o r r e c t i o no ft h ep r o p o s e dm e t h o di s p r o v e d a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n tr e s u l t ，t h er e a s o n sw h i c h p r o d u c et h ee r r o r si np r a c t i c ea p p l i c a t i o na r ea n a l y z e d 。m e a s u r e so fr e d u c i n ge r r o ra r et a k e n a n d t h e r e f o r eap r e c i s ed o u b l e - e n d e df a u l tl o c a t i o ni 8r e a l i z e d k e y w o r d s ：a u t o m a t i cb l o c k i n g p o w e rc o n t i n u o u sl i n e s ，t r a v e l l i n gw a v e s ，f a u l tl o c a t i o n ，g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m i i 附件2 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：熬艇乞钗时间：。，了年石月b 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：亥圣壤乳仪 时间：) ，一j 年舌月船日 名：7 男施 时间：年( 月2 日 第一章绪论 1 1 铁路自闭贯通线路故障测距的意义 为保证列车的行车安全，铁路信号必须可靠地工作。自闭线、贯通线路是铁路信号用电的专 用供电线路，也是铁路供电系统的重要组成部分，供电可靠性要求非常高。目前，国内许多水电 段采用自闭线给信号电源供电，贯通线作为备用电源。在自闭线路上发生永久故障时，信号设备 由贯通线路供电。这时应及时排除故障，恢复正常供电，否则，将严重威胁铁路安全运行。如果 贯通线路再发生永久故障，会立即导致铁路信号供电中断，影响列车的正常运行，给国民经济带 来严重的损失。因此，实现线路故障点的快速定位，能够缩短故障修复时间，尽快恢复系统供电， 对保证铁路系统安全运行具有十分重要的作用l l - sj 。 自闭、贯通线分布范围广，沿铁路线狭长分布，供电区间线路长，每隔4 0 千米至5 0 千米为 一个供电臂垆“，有的达到8 0 千米，甚至上百千米，穿越高山、森林、河流、湖泊等复杂的地区 地形，气候条件多变，长期经受风、雨、雷电、污，雾侵害，是铁路供电系统最薄弱环节，也是 事故产生最多的地方。瞬时故障约占9 0 ，而这类故障造成的局部绝缘损伤一般没有明显的痕迹 l 3 j ，给故障查找带来极大困难。贯通、白闭线路故障的准确的定位，能够提供可靠的数据，大大 减轻了人工巡线的艰辛劳动，便于查找故障并排除故障。对于瞬时性故障来说，可以区分是雷电 过电压造成的故障，还是由于线路绝缘子老化、线路下树枝摆动造成的故障，以及时发现事故隐 患，采取有针对性的措施，避免事故再一次地发生，防止了事故的扩大。 由于接地电阻难以把握，受技术条件的制约，k 期以来，自闭、贯通线一直没有精确的故障 测距方法和成熟的测距系统，线路故障后通过配电自动化开关l 8 j ，只能分区段确定范围，在故障 范围内全线查找，效率低，可靠性差。随着铁路行车向着高速大密度的发展，对整个系统的运行 管理水平提出了更高的要求。传统的故障测距方法，已经不能满足铁路部门对行车安全的要求。 铁路部门迫切要求精度高的线路故障测距方法，以解决线路故障寻找难的问题。行波故障测 距系统在铁路1 0 千伏自闭，贯通线路的应用，对电力系统的安全性、经济性和可靠性发挥重要的 作用，极大地提高系统的运行管理水平。相信在不久的将来，随着人们对行波现象的不断探索和 故障测距运行经验的积累，双端行波故障测距技术将在整个铁路系统得以广泛推广，成为将来铁 路信号供电线路故障精确定位的主要方法，具有广阔的市场前景，将产生巨火的社会效益和经济 效益。 1 2 国内外研究现状及存在问题 故障定位方法主要有阻抗法【9 ，”j 、电压一时间法和f i u 的远方遥控分段法u “”、注入信号寻 迹法和行波法。 