（电气工程专业论文）一种新型故障录波测距系统的研究与应用.pdf

a b s t r a c t s u b s t a t i o nf a u l tr e c o r d i n gs y s t e mi st h em a i ne q u i p m e n tf o rr e c o r d i n gt h e t r a n s i e n tp r o c e s so fp o w e rs y s t e m b e t t e rp e r f o r m a n c ei sr e q u i r e do ft h ef a u l tr e c o r d e r a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m t h eg r e a te v o l u t i o no fs o f t w a r ea n d h a r d w a r et e c h n o l o g yo fc o m p u t e r ，g p s ，e t h e r n e t ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rn e s t e d c o m p u t e r a n ds o m es o f t w a r et e c h n o l o g ys u c ha so b j e c t o r i e n tp r o g r a m mi n g p r o v i d e st h ee s s e n t i a lc o n d i t i o nf o rt h ei m p r o v e m e n t o ff a u l tr e c o r d e r ad e s i g ns c h e m eo ff a u l tr e c o r d e rw i t hh i g hp e r f o r m a n c e sb a s e do nt h ea b o v e t e c h n o l o g i e si sp r e s e n t e d ，i n c l u d i n gi t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r es t r u c t u r ea n df u n c t i o n s t h ef i e l dt e s t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dd e v i c eh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s m u l t i - m o n i t o r i n g - c h a n n e l ，h i g hs a m p l i n gf r e q u e n c y ，g o o dr e a l t i m ep e r f o r m a n c e ， l a r g ed a t at r a n s m i s s i o nc a p a b i l i t ya n ds oo n t h en e w r e c o r d e rr e a l i z e st h er e c o r d i n g a u t h e n t i c i t y ，c o m p l e t e n e s sa n dr e l i a b i l i t y h a r d w a r ed e s i g n ：c p uo f3 2b i t so fm o t o r o l aa n dd s p o fh i g hs p e e da r e a d o p t e di no r d e rt or e a l i z eh i g hp r e c i s i o nn u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n d e t h e r n e tc o m m t h es y s t e ma d o p t si r i g bf o r m a ts y n c h r o n i z e dw i t hg p s s o f t w a r ed e s i g n ，c o n s i s t s o ff a u l tr e c o r d i n gs o f t w a r e ，i n c l u d i n gf u n c t i o n a lm o d u l e so fe t h e r n e tc o m m ，d a t a r e m o t et r a n s m i s s i o n ，i n t e r f a c ed e s i g n ，f a u l tl i n es e l e c t i o n ，f a u l tp h a s es e l e c t i o n ，f a u l t l o c a t i n g ，d i g i t a lf i l t e r i n g ，r e p o r t f o r m sp r i n t i n g ，d a t a b a s em a n a g e m e n t ，e t c k e yw o r d s ： f a u l tl o c a t i n g ；d i g i t a lf i l t e r i n g ；o b j e c t - o r i e n t e d ；e t h e r n e t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁洼盘鲎或其他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。 