（电力系统及其自动化专业论文）基于gprs与bs模式的电网故障行波定位网络研究.pdf

a bs t r a c t p 0 w e fg r i df a u l t sc a ng e n e r a t et r a v e l i n gw a v es i g n a l sa tt h cf a u l tp o i n t t h es i g n a l st r a n s m i tt ob o t hc n d s0 ft h cf a u l t e dt r a n s m i s s i o nl i n ea tt h c s p e c do fe l e c t r o m a g n e t i cw a v c ，a n dp r o p a g a l ef u r t h e ri n t ot h ew h o l cg r i d t h el r a v e l i n gw a v es i n g a l sc a nt h u sb ed e t e c t c di ne v e r yp o w e rs t a t i o n t h c t f a v c l i n gw a v cb a s cf a u l tl o c a t o fr e c o r d st h et f a v e l i n gw a v ea r r i v a lt i m e si n e v e r ys u b s t a t i o n ，t h e na c c u r a t e l yc a l c u l a t e st h ef a u l tp o s i t i o n s t h cp o w c r g r i df a u l t1 0 c a t i o nw i t ht r a v c l i n gw a v ei sa ni m p o r t a n tr c s c a r c ht o p i ci nt h e w o r l d t h ct r a v e l i n gw a v el o c a t i o nn c t w o r k ，g p r s ( g e n c r a lp a c k c tr a d i o s c r v i c e lc o m m u n i c a t i o na n df a u l tl o c a t i o ns o f t w a r ca r ed i s c u s s e di nt h c t h c s i s g p r si so n eo ft h eb e s tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i c sf o rf a u l t l o c a t i o nn e t w o r k s t h ec h a r a c t c r i s t i c so fg p r sa r ci n t r o d u c e d a n dt h e c o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n t sa n dt o p o l o g i c sf o rf a u l tl o c a t i o nn e t w o f l 【a f e a n a l y z e df i r s t l y i nt h ct h e s i s t h cd a t a a c q u i s i t i o nd c v i c e( d a d )f o r t r a v e l i n gw a v ei sd e v e l o p c dw i l ht r a v c i i n gw a v cs c n s o r ，s i g n a lp f o c e s s i n g m o d u l c ，h i g h - p r e c i s i o nc l o c ka n dg p r sm o d u l c t h es e l e c t i o na n ds c t t i n g f o rg p r sm o d u l ea r ed i s c u s s e di nd e t a i l c o n s i d e r c dt h cf a u l tl o c a t i o n a l g o r i t h m ，t h ed a d sc o n f i g u r a t i o ni sp r e s e n t e d a n dt h eg p r sb a s e df a u l t l o c a t i o nn e t w o r ki nh u n a nz h u z h o up o w c rg r i di sd c s i g n c dw i t hn i n ed a d s b f o w s e r s c r v e rb a s c df a u l tl o c a t i o ns o f t w a r ci sd e s i g n e dw i t h n e t l a n g u a g e t h ed a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w c e nd a t aa c q u i s i t i o nd e v i c e ( d a d ) a n df a u l ti o c a t i o ns e f v c ri si m p l e m e n t e dw i t haw i d g e tn a m c dw i n s o c k i n s q ls e r v e r2 0 0 0p l a t f