阻抗法是电力系统的一种故障定位方法。阻抗法是根据故障时母线处测量到的电压电流来计 算出故障线路的阻抗。由于线路长度和阻抗成正比，用阻抗除以单位长度的阻抗即得到故障距离。 该方法依据变电站和分支点把每条馈线分成几段，并以网络分析模型为基础，由电力系统分析软 件自动进行离线的短路电流计算，计算的故障阻抗结果存放在每条馈线的阻抗列表中，短路电流 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 计算每年更新一次。线路故障时，测揖的故障阻抗自动传送到计算机的选择程序并且选出合适的 段。德国和澳大利亚采用阻抗法进行短路故障定位。由于受过渡电阻、分布电容、电压、电流互 感器误差等因素的影响，阻抗法测距误差大。 电压一时间法是铁路供电线路传统的故障隔离和恢复供电的方法。通过重合器和分段器的时 间配合，经过重合器多次重合来实现故谇分段，该方法不依赖于通信。一般以车站为分段点把线 路分段，在线路上安装了重合器作为线路的分段开关，来自动隔离故障点，缩小故障范围，并能 估计故障位置，为快速抢修提供依据。但是，重合器重合时问整定困难，尤其是线路较长时，故 障隔离过程更复杂。而且故障隔离、定位过程需要多次重台，对配电所设备、线路有冲击，容易 造成设备损坏。 为了实现具有更好性能的馈线自动化目前有些铁路供电线路采用f t u 的远方遥控分段法。在 开关上装设了智能终端，即配电终端单元( 刑) ，并通过通信系统实现集中式馈线自动化。这 种馈线自动化的基本原理如下：如果线路采用分段供电方式，并且在分段开关处安装了具有远程 通讯功能的线路自动化远方终端f r u ，f 1 u 具有故障检测功能，远方遥控法利用兀u 对出线开 关、分段开关进行实时监控，并将故障检测结果送到控制中心，控制中心根据f 1 u 上报的故障 检测结果，根据位于接地点两侧的相邻的两个f i t u 对某些小电流接地的故障特征的测量将有明 显区别，判断故障位置，将故障点两侧开关跳开，隔离故障区段。该方法的缺点是，线路的开关 要具有电动执行机构，而且铁路沿线的各f i u 都需要通信通道支持。 注入信号寻迹法利用单相接地时原边被短接，暂时处于不工作状态的故障相电压互感器向接 地线路注入一个特定的电流信号，由于注入的信号会沿着接地线路经接地点注入大地，f j 信号寻 机原理可实现选线并确定故障点 1 4 , 1 5 j 。使用该方法的困难是，注入信号的强度受电压互感器容量 的限制，接地电阻较大时线路上的分布电容会对注入的信号分流，给选线和定点带来干扰，如果 接地点存在间歇性电弧现象，注入的信号在线路中将不连续且会破坏信号特征，给检测带来困难。 综上所述，目前铁路自闭、贳通线路各种测距方法只能确定故障范围，并不能精确定点。 行波法克服了以往测距方法的缺陷，它是根据行波传输理论实现故障测距的方法1 1 6 j 。2 0 世 纪5 0 年代人们按照操作方式的不同，把行波故障测距分为单端的c 型、a 型和双端的d 型 1 7 1 s j 。 2 0 世纪7 0 年代日本大量使用c 型行波故障测距装置，我国学者也对c 型原理进行了深入研究， 并研制出相应的故障探测装置。在这期间，a 型行波故障测距的研究重点是各种数字信号处理算 法，通过构造相关法、求导数法等算法来检测故障点的反射波b 1 ”。 行波相关函数法是根据故障初始行波在测量端母线的反射波与其在故障点反射波之间存在 的反极性相似关系，当故障点反射波到来时相关函数达到最大值，采用相关算法来检测故障点反 射波。求导数法在检查到故障初始行波后不断检查反向行波的一阶或二阶导数绝对值是否超过某 - i 3 槛值来检测故障点反射波【1 ”。由于高频暂态行波是突变信号，各种算法都不能准确描述这类 非平稳变化的信号，影响了单端行波故障测距的精度，早期的测距装置存在可靠性差、复杂、投 资大等问题。 2 0 世纪9 0 年代初，影响行波测距技术发展的关键问题，如暂态行波提取、数据的高速采集、 时间精确同步都有了经济可行的解决方案。我国学者对常规电流互感器的暂态响应特性进行了理 论研究和现场试验，结果表明常规的电流互感器能够传变高达1 0 0k h z 以上的电流暂态分量【； 因而完全能够满足行波测距的要求，提出了利用电流暂态分量的行波故障测距技术1 2 ”。随着电 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 子计算机的飞跃发展，暂态信号的超高速数据采集和处理很容易实现【2 2 j 。