签名萄铷吼叼年月y 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞盗盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：两习年弋月y 日东 第一章绪论 第一章绪论 1 1 故障录波装置的应用意义 随着国民经济的发展，现代化的建设对电网运行质量的要求越来越高，电力 工作人员需要及时分析故障发生原因，了解电力设备的运行情况，以提高电网运 行质量，因而实时、完整、准确地记录电网运行过程中发生的各种情况是十分必 要的。 电力系统故障录波装置是常年投入运行监视运行状况的一种自动记录装置。 利用电力系统现场的录波数据可以正确评价和验算继电保护装置工作的正确性， 记录系统大扰动如短路故障、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等发生后的有关系 统电参量的变化过程及继电保护与安全自动装置的动作行为，特别是发生转换性 故障时和非全相运行再故障，更需要用录波数据来正确评价继电保护和重合闸装 置的工作。利用录波装置提供的零序短路电流值，较准确的计算出故障发生点， 这样就缩小了巡线范围，有利于迅速找到故障点消除故障，同时也可以大大减轻 工人巡线的劳动强度。此外，通过对录波数据的分析还可以发现电力系统二次设 备的缺陷，及时进行消除并改进装置的功能和接线。电力系统由于故障和误操作 常常引起内部过电压，录波装置可记录其波形曲线，在分析研究之后为确定限制 内部过电压的措施提供依据。 随着电力系统规模的扩大，输电线路电压等级也在不断提高，一般分为高压 ( 1 l o k v - - 2 2 0 k v ) 线路和超高压( 2 2 0 k v 及以上) 线路，其系统中性点皆为直 接接地。由于高压输电线路是现代电力系统( 发电、输电、配电) 中的重要连接 纽带，且其所处环境复杂和恶劣，因而其比其他设备的故障率要高。现代大规模 电力系统的技术经济性的必然趋势，要求增大单机容量和矿口电站的建设，以及 超高压远程的交直流输电。而超高压输电线路作为电力系统的命脉，其故障直接 威胁现代电力系统的安全运行，相应引起巨大的经济损失。且架空高压线路距离 较长，跨越地区的地理环境较恶劣，由人工查找故障点是极其困难的。 故障录波器随着电力系统的发展应运而生，在实际的电力系统应用中主要解 决以下几方面的问题： ( 1 ) 正确评价继电保护及自动装置的动作行为 电力系统出现故障，继电保护装置动作，录波器同时准确、真实地记录下其 动作行为，据此，我们即可分析判断保护装置动作的正确性。实际中，系统发生 第一章绪论 事故时，继电保护装置可能出现几套保护装置同时动作的情况，例如当线路发生 两相短路故障时，高频、距离、零序电流方向保护同时动作，而如果零序电流方 向保护动作则是错误的，但若无故障录波装置，则无法判断保护动作的正确性， 进而无法确知故障的类型。而有了故障录波装置，就可以正确评价继电保护装置 的动作。特别是当发生转换性故障时，更需要利用录波资料来正确评价继电保护 和自动装置的动作。 ( 2 ) 发现继电保护和自动装置的缺陷，便于改进和完善设计 在超高压线路继电保护和自动装置接线回路的设计中，虽经过认真细致地研 究，但仍可能有不合理或考虑不周的地方。这些问题在做各种模拟试验时，甚至 在运行中都不易发现，在系统发生事故时，会造成装置的误动和拒动。有了故障 录波装置，利用录波资料分析就可发现装置的缺陷并及时消除或改进装置的接 线。例如：从录波资料中曾发现过某2 2 0 k v 线路单相接地故障误跳三相的原因， 是由于闭锁三相跳闸回路的零序电流继电器接点返回太快造成的。也曾发现过另 一2 2 0 k v 线路上发生瞬时性单相接地故障，保护装置动作，切除故障相后重合 成功，故障相已消除，但重合闸却又误跳了三相，查其原因是由于重合闸后加速 回路设计不合理造成的。 ( 3 ) 发现一次设备缺陷，及时消除隐患 在超高压电力系统中，有的一次设备例如高压断路器存在缺陷，平时难以发 现，而这些缺陷将在不同程度上危及电力系统的安全运行。在我国某电力系统中， 曾从故障录波图中发现：断路器断不开电容电流，导致触点间多次点弧，使快速 重合闸重合不成功；还曾发现过有的断路器合闸时多次跳跃。通过对录波图的分 析，即可发现这些隐患，并及时予以消除，保证电力系统安全运行。 ( 4 ) 提供转换性故障和非全相运行再故障资料 在电力系统运行中，同一线路上有时在很短时间内可能会发生由一种类型故 障转换为另一种类型故障的现象。