o r m ， d a t a b a s c i n v o l v i n g a b u n d a n tf a u l tl o c a t i o n n c t w o r kd a t aa n dg r i df a u l td a t ai sc o n s t r u c t e d t h cf a u l tl o c a t i o n i n f o r m a t i o nc a nb cv i e w e di ni n t e r n e ta n y w h e r c af a u l tl o c a t i o na l g o r i t h m w i t h o u tt h ci n f l u c n c e0 fw a v cs p c e da n df a u l ta r c i n gi sp r e s e n t c d i tc a n i d e n t i f yt h cd i f f e r e n c eo fr c f l e c tt r a v e l i n g - w a v c sc o m i n gf r o mf a u l tp o i n t a n dt h e0 t h e rs u b s t a t i o n t h et r a v e l i n gw a v eb a s e dl o c a t i o nn c t w o r kf o r z h u z h o up o w c rg r i di sd e v e l o p e d t e s t i n gr c s u l t ss h o wt h a tt h en e t w o r ki s w i t hh i g hp r c c i s i o na n dr o b u s t n e s s ，a n dt h ef a u l t1 0 c a t o re r r o ri sn om o r c t h a n3 0 0 m 1 1 k e y w o r d s ：p o w e rs y s t e m ；p o w e rg r i d ；t r a v e h n g - w a v e ；f a u l ti o c a t i o n ； g p r s ：n e t i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 吕乏日斯：弘口7 年歹月刃日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：吕庋日期：加羼了月羽日 导师躲巧吩拄魄哆年岁月哆日 i 1 1 选题的背景和意义 第一章引言 随着我国国民经济的不断发展，对于电力的需求不断加强，电力工 业得到了很大的发展。各大区电网基本形成了以5 0 0 k v 输电线为骨干的 输电网。超高压输电线路距离长，需要穿越各种复杂地形。高山地区线 路杆塔跨距大，导线垂弧大，容易发生风偏短路事故：森林地区由于地 理、气候的原因，雷雨季节常常发生对树枝放电而引起的短路故障。根 据统计，高压输电线路是整个高压输电网故障发生率最高的地方。一般 而言，输电线路故障大致可分两大类型：瞬时故障和永久故障。瞬时故 障通过重合闸可恢复供电，但故障点往往是薄弱点，故障后需要对故障 点进行处理，以免二次故障而危及电力系统的安全稳定运行。而当永久 故障时，则需迅速查明故障并及时排除，排除时间的长短直接影响到输 电系统送电保障和电力系统的安全运行。排除时间越长，则停电所造成 的损失越大，同时对整个系统稳定运行的冲击也越大。故障点的快速、 准确定位能够大大缩短故障修复时间，减少停电损失，对于电力系统的 安全稳定和经济运行有着重大的意义_ l ，l 。 故障行波定位装置是一种定位故障点的自动装置，当电网发生故障 后，能快速准确地显示故障点位置。故障定位装置的使用将大大减轻线 路运行维护人员的负担，加快了电网故障恢复速度，给电力企业带来巨 大的经济社会效益。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 故障行波定位理论的发展 人们很早就发现了高压输电线路发生故障时，会在故障点产生沿线 路以接近光速的传播速度向线路两端传播的暂态行波，通过检测故障行 波在母线与故障点之间的传播时间可以精确计算故障点位置。2 0 世纪4 0 年代末，人们提出了故障行波定位的理论。当时的行波定位原理分为a 、 b 、c 、d 四种类型 。a 、c 类型为单端定位，b 、d 类型为双端定位。 a 型原理是在故障行波初始浪涌到达测量端母线时启动一个电子计 数器，而在该行波在故障点反射回来时停止计数器，得到行波在测量点 与故障点之间往返一次的传播时间，通过这个时间可以计算出故障点位 1 置。这种原理的主要缺点在于无法区分故障点反射波与其他波阻抗不连 续点的反射波，可靠性比较差。 b 型原理以线路一端为收信端，另一端为发信端。当故障初始行波 浪涌到达收信端时启动一个电子计数器，到达发信端时启动发信机并向 收信端发信。当收信端接收到发信端的信号时停止计数器，得到的时间 为行波在故障点与发信端之问往返一次的传播时间，对应故障点到发信 端距离的两倍。这种原理的优点在于不受系统中其他波阻抗不连续点反 射波的影响，但需要实时通信通道，可靠性和定位精度受通信通道影响 较大。 c 型原理是借助脉冲发射装置向离线的故障线路发射高压高频或直 流脉冲，根据高频脉冲由装置到故障点往返时间进行故障定位。这类定 位装置原理简单，精度也较高，但要附加高压脉冲信号发生器，比较昂 贵和复杂，应用很少。 d 型原理通过载波同步装置实现两端定位装置的同步计时，在此基 础上记录故障行波初始浪涌达到线路两端的绝对时刻，通过两个时间之 差来进行故障定位计算。它与b 型原理一样不受来自系统中波阻抗不连 续点反射波的影响，但需要建立同步时钟和通信通道。