g p s 技术的发展pj 和 其价格的不断下降，使双端d 型行波测距装置得到了普遍应用 2 4 - 2 6 j 。行波技术已趋向成熟，行 波故障测距系统进入实用化阶段，广泛使用在1 1 0k v 及以上的中性点直接接地的输电线路，运 行效果良好，故障测距准确可靠。然而行波测距系统几乎没有应用于配电线路，它存在一系列问 题具体表现为： ( 1 ) 配电线路中的分枝多，故障行波波形分析困难。这是限制行波测距系统在配电线路中 应用的主要原因。 ( 2 ) 行波过程中的数学分析仅在假设线路无损时才是正确。但是实际三相线路的电阻损耗、 导线对地电导损耗都会引起行波的衰减，实际线路存在损耗。 ( 3 ) 线路两端互感器时延不一致导致的同定时间误差。电流、电压互感器是提取行波信号 的耦合元件，这些非线性元件的动作时延影响了行波测距的精度。 ( 4 ) 行波测距装置不能探测电压过零的故障。当故障发生在电压过零附近时，暂态行波电 压幅值会很微弱，造成行波测距装置不能正确动作p j 。 ( 5 ) 故障行波的到达时间难以精确确定。故障行波在线路上以不同模式传播，每种传播模 式的不同频率分量具有不同的速度和衰减弘”，造成行波到达时间不能准确判断。 充分了解和发挥上述各种因素对故障测距的影响，能够针对实际线路的具体情况，进一步提 高故障测距装置的准确性和可靠性。 1 - 3 本文研究内容及主要工作 由于未检索到行波测距原理在铁路信号供电线路中的应用的文献，本文对行波测距在铁路信 号供电线路的适应性进行了研究，本论文开展了如下t 作： ( 1 ) 研究了电力线路故障暂态行波的产生机理和描述方法，为铁路电力系统1 0 k v 自闭贯 通线路行波故障测距的研究奠定了理论基础。 ( 2 ) 分析了铁路自闭、贯通线路现有故障定位方法和存在的问题，根据铁路1 0 k v 自闭贯 通线路的结构特点和行波传播特性，提出了利用来自线路侧电压互感器提取暂态行波的双端d 型 行波故障测距的方法。 ( 3 ) 完成基于g p s 全球定位系统的时间同步电路的设计，该测距系统同时具有敏端和单端 两类行波测距原理。 ( 4 ) 用e m t p 对中性点不接地的贯通线路的各种故障进行了大量仿真。表明运用线路侧的 电压互感器提取暂态行波是合理的。 ( 5 ) 完成了双端行波故障测距系统的安装、调试、现场试验工作，最终验证了所提出的测 距方法的正确性。 3 中国农业大学硕士学位论文 第二章行波的理论基础 第二章行波的理论基础 分析了线路故障时高频暂态行波的产生机理以及行波在时域和频域的传播特性，研究表明行 波是建立在方向行波信号的基础上，行波分为电压波和电流波，电压波和电流波同时存在，它们 又可分为前行波和反行波。暂态行波反映了线路故障的暂态行为特性，是故障测距的基础。 2 1 线路发生故障时行波的产生 线路故障时由于故障点电压的突变，会产生向线路两端传播的暂态行波，如图2 - 1 。 = r d 图2 - 1 故障暂态行波的产生 ( a ) 故障等效网络( b ) 正常负荷网络( c ) 故障附加嘲络 根据叠加原理，故障暂态行波可以分解成正常负荷网络和故障附加网络。故障初始分量等于 在故障点接入与该点故障前大小相等、方向相反的电压u ，同时将系统电源电动势短路。由于 线路具有分布参数，在故障点接入u 将产生向线路两端传播的行波。行波是以接近光速沿导线 运动的电磁波，行波运动到母线及故障点时，由于线路参数突变将产生反射和折射。行波在故障 点和母线处来回反射，产生的暂态行波过程可用网络图表示。 2 2 行波过程网络描述法 在时域中网络图描述了行波过程，如图( 2 2 ) 所示。故障点位于线路中点到m 端的区间且故 障点f 有过渡电阻，故障点产生的暂态行波过程。 4 中国农业大学硕士学位论文 第二章行波的理论基础 f + 2 3 f + 2 t 故障发生时刻t = o ， 故障点的电压“，【f ) ， 以接近光速的速度向母线两侧传播。当t = 3 时， 行波到达m 端，m 端观测到的电压为延迟了时间f 的u ，记为u f p 一3 ) 。由于m 端为阻抗变 化点，因此出现反射波，反射系数为k ，则有反射波k h f 扛一3 j ，它由母线m 点向故障点运动。 当反射波经过时间f 到达故障点f 时，由于故障点有过渡电阻，反射系数为k 0 。当t = 3 z 时，m 点观测到的电压为七，k m u ，( f 一3 r ) 。故障点的反射波在母线再一次反 射，这种情况将反复进行，直到进入稳定状态。