例如：在使用综合重合闸时，当发生单相接地 故障，故障相两侧跳开后，在非全相运行过程中又可能发生故障。有了录波资料， 就可了解线路故障时的故障类型转换和非全相运行过程中又发生故障的情况、特 点和时间等等，为改善原有继电保护和自动装置及设计研制新装置提供重要的依 据。 ( 5 ) 分析研究系统振荡问题 利用录波资料，可帮助分析和研究系统振荡问题，以确定处理方法，缩短振 荡时间，实现快速再同步，尽快平息振荡。同时，从对系统振荡过程的分析研究 中，可找到供设计和改进继电保护的依据。例如：距离保护的振荡闭锁装置可采 用负序增量启动方式等。 第一章绪论 高压线路故障测距是通过可观测到的信息经处理获得故障位置的信息。因而 其具体实现是在经故障录波、故障选相的基础上才能实现故障点距离计算。高压 线路测距必须具备以下几点基本要求： ( 1 ) 可靠性：要求在故障发生后能可靠地起动和测定故障点的位置，对故障测 距范围内任何故障模式均能给出准确的结果。 ( 2 ) 准确性：是输电线路故障测距的最重要的性能指标，没有足够的准确性就 意味着测距功能失效。衡量准确性的标准是测距误差，可用绝对误差和相对误差 来表征，一般在出【j 处故障测距误差用绝对误差来表示，在线路其它位置的测距 误差用相对误差表示。 ( 3 ) 经济性：采用高新技术来提高性能价格比。 ( 4 ) 方便性：安装调试和使用上应简单，运行维护方便。 目前，我国大多数1 1 0 k v 、所有2 2 0k v 及以上的变电站( 发电厂) 均配置 了故障录波屏，且所有新上的录波屏均为带后台机( 或具有录波数据输出通信能 力) 的微机型录波屏；不带后台机的录波屏的改造工作也基本完成；而微机型保 护具备简易录波功能，各网( 省) 调己相继完成以实现全网故障录波数据远传为 主要目标的联网工作。 综上所述，故障录波装置可以准确地反映故障类型、相别、故障电流、电压 的数值以及断路器的跳合闸时间和重合是否成功等情况，可以正确分析和确定事 故的原因，研究有效的防止措施，从而减少以至避免再发生类似事故，有效地保 证了电力系统的安全运行。 1 2 对故障录波装置的原理和基本要求 故障录波和继电保护、监控和远动设备相比具有自己的特点： ( 1 ) 数据采集方面，当判定为故障后，保护在取得足够的数据后可以短时停止 对数据的采集转去作保护运算，而故障录波则不允许数据采集的任何中断；故障 录波装置为保证数据的真实性，应尽可能减少滤波，保护为判明故障则要消除各 次谐波，因此在硬件和软件上都要采取措施，特别是软件滤波在保护的c p u 时 间分配中占有较大比重。 ( 2 ) 在启动判据上，保护要求在故障当时即刻准确判定，所以对启动判据的准 确性和快速性要求很高；故障录波装置不需执行跳重合闸，对启动判据的准确性 和快速性要求不高，较之保护其判据可大大简化。故障录波装置不仅记录故障过 程还要记录故障前的波形和数据，所以在故障录波装置中要开辟一定容量的环行 内存缓存区，不断地以采取最新数据刷新这个环形缓存区，一旦判明故障，就首 先将缓存区中的内容( 包括故障前和故障过程的数据) 保存起来，直到故障结束。 第一章绪论 ( 3 ) 与发电厂变电站自动化监控系统中的事件顺序记录功能相比，故障录波装 置一般可取代前者，因此在既有自动化监控系统又有录波装置的场合，希望录波 装置提供与监控系统的通信接口。录波装置还要配备相应的通信软件，以便将录 制的数据和分析结果及时传送给监控系统。 ( 4 ) 和远动中的开关量相比，故障录波中的开关量着眼于事故分析的需要，局 限于故障时短时的记录，而远动中的开关量偏重于整个系统的正常运行，虽然也 有故障时的开关量信息，但它是着眼于宏观系统的需要。 现在的一些微机保护也具有故障录波功能，但由于保护功能的限制，采集的 电气量简单，录波时间较短( 多为3 5 s ) ，一般不具有谐波分析能力，有故障定 位但精度不高。故障录波装置则要考虑系统分析的需要，采集量全面准确，录波 时间较长，分析功能也强。 电力系统故障动态过程记录的基本要求： ( 1 ) 系统发生大扰动包括在远方故障时，能自动地对扰动的全过程按要求进行 记录，并当系统动态过程基本终止时，自动停止记录。 ( 2 ) 容量足够大，当系统连续发生大扰动时，应能无遗漏地记录每次系统大扰 动发生后的全过程数据，并按要求输出历次扰动后的系统电参量及保护装置和安 全自动装置的动作行为 2 3 1 。所记录的数据可靠安全，不失真。其记录频率和记 录间隔以每次大扰动开始时为标准，宜分时段满足：运行部门故障分析和系统分 析的需要；尽可能只记录和输出满足实际需要的数据。 ( 3 ) 各安装点记录及输出的数据，应能在时间上同步，以适应集中处理系统全 部信息的要求。 对故障动态记录过程记录设备的基本要求： ( 1 ) 具有按反应系统发生大扰动的系统电参量幅度及变化率判据而自起动和反 应系统动态过程基本结束而自动停止的功能，也能由外部命令而起动和停止。 ( 2 ) 每次记录的数据必须随即快速地转出中间载体，以迎接可能随之而来的下 一次故障数据记录。 ( 3 ) 有足够的抗干扰能力；满足规定的电气量线形测量范围；记录的数据可靠， 不失真；记录的故障数据有足够的安全性，不因供电电源中断或认为偶然因素和 抹去。 ( 4 ) 记录数据带有时标，并适应记录时间同步化要求。 ( 5 ) 故障动态记录设备应收集和记录全部规定的故障模拟量数据和直接改变系 统状态的继电保护跳闸命令、安全自动装置的操作命令和纵联保护的通道信号。 模拟量直接来自主设备，开关量由相应装置用空触点送来。 ( 6 ) 为适应集中处理的要求，输出的动态过程记录数据应符合标准格式，规定 菊一章绪论 与a n s i i e e ec 3 7 1 1 1 9 9 1c o m t r a d e 兼容。 ( 7 ) 记录装置本身可靠，便于维护，备件备品容易解决，具有自动测试功能； 其绝缘实验标准及抗干扰要求与继电保护装置等同。 1 3 故障录波装置的研究现状 1 3 1 故障录波装置的历史 6 0 年代末，我国电力系统开始应用以光电转换为原理、1 2 0 胶片为记录载体 的故障录波装置，录波装置在电网故障及继电保护动作行为分析方面发挥了重要 作用。特别是8 0 年代中期以来，随着计算机技术被引入继电保护领域，故障录 波装置更有了迅猛发展。历经1 0 余年，微机型故障录波装置已经完全取代了光 电式录波装置，成为电网故障信息记录的主力，在许多重大事故的调查和分析中 发挥了重要作用。由于计算机技术的飞速发展和进步使得微机型故障录波装置的 功能得以进一步拓展，满足了故障录波快速采样和大容量存储空间的要求，由原 来的故障录波单项功能扩展成为集故障录波、故障分析、数据通讯于一体的综合 装置，在系统发生扰动时能以不同的采样速度记录系统发生大扰动后暂态及动态 过程各阶段的系统电参量变化过程，又可保证各时段的记录有足够的解析度并能 记录下整个长动态过程，数据分析包括故障分析如故障选相、故障测距以及各种 电气量的计算如有效值、谐波分量、序分量、功率等。特别是故障选相和测距已 成为故障录波器最重要的功能之一，也是衡量故障录波器性能的一项重要指标。 故障录波测距装置作为变电站综合自动化的一个重要组成部分，在我国电力 行业中得到了越来越普遍的推广和引用。在1 1 0 k v 及以上的变电站( 所) 中，对 被录对象范围以及需记录的电量内容，国家已有明文要求，并制定了产品检验、 审核的详细标准唧j 。 国内对故障录波器的研制和开发已经有多年的历史，当前微机故障录波测距 系统处于发展阶段，技术更新快，原有的故障录波系统由于受当时计算机技术水 平的限制，已不能适应现代电力系统的要求，目前现场运行的8 0 年代末9 0 年代 初的第一代微机型故障录波器( 含机电式录波器、光纤式录波器和采用固态数据 存储器的录波器) 已经大多淘汰，而代之以运行速度更快功能更强的新型录波器 或原有录波器的改进型，分析软件也大多实现了由d o s 向w i n d o w s 的或n t 的转 移，实际应用产品有南京银山电子有限公司生产的y s - 8 a 故障录波器、北京四方 立德保护控制设备有限公司生产的w l b - 2 0 0 0 故障录波器、南瑞公司的w d s - 2 e 故障录波器、北京许继自动化公司的w g l - 3 故障录波器等。 第一章绪论 国外的故障录波器一般采用分散式结构，标准化模块设计，可以分散安装在 开关柜或保护小室内，通过以太网可以接到台所级计算机或远传到调度中心。 实际应用产品有西门子公司的s i m e a sr 智能故障录波器、b b c 公司生产的 i n d a c t i c6 5 c 型故障录波器及比利时国际电子仪器公司生产的b e n 5 0 0 0 故障录波 器、美国m e t a t e c h 公司生产的t r a n s c a n 故障录波器、a b b 公司生产的i n d a c t i c 6 5 故障录波器等1 2 5 。 目前，国内变电站综合自动化的发展，对故障录波器提出了更高的要求。各 厂家已经开始使用d s p 技术，用专门的d s p 芯片代替模拟量采集前置机，以提高 数据采集的速度和精度。同时，随着计算机硬件水平的提高和网络技术的发展， 将保护和监控等功能按照电气间隔划分，分布实施，相互之间通过串行通信或网 络通信组成一个系统，形成面向对象的分布式结构。在这种结构中，微机保护和 监控发展为安装在电气间隔附近( 开关柜上) ，这样做可以节省大量的二次电缆， 二次回路负载将进一步减轻，设计、安装简便，降低变电站的造价，构成分散分 布式系统。故障录波器也是变电站综合自动化组成的一部分，随着微机保护的分 散安装，相对应的故障录波器也应随微机保护分散安装，实现分布式功能，满足 变电站综合自动化的要求。 1 3 2 故障录波测距方法概述 对故障测距的研究历史已有五十多年，国内外在原理和方法上的研究已有很 多可供借鉴的成果，根据故障发生后，完成测距功能所需获取电气信息源划分， 大体分为单端测距和双端测距。 l 、单端测距 单端测距仅应用故障录波测距装置安装端的信息来实现故障测距功能。该类 故障测距方法不要求与线路对端进行数据交换，不需要系统通讯设施。故此类原 理的录波测距装置所需附属设施少，成本较低。在单端定位算法中，对发生几率 较大的单相接地故障采用直接解方程算法进行定位计算。对相间短路，直接采用 传统的阻抗算法，即由故障相电流、电压差计算测量阻抗，并据此确定故障点位 置。由于单端测距算法的实现原理不能考虑对端系统运行方式的实时参数的影 响，常规方法中只能对此参数模糊估计或假定，给故障测距精度带来原理性误差。 