母线m 点观测到的电压、电流是多次入射波和 反射波总和，表示为： u r a ( f ) ；u f o 一3 ) + k m u f ( f f ) + 七，k 。“f ( f 一3 0 + k ，k 2 m “f ( r 一3 r ) f m o ) = t - h ，( f r ) + k “，o r ) 一k ，k “，o 一3 r ) + 七，“，o 一船) + j z 。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 规定由母线指向被测线路的方向为正，把运动方向与规定方向一致的行波，称为前行波；把 运动方向与规定方向相反的行波，称为反行波。描述分布参数电路的过渡过程，需要把导线上电 压分解成一系列前行波和反行波。m 端的前行波“耐( f ) 和反行波“。6 ( t ) 分别表示为： “。，( f ) - k m u ，p r ) + t ，七：“，o 一3 r ) + ( 2 - 3 ) u m b ( f ) = u f p - r ) + k ，k m u ，( f 一3 r ) + ( 2 - 4 ) 分布参数的线路上任一点电压、电流是许多个沿着两个不同传播方向传播的前行波和反行波 的叠加，前行波和反行波是由具有不同时延且向同一方向传播的所有模量的叠加，在每一个前行 波到达线路一端时，将造成该点电压、电流的一个突变，这正是故障后电压、电流中高频暂态分 量的根源。 设在m 端的测距装置由t - - g 开始计时，故障点的反射波于t - - 3 3 到达m 端，而n 端的反射 波在f 点产生的折射波于t f + 打到达m 端。由于3 3 中国农业大学硕士学位论文 第四章仿真试验 ( a ) 甲端测量信号 ( b ) 乙端测量信号 图4 _ 1 4a 相电压相角为0 ，三相短路故障线路两端的测量信号 ( a ) 甲端测量信号( b ) 乙端测量信号 图4 1 5a 相电压相角为3 0 ，三相短路故障线路两端的测量信号 理论分析和仿真结果表明，不论是接地故障还是相问短路，在线路两端都有线电压行波，故 障初始行波到来的时刻，波头幅值大、上升沿陡峭，并且具有较高的灵敏度。因此，本文提出的 利用两端的线路侧电压互感器测量暂态行波方法是正确的。另一方面，仿真结果显示，双端行波 故障测距具有较高的测量精度，基本不受故障类型、过渡电阻等因素的影响。然而，实际线路的 结构及负荷情况是多种多样的，暂态波形也比仿真试验结果更加复杂，非常有必要进行现场试验。 4 3 小结 1 ) 对各种故障进行仿真表明，接地故障以及相间短路线路两端的电压互感器都有电压行波，行 。音量； 波k 升明显，这也验i t t 本文提出的选用线路两端的电压互感器提取暂态行波是合适的。 2 ) 双端行波故障i i i p i 具有较高的测量精度，基本不受故障类型、过渡电阻等因素的影响。 3 1 中国农业大学硕士学位论文 第五章行波故障测距装置 第五章行波故障测距装置 本章介绍了行波测距装置的工作原理和结构。设计了基于全球定位系统( g p s ) 的时间同步 和超高速数据采集电路，完成了故障初始行波到达时刻和故障波形的记录，研制的行波测距装置 具有较高的准确性和可靠性。 5 1 行波测距装置的工作原理 在正常运行过程中，行波采集装置内的硬件逻辑控制回路对各通道信号按设定的采样顺序和 采样频率自动进行高速采样和a d 转换，并且将转换结果自动高速写入当前循环存储器中。 当系统所监视的任一路暂态信号瞬时超过设定的硬件门槛值时，高速数据采集单元中模拟比 较同路的触发信号将锁存高精度时钟的当前时间信息，并启动采集控制定时电路，划经过一定时 间后高速数据采集电路自动停止工作，同时向c p u 发出一外部中断信号，c p u 读取本次触发的 时间信息。 5 2 行波测距装置的结构 根据功能划分行波测距装置包含以下电路：中央处理单元、高速数据采集单元、g p s 接收单 元、人机界面、模拟信号输入等组成。如图5 - 1 所示。 图5 - 1 测2 e 装置原理圉 ( 1 ) 中央处理单元( c p u ) 中央处理单元是行波测距装置的控制中心，它由p h i l l i p s 公司生产的单片机p 8 9 c 6 1 x 2 、以 及外部扩展r a m6 2 5 1 2 、锁存器7 4 h c 乃7 3 、地址译码器7 4 h c t l 3 8 、7 4 h c r 1 3 9 、总线驱动器 7 4 h c t 2 4 4 构成。如图5 2 所示。