但单端测距由于其结构简单，故研究和应用极为广泛。下面简述几种单端测距方 法。 ( 1 ) 阻抗法 阻抗法与阻抗继电器的原理基本相同，根据线路长度与阻抗的正比关系，由 故障时电压、电流量计算出故障回路阻抗，进而估算出故障点的距离。此类方法 第一章绪论 的测距精度主要受故障点过渡电阻、对侧系统运行参数、负荷等因素的影响。为 消除上述因素的影响，以提高精度，研究者从不同角度提出了改进。 解微分方程算法。该方法对线路按集中参数建模，忽略线路的分布电容的影 响，通过录波测距装置安装端的暂态电压、电流建立的微分关系式来计算故障测 距。此方法仅需两个不同时刻的瞬时采样值即可求出结果，实时性强。但故障测 距对实时性要求不高，此优点并不实用，相反消弱了抗干扰能力、可能出现伪结 果：不能消除过渡电阻的影响。 零序电流相位修正法，该法假设测距量端零序电流和故障点电流相位差为 0 【，然后通过迭代方法使a 收敛到真值，从而获得故障距离。此方法可基本消除 对端助增电流对测距结果的影响。但是迭代法有可能收敛于伪根或不收敛，导致 故障测距失效。在给定系统参数条件下，是否收敛到真根，取决于仅初值如何选 取，至今尚无可靠依据。 零序电流修正法。此法虽在形式上与零序电流相位修正法不一样，实质上是 用测量端零序电流替代故障点零序电流的迭代，故障测距效果与零序相位修正方 法一样。该方法仍然存在迭代结果可能收敛至伪根或不收敛问题。改善测距精度 的方法还有：故障电流相位修正法和故障电流修正法，其故障测距效果及优缺点 和上述方法雷同。 解方程算法，通过故障电流相位修正方法中的迭代式，推导出以故障距离l 为变量的二次方程求解故障距离，称解方程法。并由方程来反映支路电流与故障 电流不同相位的问题，消除对端助增电流的影响，但又出现了方程的真伪根区别 问题，而且在某些故障模式下会使方程无解。 上述方法的讨论皆以单相接地故障为例，对于其它类型的故障，测距原理一 致，不再详述。由以上分析可知，单端阻抗法都不同程度的受对端系统运行参数 的影响，其中使用迭代算法的还有可能出现伪根问题或不收敛，采用集中参数简 化模型，会形成原理性无常，可用分布参数模型来克服。 行波测距 单端行波测距按其实现的原理分为两种：基于故障点行波的测距原理和基于 注入行波的测距原理。前者是利用故障点本身产生的行波，由测量点到故障点之 间往返一次的时间来推算出故障点距离。后者是再故障发生后，由行波测距装置 发射并注入高压高频或直流脉冲，根据脉冲由装置安装点到故障点的往返时间来 计算故障距离。 该方法原理简单，其核心技术在于准确的捕捉、识别目标行波头的到达时间， 随着硬件水平的提高，以及新的数学工具的出现，如小波分析等，从而赋予此方 法以新的活力，已成为现阶段的一个研究热点。但基于此原理的测距装置成本昂 第一章绪论 贵，另外在识别有效行波和抗干扰、解决近区段反射波识别死区等方面尚待进一 步研究。 ( 2 ) 故障分析法 该方法是利用故障过程记录的电压、电流，通过分析计算，进而求出故障 点的距离。原则上讲，阻抗法也属于故障分析方法，鉴于其明确的物理意义， 故单独论述。 2 、双端测距 双端测距是用故障发生后线路两端的可观测信息来计算故障点位置。显然， 要求线路两端具备通讯的设施，以交换相应的信息，随着系统通讯设施完善及 自动化水平的提高为双端测距的发展创造了有利条件。按原理分两种： ( 1 ) 阻抗法 该方法采集线路两端故障后有关电气量，用阻抗原理分别推算出故障点处电 压，联立解方程求出故障点位置，从而从原理上消除了故障点过渡电阻、系统阻 抗等因素的影响，显然双端测距从原理上讲较单端测距优越。但此类方法中有的 要求双端数据同步采样，导致实现的成本较高，该问题目前已可用g p s 技术解 决。文献通过引入同步角o 【，采用故障点电压模值相等，可避免采样同步问题。 但故障距离求解时带来新的问题，文献需解二次方程，带来真伪根判别问题，文 献采用迭代方法求解，则有可能出现不收敛现象，且引入了新的误差。 ( 2 ) 行波法 。 该方法是用故障点产生的行波第一次到达两端的信息，再由通讯传递此信 息实现故障测距。该方法可不受故障点透射波的影响，克服了单端行波法的困难。 但此类方法同样面临波头识别中的技术问题，并且其实现的性能价格比较低。 3 、非直接接地系统输电线路故障测距 中性点不接地或经消弧线圈接地的电网称为非直接接地系统或称为小电流 接地系统。这种运行方式在我国的3 5 k v 及以下的电力系统中得到了广泛的采用。 该类系统由于其拓扑结构、运行要求、以及故障特征有别于大电流接地系 统，一条馈线发生单相接地故障时，基波分量的变化较小，一般运行是开环，多 为单电源运行方式；在同一电压母线上有多条馈线系统，且单相接地故障时仍能 短时运行( 2 小时内) ；馈线线路较短。 非直接接地系统输电线路故障测距按照实现原理可分为以下两类： ( 1 ) 注入测距法 在配电系统故障测距中，基于注入信号的测距方法较多，有的是向系统注 入高压脉冲信号，通过计算信号的传播时间来定位故障位置，该方法对硬件要求 比较高；有的是对故障馈电线的始端加正弦测距信号，根据始端测量电压和电流， 8 第一章绪论 通过解方程实现故障定位，此方法在特定故障模式下，可能出现不收敛，通过注 入信号实现测距的方法和注入选线方法一样，存在注入信号选择，信道参数等可 变因素的确定，测距的诊断信号识别和测量等问题，如不考虑参数的容错性，现 场测距效果不能保证。 ( 2 ) 故障分析测距法 利用故障后录波数据实现故障点准确定位方法，目前故障分析方法主要是 阻抗方法，阻抗测距方法推导中系统建模、参数简化、分量提取等环节会产生一 定的原理性误差。而且小电流接地系统故障测距不同于中性点直接接地系统，其 故障前后基频分量变化较小，且大多是间歇性瞬时故障，暂态波形畸变严重，所 以基于基频分量的测距方法误差较大。 1 4 本文所完成的主要工作 对输电线路进行故障录波和测距是从技术上提高电网安全可靠运行的重要 手段。准确可靠的故障录波和测距能减少维护人员巡线检查的时间，为加快线路 的恢复，减少因停电造成的经济损失，能检测继电保护及安全自动装置的动作行 为，并能发现由暂态故障引起的设备隐患，提高电网运行的可靠性和安全性。所 以对新型高性能的故障录波测距装置的研制有重要的实用价值和社会经济价值。 本文在系统研究软、硬件新技术最新发展并借鉴原有录波器在多个电力系统 现场多年运行的实际经验的基础上，研究并设计了一个新型的故障录波测距系 统。该系统符合国家经济贸易委员会9 9 年1 0 月1 日最新发布实施的电力行业标 准2 2 0 k v 5 0 0 k v 电力系统故障动态记录装置检测要求。 ( 1 ) 软件设计 软件设计包括录波采集装置底层软件设计和后台分析软件设计。 录波采集装置底层软件部分选用实时多任务操作系统作为开发平台，在保 证数据采样和计算实时性的同时，很好的协调了各个任务的实现，该部分软件主 要由界面显示、以太网通讯、系统自检、录波采样中断处理、录波数据内存管理 等模块组成，其功能包括连续不断地对电网的基本参数进行快速采样；正常运行 时接收并执行分析管理单元下传的参数设置、起动录波、时间同步和复位；将故 障前，故障中和故障后的数据存储于专门的数据区中；多缓存区记录；数据采集 c p u 板将记录的故障数据通过以太网送至分析管理单元进行故障数据存储、分 析、显示以及打印报告。 后台分析软件部分采用微软公司v i s u a lc + + 6 0 集成式开发软件作为开发工 具以w i n d o w s 2 0 0 0 为操作系统平台，实现了与录波采集装置的以太网通讯功能 以及各种实用的分析功能如波形分析、故障选线、故障选相、故障测距、报表打 第一章绪论 印、定值整定、命令下传、文件格式转换、数据远传、功率分析、序分量分析、 谐波分析等。 ( 2 ) 硬件设计 硬件结构设计采用设计美观的标准机箱，内部插件的方式，c p u 选用 m o t o r o l a 的3 2 位处理器，片内扩展专门的通信处理器，运算速度快，通信 功能强大；采用工业级16 位a d 采集芯片，提高数据采集的分辨率和测量精度； 应用t l 公司高速d s p 芯片，能在高速采样的同时进行快速傅立叶变换等数字滤 波运算，一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法，程序和数据空间分开，可 以同时访问指令和数据，快速的中断处理和硬件i o 支持、多级流水线以及可以 并行执行多个操作，提高启动录波的准确性和抗干扰性，电气隔离和屏敲按国际 标准电磁兼容设计，主要芯片采用表面贴装技术，多层印制板设计，提高了硬件 系统的抗干扰能力及工作可靠性。 第二章故障录波器总体设计 第二章故障录波器总体设计 2 1 故障录波器的发展回顾 国内对故障录波器的研究和开发已经有多年的历史，早期的故障录波器主要 有印刷式、光线式、磁录式等几种类型，当时由于软、硬件方面发展水平的限制， 只能起到故障录波的作用，并且由于录波环节多、容量小、没有时标、无记忆能 力、数据读取误差大等问题的存在使得故障录波器所发挥的作用受到很大限制， 例如在1 9 8 2 年比利时电力系统发生重大故障，因为没有可靠的故障记录分析依 据，造成严重损失；1 9 8 4 年，法国电力系统变压器发生爆炸导致法国5 0 以上 地区处于黑暗之中，同样因为缺少可靠的故障记录分析设备，一年后仍未找出事 故原因。 自8 0 年代中期以来，随着计算机技术被引入继电保护领域，国内外的故障 录波技术便上了新的台阶，在数据记录性能上有了很大提高，基本解决了光电式 故障录波器录波环节多、容量小、没有时标、无记忆能力、数据读取误差大等问 题，以具有记忆功能强、存储容量大、能进行故障计时、故障类型判别、故障参 数和事件顺序记录、能实现数据远传和便于进行后台分析等特点，故障录波器得 到迅猛的发展。1 9 8 0 年，我国第一台超高压电网故障录波装置诞生；1 9 8 4 年， 我国第一台微机继电保护装置问世，历经十余年，微机型故障录波器已经取代了 光电式录波器，成为电网故障信息记录的主力，在许多重大事故的调查和分析中 发挥了重要作用。同期国外出现了以瑞士l e m 、美国i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t si n c 等为代表开发故障录波屏的国外公司。进入9 0 年代，在1 9 9 5 年英国c s d 公司 购买了中国研制开发的微机故障录波测距软件则开创了我国电力系统向国外出 口软件技术的先例，使中国电力科研成果真正走上了世界。 随着微机技术的发展及其被引入电力系统应用领域，使得故障录波器的发展 得到了质的飞跃，故障录波器由于其自身的特点是应用新技术最快的电力系统二 次设备之一。自8 0 年代中期微机型故障录波器出现以来，故障录波器的功能得 到了很大扩展，由于这时的录波数据可以数字式存储，因而故障选相、故障测距 以及谐波分析、有效值计算、频率计算等离线分析功能首先被引入。 第二章故障录波器总体设计 2 2 故障录波器的设计 由上述可见，故障录波测距系统随着新技术的发展其性能不断地提高，其功 能也在不断的拓展，自然对设计方面也在不断提出新的要求，因为内在功能要求 不同，所以故障录波器的设计与继电保护装置及其它自动装置的设计相比有其自 身的要求和特点，简述如下： 1 、采样速度高。一般采样频率不小于5 k h z ，以满足各种分析与计算的需要。 2 、采样精度高。作为分析电网故障和继电保护及安全自动装置动作行为的有力 工具，录波器的采样精度应高于继电保护的采样精度。 3 、数据的真实性。录波器的使命决定了它必须保证所采集数据的真实性，这一 点对故障再现和仿真研究，乃至进一步利用故障数据资源十分重要，所以采 样时尽可能减少录波。 4 、启动方式灵活多样。可设定各电网参数变化启动，如正序、负序、幅值越限、 振荡、幅值突变以及频率越限等，可由用户自定义外部触发启动及开关量启 动、手动启动、遥控启动等，以上启动方式可自由组合。 5 、数据输出格式。采用标准数据记录格式，提供自定义的记录格式与标准的 c o m t r a d e 格式之间转换功能，以实现与其它故障分析设备交换数据， c o m t r a d e 标准的数据文件有三种类型的相关文件，每一种文件都带有不 同级别的信息：引导、组态和数据。为了便于识别文件类型，分别采用不同 的文件扩展名。以h d r 作后缀的文件表示引导文件，c f g 表示组态文件， d a t 表示数据文件。组态文件可由计算机程序来识别，因此它必须具有特定 的格式。组态文件中所记录的数据包括如采样率，通道号及线路频率等内容， 为计算机程序分析暂态数据提供了必要的信息。数据文件记录的数据包括每 个输入通道的每次采样值。引导文件则为用户提供一个附加信息的描述样本， 以便更好地了解暂态记录的条件。引导文件不受应用程序控制。 6 、网络功能。网络功能是新型故障录波器区别于现有录波器的一个重要方面， 实现录波器分散布置，网络化管理和通讯，解决好与变电站自动化的衔接， 并且要将各变电站或发电厂的故障数据远传至调度中心，要求故障录波传输 网络必须是一种远程、高可靠性、数据吞吐量大的系统，当然还要尽可能节 省投资。 7 、后台分析软件功能要求。 ( 1 ) 录波记录及多种记录方式 ( 2 ) 能准确可靠的选相、测距。 ( 3 ) 谐波分析功能，事件顺序记录 第二章故障录波器总体设计 ( 4 ) 事故发生后，能按国家标准要求输出详细的故障报告。 ( 5 ) g p s 对时系统及全汉化友好人机界面 ( 6 ) 数据远传功能。 ( 7 ) 完善的软硬件自诊断系统 集中式录波器是将各种前置数据采集单元、( c t 、p t ) 变送器箱以及后台机 ( 一般采用工业控制机) 、打印机、远程通讯m o d e m 等集中安装在一面屏 上，实现录波器的所有功能，模拟量和开关量集中引至屏背后竖端子上。 ( 1 ) 数据采集单元与工控机一体式 模拟量数字量 图2 1 数据采集与工控机一体式录波器工作流程 数据采集单元一般是模拟量和数字量采集卡( 板) ，将之插在工控机的i s a 或p c i 插槽内，通过数据采集卡的驱动程序由后台软件将采样数据读入工控机 内存，由工控机进行采样数据的实时计算，当满足启动条件时启动录波，录波 结束后数据在硬盘上存为文件，文件存储结束后，后台软件人工或自动进行分 析处理，输出报告，如上图所示。 第二章故障录波器总体设t f ( 2 ) 数据采集单元与工控机分离式 该种结构中，各模拟量和数字量的数据采集单元一般单独装在一个箱体内， 该箱一般称之为前置机，前置机内一般有一块主控制板实现与后台机的通讯和前 置机的液晶界面显示。 当 录波、一m m 丁t 地录波网 u 王u i 录波装置 录波装置 录波装置 图2 - 2 分布式录波器网络结构 电力系统的故障录波作为事故分析的重要手段，正向集中管理实时分析的专 家系统发展。这一新技术的应用提高了故障录波的自动化水平；减轻了运行人员 的工作强度；能够对故障和继电保护动作信息进行集中分析；能够进行文件的远 方通讯、存储、输出。这一新技术也将故障录波装置由分散安装、就地分析提高 到了分散安装、就地分析并可实时集中分析的阶段，为快速分析事故提供了先进 技术手段。很显然，未来的故障录波装置既应是一种事故记录仪，又应是一种事 故分析专家系统。 ， 2 3 故障录波器的总体设计方案 随着电力网络的扩大化复杂化和区域网互联趋势的到来，电力系统的行为也 将越来越复杂。一些原有的假设条件和简化模型的适用性都将接受进一步的挑战 和检验。在此情形下，丰富详尽的现场实测数据，尤其是故障或非正常状态下的 数据，无疑将具有越来越重要的价值。它们不仅是分析故障原因、检验继电保护 动作行为的依据，也为电力工作者研究了解复杂系统的真实行为、发现其规律提 供了宝贵资料。