单片机p 8 9 c 6 1 x 2 主要负责行波数据和时间数据的缓存、高速 数据采集电路的启动、g p s 同步时钟时问信息的接收、故障时间标签的生成、液晶显示器的驱动、 键盘的扫描、与后台p c 机的通信等工作。由于该单片机只有一个串口，用于与后台p c 机的通 信，同步时钟输出的串口其波特率只有1 2 0 0 b i t s ，用外部中断i n t 0 仿真串口接收g p s 同步时钟 的时间信息。地址译码器7 4 h c t l 3 8 、7 4 h c t l 3 9 用来生成多个扩展端口和外部设备的地址。总 线驱动器7 4 h c t 2 4 4 用来隔离系统数据总线和高速数据采集电路的数据总线。 中国农业大学硕士学位论文第五章行波故障月i 距装置 p 8 9 c 6 1 x 2 器件采用高性能的静态8 0 c 5 1 内核设计。以先进的c m o s 工艺制造并包含非易失 性f l a s h 程序存储器，可通过并行编程或在系统编程( i s p ) 的方法进行编程，加快了产品的开发 过程，便于程序的升级。支持6 时钟和1 2 时钟模式。p 8 9 c 6 1 x 2 包含1 0 2 4 字节r a m 、3 2 个i o 口、3 个1 6 位定时计数器、6 中断源- 4 中断优先级嵌套的中断结构、1 个增强型u a r t 、片内 振荡器和时钟电路。 ( 2 ) 高速数据采集单元 高速数据采集单元实现故障检测，行波故障数据的采集、记录和处理，并把采集到的数据传 送给中央处理单元。 ( 3 ) g p s 接口单元 g p s 接口单元把由g p s 同步时钟提供的g p s 时间信息传送给行波测距装置，同时记录下被 硬件行波启动元件所触发的时刻，并传给中央处理单元，为故障初始时刻贴上时间标签，用于实 现两端行波测距并作为事故后故障分析的时间依据。 1 地址译码器 ( 7 4 1 7 4 h c t l 3 8 _ - - - - t x _ j p 2 r x h c t p 8 9 c 6 1 x 2 2 4 4 , i v - - - - i n t 0 审口2 ( i n t o ) r a m i 一 6 2 5 1 2 廿 p o p 1 ri 读 1 d 取p 3 ( i n t l ) ! 田 时 间 jj 记 ：l 业小 录 7 l = g p s 接口单元和高速数据采集单元完成了故障初始行波到达时刻的检测和故障波形的记录。 是行波测距装置的关键。 5 t 3 时间同步和故障脉冲到达时刻的记录 双端测距需要准确地记录电压行波到达线路两端的时间，误差应该在几个微秒，行波的传播 速度是3 0 0 米厂微秒，1 微秒的时间误差对应于1 5 0 米的测距误差。如果要达到5 0 0 米的测距分辨 率，两端测距装置的时间同步精度应该达到3 个微秒。利用g p s 电力系统同步时钟秒脉冲1 p p s 与串行口的时问信息来实现。 5 3 g p s 电力系统同步时钟b 4 一列 g p s 全球卫星定位导航系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m g p s ) 是美国研制的卫星导航与定位 系统。全球定位系统由三部分构成：( 1 ) 地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站和通讯辅 3 3 中国农业大学顿士学位论文第五章行波故障测距装置 助系统组成；( 2 ) 空间部分，由2 4 颗1 j 星组成，分布在6 个轨道平面上；( 3 ) 用户装置部分，主 要由g p s 接收机和卫星天线组成。用户只要有g p s 接收机和卫星天线，g p s 接收机能够在任何 地点，任何时间接收时间信息，g p s 接收机其内部硬件电路和处理软件对接收到的信号进行解码 和处理并输出2 种时间信号：一是间隔为1 秒的脉冲信号，即1 p p s ，其脉冲前沿与国际标准时 间( 格林威治时间) 的同步误差不超过1 微秒；二是经r s 一2 3 2 串行口输出与1 p p s 相对应的国际标 准时间和日期代码。 g p s 电力系统同步时钟利用g p s ( 全球定位系统) 卫星发送的秒同步信号，向电力系统各种自 动化装置提供精确的同步时钟信号。电力系统同步时钟主要完成了以下功能： 1 ) 接收g p s 模块输出的串行导航信息，从信息中取出国际标准时间( 格林威治时间) 信 息。 2 ) 将得到的格林威治时间信息转换为北京时间。 3 ) 扩展串行通信端口和时、分、秒脉冲输出端口，控制时、分、秒脉冲输出端口输出并 将转换好的北京时间，通过各个串行口分别按端口设定的波特率对外广播。 该装置在电力系统、铁路供电系统有着广泛的应用，大多数变电站已安装该装置。变电站只 需一台g p s 电力系统同步时钟，就能满足整个变电站设备的时间同步。为了降低成本，减少用户 的设备投资。本行波测距装置设计了直接利用g p s 电力系统同步时钟输山时间信息的接口电路。 5 3 2 时间同步与计时电路 测距装置是基于线路两端时钟的同步，利用行波波头到达的绝对时刻米确定故障点的位置。 装置内部设计了一个高稳定度晶振构成的时钟时钟信号的累积误差不大于每秒1 微秒。时钟每 秒由来自g p s 的1 p p s 秒脉冲清零一次，g p s 同步时钟的同步精度是1 微秒，计数器输出精度也 是1 微秒。 由于时钟晶振的精度和稳定度都必须达到很高的要求，即1 秒内时钟的走时误差( 含温漂、 时漂等综合误差) 不得大于一微秒。因此选用了d a l l a ss e m i c o n d u c t o r m a x i m 提供的温补的d s 4 0 0 t c x 0 1 6 0 m h z 高稳定度的晶振作为测距装置的时钟源。d s 4 0 0 数控t c x o 在一4 0 6c 至+ 8 5 。c 范围内提供i p p m 的稳定度。为了减少内部时钟的积累误差，使用g p s 同步时钟的秒同步脉冲 输出对内部时钟进行每秒一次的时间同步。 时间同步与计时电路如图5 - - 3 所示。本电路由两个双d 触发器和两个1 2 位的异步计数器 7 4 h c t 4 1 m 0 组成，d 触发器组成的分频器将d s 4 0 0 t c x 0 1 6 0 m h z 高稳定度的晶振分频至1 m h z 进入异步计数器7 4 h c t 4 0 4 0 进行计数，计数器的计数值为微秒值。1 p p s 脉冲对计数器7 4 h c t 4 0 4 0 清零，消除计数器的累积误差，完成了时间的同步。 线路故障时，暂态行波脉冲信号出现，数据锁存器7 4 h c t 3 7 3 锁存当前时钟的计数值，并由 c p u 分时读山计时器的数值，该数值为时间同步电路记录到的时间信息中微秒数，另外，加、e c p u 通过串行口从g p s 模块得到的年、月、日、时、分、秒的时间信息，这样装置就记录了暂 态行波脉冲信号出现的时刻。同时还需要超高速数据采集电路记录故障波形，以便于对故障波形 进行分析，进一步提高测距装置的精度。 中国农业大学硕士学位论文 第五苹行波故障测距装置 中 央 c 堰1 酋蓠 处 理 萱 兀 7 i 7 4 h 洲0 4 0 i7 4 h c 脚3 卜二 5 4 高速数据采集电路 图5 3 时间同步与计时电路框图 高速a d 转换器t l c 5 5 1 0 a 用单5 v 电源工作且只消耗1 0 0 m w 的功率，最大转换速率为 2 0 m s p s ( 2 0 兆次秒) ，本设计使其工作在1 0 兆次秒。每路行波信号的采样频率为1 2 5 m h z 。 常规的由c p u 直接控制剐d 转换很难实现如此高的采样，需要设计不受c p u 控制a d 转换 的高速采集电路，记录了故障行波数据，在捕捉到暂态数据后，c p u 用较慢的速度读取记录下的 故障数据，完成对采样用到的故障行波数据的处理。 由于a ，d 转换器t l c 5 5 1 0 a 的转换速率达1 0 m s p s 。与其配套的地址发生器选用同步计数器 7 4 h c t l 6 1 组成的地址发生器，与其相连的r a m 选用3 2 k 高速静态r a mi d t 7 1 2 5 6 s 。 高速数据采集装置如图5 - 4 。它由a d 转化器t l c 5 5 1 0 a 、控制单元7 4 h c r 4 0 4 0 、高速静态 r a m i d t t l 2 5 6 s 、数据三态门7 4 h c r 2 2 4 组成，c p up 8 9 c 6 1 x 2 通过数据三态门和高速采集系统 双向联系。 线路正常运行时，c p u 使r a mi d t 7 1 2 5 6 s 处于写状态，数据三态门7 4 h c t 2 4 4 处于高阻状 态。1 0 m h z 晶振产生一高频时钟脉冲，每来一个时钟脉冲，地址发生器7 4 h c t l 6 1 自动加1 ，a d t l c 5 5 1 0 a 完成一次转换，a d 转换结果写入对应地址高速缓存r a mi d t 7 1 2 5 6 s 中，在时钟脉冲 的作用下，地址计数器计数值由零到晟高地址值周而复始地变化着，数据也依次由零地址到最高 地址，然后再由高地址再回到零地址循环地写入r a m 中。 