因此，故障录波装置作为电力系统暂态过程的记录设备，电力系 统对其要求也越来越高了。 在2 2 0 k v 及以上等级的变电站中，一旦有事故发生造成的影响将会很大，为 综合分析事故原因，要求同步记录下所有重要线路、母线电压以及各断路器位置 等信息，一般现场选用集中式组屏的录波测距系统较多。而在中低压变电站为节 第二章故障录波器总体设计 省资金一般倾向于选用配置更为灵活的录波模块和录波插件。 本文所提出的故障录波测距数据处理系统是按照分布式方案设计，同时又兼 顾集中组屏的需要。遵守i e e e 8 0 2 3 规约的t c p i p 协议，通过以太网与后台机 连接通讯。系统组网方式有： ( 1 ) 分布式 所谓分布式故障录波系统是指分布于各个电气间隔或各个变电站的录波采 集单元和分析单元通过通信网络连接成一个有机的整体，共同完成电力系统或其 一部分的故障录波与分析功能的系统。多个录波模块可根据需要装在多面屏上， 如线路录波装在线路保护屏，变压器录波装在变压器屏等。各个录波模块或插件 通过光纤或双绞线接入录波网。如图2 3 所示。 鏖黔獭嘲獭呵 ；远方维护中心 戳k 一一 一h 毯k 磊。孤。一一二 l b 后台机 l b l b l b l b 录波网 图2 3 分布式安装系统结构图 ( 2 ) 集中式 对于集中组屏的场合，一面屏可安装多个录波模块，如图2 - 4 所示。 第二章故障录波器总体设计 空气开关 1 n 故障录波测距装置 集线器 工控机 2 n 故障录波测距装置 键盘、鼠标 卫星钟 3 n 故障录波测距装置 打印机 图2 - 4 集中组屏系统结构图 一1 6 第二章故障录波器总体设计 录波模块由交流插件、c p u 插件、开入插件、电源插件、面板等组成。 ( 1 ) 交流插件 现场c t 、p t 二次侧送来的交流电量信号，经具有电磁隔离的电压和电流变 送器进入低通滤波器以屏蔽掉高频干扰，接入a d 转换芯片，c p u 对输入信号进 行采样，并将采样数据进行处理。 ( 2 ) c p u 插件 c p u 插件所用c p u 为摩托罗拉的高集成度3 2 位工业控制用芯片，片外逻辑均 通过i 0 芯片隔离和c p u 连接，抗干扰能力强，c p u 插件上有2 m 字节f l a s h r o m ， 2 m 字节r a m ，能够存储多次录波数据，存储录波次数的多少根据设定的一次标准 录波时间的长度而定，r a m 有后备电池保护，掉电时短时间内录波数据不会丢失。 随着d s p 技术的迅速发展，数字信号处理器以其独特的结构、日益提高的性 能价格比和快速实现各种数字信号处理算法的突出优点，在通信、语音合成和识 别、图像处理、高速控制、仪器仪表、医疗设备、家用电器等众多领域获得广泛 的应用。通过在c p u 插件中引入高速d s p 芯片设计，具有片内定时计数器、同 步串行口、d m a 控制器、片内r a m 、中断控制器等硬件资源，在高速采样的同时 进行快速傅立叶变换等数字滤波运算，不仅大大增强了故障录波器的数据处理能 力，而且提高了启动录波的准确性和抗干扰性。 在a d 转换中，数字量的位数就代表了信噪比。通过采用1 6 位a o 转换芯 片，极大地提高了转换精度。每个装置可接入3 2 路模拟量。 ( 3 ) 开入插件 现场送来的开关及保护空接点信号经过滤波和限幅后，经光电隔离器送到锁 存器，c p u 通过i o 接口将开关量状态读入内存以备分析，每块开入插件有3 2 路开关量输入回路。 ( 4 ) 电源插件 本插件输入电压为交直流两用，直流输入经逆变后输出装置所需三组直流电 压： 1 ) + 5 v ：为c p u 及其外围芯片提供工作电源 2 ) + 1 2 v ：为模拟输入回路运放及a d 芯片提供工作电源 3 ) 开入2 4 v ：为开入回路提供工作电源 四组电压均不共地，且采用浮地方式，同机壳不相连。 ( 5 ) 面板 面板上有一个8 1 6 液晶显示屏和一个9 键的薄膜键盘，通过液晶和键盘可 实现诸如报告查询、测量显示、参数查看、参数修改等基本功能。面板上有7 个指示灯，反映装置的运行状态及异常告警指示等信号。 第二章故障录波器总体设计 录波模块内部各插件的相互关系如图2 5 所示，c p u 插件上的c p u 芯片完 成录波内存调度、界面显示控制、键盘处理、以太网通讯处理、串口通信处理等 功能，插件上的d s p 芯片实现有效值、序分量等实时数值计算，并根据设定的 模拟量定值进行启动判断，一旦启动录波由c p u 芯片控制录波数据暂存，启动 通讯模块实现数据转存并生成录波报告。 基于当前先进的计算机硬件技术提出的这种新型故障录波测距系统，其分布 式的系统结构有利于系统的进一步扩充及与自动化接口，能适应电力系统发展的 需要；其以太网通讯能满足故障数据大容量、高速性的要求，解决了单片机的高 速采集与串口的低速传输间的矛盾。 指示灯液晶键盘维护口 图2 5 录波模块内部插件联系图 录波数据通过以太网转存到后台机后，可用后台分析软件根据设定自动或人 工打开数据并进行各种分析，如果是自动分析，则会给出当前数据的一个包括故 障线路、故障相别、故障距离、故障时间、故障前后7 个周波有效值等内容的分 析报告，如果是人工分析，则可利用分析软件的故障测距、谐波分析、序分量分 析、矢量图分析、阻抗参数计