线路故障时，暂态信号出现模拟比较回路的输出信号使触发电路翻转，并启动一触发后时 间定时计数器，在计数器时间到后，控制单元发出停止数据采集的命令，结束数据采集。触发后 时间定时计数器的值m 即为欲记录的暂态数据个数，m 小于r a m 存储容量n 。这样，r a m i d t 7 1 2 5 6 s 就记录储存下m 个触发后暂态的数据和n - m 个触发前的数据。 数据采集结束后，控制单元使d 的输出呈高阻状态，打开数据三态门7 4 h c t 2 2 4 ，使采集 电路的数据总线与c p up 8 9 c 6 1 x 2 数据总线接通，控制单元使单片机中断，r a m d t 7 1 2 5 6 s 处 于读状态。当单片机在读取i d t 7 1 2 5 6 s 中的数据时，每读一次，计数器加一，于是就顺序读取存 储在i d t t l 2 5 6 s 中的所有数据。这样p 8 9 c 6 1 x 2 通过控制单元产生一频率相对较低的读脉冲作用 于计数器，从数据采集停止的地址起依次改变计数器地址，并将1 d t 7 1 2 5 6 s 输出的数据逐一读出， 中国农业大学硕士学位论文 第五章行波故障测距装置 存入p 8 9 c 6 1 x 2 直接控制的内存中。 l l 7 7 4 削h c t 4 器0 4 0 r + 士 一 j i ( i n t l ) 兽 蔓一 证怒胆7 4 h c t 勰1 6 1 r c p u 苫 - - i t =i - r 。 ；3 船p 8 9 0 6 1 2 蝼 d b 恩转 数据三态门 - 蠹辩 7 4 h c t 2 4 4 i 蚺 5 5 小结 图5 - 4 高速数据采集原理图 1 ) 介绍了双端行波测距装置的t 作原理，满足了双端行波测距的要求。 2 ) 设计了时间同步、计时电路和高速数据采集电路，从而完成了故障行波到达时刻和故障波 形的记录。 中国农业大学硕士学位论文 第六章现场接地试验 第六章现场接地试验 为了进一步验证理论研究和数字仿真的正确性，在铁路部门的积极配合下，对张店配电室到 青州配电室的1 0 k v 贯通线路进行了现场试验，试验采用线路两端的电磁式电压互感器传变暂态 行波的双端行波故障测距，测距系统捕捉到电压行波信号及其到达线路两端的时刻，自动给出了 故障距离。分析了测距误差产生的原因，提出了误差补偿的相应的措施。 6 1 试验线路 如图6 - 1 所示。试验线路为从张店配电室到青州配电室双端供电的1 0 k v 贯通线路，试验线路 总k4 7 2 公里，其中包括2 5 段共约2 公里长的电缆，其余为架空线路。故障点距青州配电室1 3 0 公里，距淄博配电室3 4 2 公里。 6 2 试验方法 试验线路进行了人工单相接地试验，采用双端行波故障测距系统进行故障在线检测。在张店 配电室和青州配电室内分别安装行波故障测距在线检测系统，包括行波测距装置、g p s 电力系统 同步时钟和工控机3 部分。两端的工控机通过调制解调器( m o d e m ) 利用电话线路拨号进行通讯， 获得对端的行波故障数据。工控机采用r s 2 3 2 和行波测距装置通讯。行波测距装置与已安装的互 感器连接，这样既接线方便又不需要附加专门的交流耦合设备。为了尽可能多的采集信号，试验 过程中行波测距装置的联线为： 线路1 ，接入贯通线路a 相p t 贯通线路c 相p t ，贯通母线a 相p t ， 线路2 ，接入贯通母线b 相p t ，贯通母线c 相p t ，贯通母线零序p t ， 线路3 ，接入自闭线路a 相p t ，自闭线路c 相p r i ，自闭母线a 相p t 线路4 ，接入自闭母线b 相p t ，自闭母线c 相p t ，自闭母线零序p t ， 线路5 ，接入贯通母线a 相c t ，贯通母线c 相c t ，另侧贯通a 相p t 线路6 ，接入另侧贯通c 相p t ，自闭母线a 相c t ，自闭母线c 相c t 。 其中a 相p t 测量a b 线电压，线路c 相p t 测量b c 线电压，试验后，只保留了线路p t ， 屏蔽了母线p t 、c t 。 表6 - 1 为试验过程事项记录，其中故障距离根据张店变、青州变装置记录的故障电压行波到 达时刻，并利用测距公式计算得到，线路波速度设为2 9 1 米，微秒。 3 7 中国农业大学硕士学位论文第六章现场接地试验 表6 1 试验过程事项记录 力事 接地故障主供端距青州的测量故障距测距误差 故障 方式相 离( 公里) ( 公里) 时间 1 4 ：2 7金属性b张店1 3 ，80 ，b 1 4 ：4 1金属性张店1 3 4 0 4 1 4 ：5 73 1 5 0c张店1 3 40 4 6 3 试验结果 2 0 0 3 年l o 月1 6 日，在贯通线路上距淄博3 4 2 公里处分别进行了人工金属性接地和接地电 阻为3 1 5 欧姆的试验。图6 2 至图6 - 4 是双端波形分析图。左图是青州变电站记录的电压行波， 右图是张店变电站的电压行波图。波形上方显示两端的站名、故障时间、故障距离。从获得的波 形得出以下结论： 1 ) 贯通线路选用双端d 型行波故障测距是合理的。两端的故障初始行波波头幅值大，上升 沿陡峭，两端行波测距系统可以通过公共电话网络交换故障暂态数据，包括精确到1 微秒的故障 触发时间和故障暂态波形数据，并自动给出双端行波故障测距结果。测距过程自动化程度高，故 障数据的传输、存储、分析、处理自动完成。 2 ) 由于无法正确识别故障点的反射波，单端行波测距并不适用于铁路贯通线的故障定位， 但是，单端法作为辅助测距法可以验证双端测距的结果。 图6 - 2b 相金属性接地双端故障波形 3 8 中国农业大学硕士学位论文 第六章现场接地试验 图6 - 3a 相金属性接地双端故障波形 图6 - 4c 相过渡电阻为3 1 5 欧姆的双端故障波形 根据实际暂态波形的分析，测距装置成功地捕捉到到达线路两端的暂态电压行波，本文提出 中国农业丈学硕士学位论文第六章现场接地试验 的行波双端测距原理运用于铁路贯通线路的方法是可行的。但是存在测距误差，测距精度有待于 进一步提高。 6 4 测距误差分析 由表6 - 1 的现场试验结果看出，测距误差在o 4 加8 千米。由双端测距公式( 3 - 3 ) 得知，故 障距离主要由2 个参数决定，一个是时间参数，也就是故障行波到达线路两端的时间差；另一个 是速度参数，即故障行波的传播速度。制约铁路供电线路双端行波故障测距精度的因素有：波速 度、线路两端电压互感器的时延、g p s 对时精度等。 】) 波速度不确定造成的误差 试验线路是架空线路和电缆的混合线路。贯通线存在2 千米左右的电缆线路，而电缆中波速 度与架空线路差别较大，沿电缆传播速度约为光速的一半。考虑电缆线路的准确长度以及电缆中 波速与架空线波速的不同对测距分辨率造成的影响。 2 ) 行波在线路传播过程中衰减和畸变的影响 行波的衰减和畸变会影响行波测距的精度及检测可靠性。行波在实际线路的传播过程中存在 衰减。衰减指由于各种损耗而引起各点电压值下降的现象。行波沿导线传播时，导线的电阻损耗、 导线对地电导损耗都会弓 起行波的衰减。行波的衰减随着鼓障距离的增加而变大，故障电压行波 经过3 4 2 千米的长线路衰减，幅度衰减，波陡度减小，行波波头上升较缓。 线路故障时，暂态电压信号超过某一门槛值来检测故障行波波头的实现。经过高阻接地，暂 态信号幅值已经比较小，又经过长距离的衰减，使得初始行波幅值变小，会影响测距精度。 3 ) g p s 对时精度 g p s 对时误差越小，故障初始行波波头的标定越精确。提高g p s 输出的时间精度，达到纳 秒的秒脉冲以及乖j 用更精确稳定的晶振，使时间标签的同步精度小于1 锾秒。 4 ) 电压互感器引起的误差 受电压互感器响应速度的影响，当一次电压突变时，二次电压滞后一定时间出现，电压互感 器的动态误差是电磁式电压互感器铁心非线性引起的的固有特性。两端互感器的时延一般在1 微 秒以内。另外，线路两端电压互感器二次侧到测距装置的电缆长度差，每1 0 0 米电缆长度差将导 致0 7 微秒的吲定时间误差。 5 ) 采样频率的影响 暂态行波持续时间很短，为了及时记录下行波，需要高速采集系统，对故障初始行波到达线 路两端测量点的精确标定。采样频率过低将不足以真实地反映输入的模拟信号，采样频率过大将 增加对微机处理速度的要求。在通常情况f ，装置不能恰好采集到行波浪涌波头的起始点，而是 利用离散采样点拟合出行波浪涌的波形。 6 ) 线路长度的误差。 双端行波测距法要求线路长度是准确的。线路长度的误差l 会导致l 2 的测距误差。线路的 长度是杆塔间的水平地理距离之和，很少考虑线路垂弧影响，而线路垂弧与杆塔结构有关，尤其 是两个杆塔跨河流、山脉时，此时杆塔间导线形状一般为垂链线，垂弧较大，因此线路长度会与 实际长度有一定误差。 中国农业大学硕士学位论文 第六章现场接地试验 由于线路长度参数一般是通过设计参数或实测参数得到，设计参数一般与线路施工后的实际 参数有一定的差别，同时，实测线路长度时，都是