同步时钟的精度 对其可靠性和定位精度影响很大。 由于当时对行波现象的认识水平不足，行波波头钡4 量等客观技术条 件的限制，此时的故障行波定位在可靠性、准确性和经济性上都存在不 少的问题。2 0 世纪7 0 年代末，微机保护技术的发展，人们采用故障点到 母线间的线路阻抗计算故障距离，使得阻抗法取代了早期的行波定位法。 电力系统电磁暂态计算理论和数字信号处理技术的发展使故障行波 定位法重新进入研究人员的视野。其基本原理是通过构造各种数字信号 处理算法来检测故障点反射过来的行波信号，从而得到故障行波在测量 端与故障点之间往返一次的时问，通过这个时间来定位故障点位置。具 体应用中可分为相角差法、求导数法、行波相关法和波形畸变法等等i j 巾1 只是这几种方法受对端母线反射波的影响较大，得出的结果并不使人满 意。 2 0 世纪9 0 年代以后，故障行波定位法在暂态行波的提取，相关领域 技术的应用以及定位原理和算法上的研究上都取得了许多重大突破，获 得了越来越广泛的应用。 1 暂态行波的提取 2 0 世纪9 0 年代初，我国学者的研究表明，常规的电流互感器能够传 变1 0 0 k h z 以上的电流暂态分量l ，完全能够满足行波定位的要求。文献 2 f 1 1 】和【1 2 】进一步发展了利用暂态电流行波进行故障定位的思想，可以从 故障线路和同母线上任一健全线路电流暂态分量中提取故障线路上的电 流暂态行波。文献【3 】和文献【1 3 】则采用专门研制的行波传感器提取电容 式电压互感器( c v t ) 地线上的电流暂态信号，从而间接反映线路电压 暂态信号。 近年来，光学电流互感器( o c t ) 和光学电压互感器( o v t ) 也逐 渐应用于电力系统中”j ，它们的广泛应用将使暂态行波信号的提取变得 更加容易。 2 相关领域技术的应用 现代微电子技术的发展、全球卫星定位系统( g p s ) 的民用化以及现 代通信技术的发展对故障行波定位技术有着深远的影响。 现代微电子技术的发展使得对于电压和电流皙态信号的高速采集和 存储成为现实i l 1 ，对故障行波定位( 尤其是单端定位技术) 的实现提供 了物质基础。2 0 世纪9 0 年代，随着全球卫星定位系统( g p s ) 的民用化， 线路两端高精度同步时钟信号的获取不再是一个难题，d 型原理? 的实现 成为可能1 1 7 j 。现代通信技术的发展为故障行波定位提供了方便、快捷、 可靠的通信通道。 3 故障定位原理和算法的发展 目前，比较受研究人员关注的故障行波定位算法基本上分为a 、d 、 e 、f 四种类型。a 、e 、f 为单端定位，d 为双端定位。a 型、d 一型都是 在以前a 型、d 型的基础上发展而来，基本思想没有太大的变化。e 型 原理利用断路器重合闸时产生的暂态行波在测量点与永久性故障点之间 往返一次的时间计算故障点位置j 。f 型原理则利用断路器分闸时产生的 暂态行波在测量点与故障点之间往返一次的传播时间计算故障点位置 1 1 9 2 0 l 。目前，在实践中，a 型、e 型，f 型原理都无法通过计算机自动区 别故障点反射波与对端母线反射波的到达时间，只用通过人工分析暂态 波形来识别以上两种反射波，取得可靠的定位结果，因而这三种原理无 法单独使用，只能与d 型原理结合应用于故障行波定位装置中，做为对 d 型原理定位结果的校正。 新的现代数字信号处理算法一一小波变换的出现，促进了故障行波 定位理论的进一步发展1 2 1 i i z ，1 。经小波变换后，信号的模极大值点对应原 信号的奇异点( 不连续点和不可导点) ；而随机噪声产生的奇异点虽然也 是小波变换后的模极大值点，但它不能沿小波变换尺度传递，因此，小 波变换是一种分析非平稳信号奇异点性质的有效途径1 2 6 m l 。 线路故障产生的暂态电压和电流信号是一种非平稳信号，而故障初 3 始行波浪涌和来自波阻抗不连续点的反射波都会成为一次侧电压和电流 暂态分量中的奇异点。从原理上来看，分析暂态行波分量的奇异性，可 以获取初始行波浪涌和故障点反射波到达测量端母线的时间差，实现故 障定位。 1 2 2 故障行波定位应用及研究 尽管各种行波定位算法在理论上不是十分完善，但国内外已经有现 代行波定位装置和系统投入实际运行，积累了不少运行经验，也产生了 很大的经济效益。 1 9 9 2 年，哈德威仪器公司开发了基于暂态电流行波的故障定位装置， 在苏格兰电网试运行。1 9 9 7 年，故障行波定位系统已经覆盖了苏格兰所 有的4 0 0 k v 、2 7 5 k v 以及部分重要的1 3 2 k v 线路1 2 3 l 。实际运行中，该装 置故障定位精度在3 0 0 m 以内。 1 9 9 5 年，山东淄博科汇电气有限公司和西安交通大学联合研制出基 于暂态电流行波的x c 1 1 型输电线路故障行波定位装置，在辽阳5 0 0 k v 变电站投入试运行。该装置利用高速采集模块与g p s 同步时钟实现对暂 态电流行波信号的采集与线路两端精确时间同步。到2 0 0 0 年，x c 1 1 装 置已有数十套在辽宁、山东、甘肃、四川、广匹、湖北及陕西电网投入 运行。2 0 0 0 年，科汇公司推出了x c 1 1 的下一代产品x c 2 0 0 0 ，能够同 时采集8 回线路的电流和电压暂态信号1 2 h 圳。 2 0 0 2 年，中国电力科学院研制出w f l 2 0 1 0 故障行波定位装置。该装 置采用连续小波分析技术实时处理故障行波，定位精度在5 0 0 m 以内m i 。 以上几种装置都是以线路为角度来进行故障定位。科汇公司开发的 x c 2 0 0 0 虽然能够同时采集8 回线路的电流和电压暂态信号，从理论上 来说能够实现整个电网的综合故障定位，但无疑会增加数据分析的难度 和故障定位的计算量，科汇公司的资料也未提出x c 2 0 0 0 在这方面的应 用。 、 1 9 9 3 年，加拿大不列颠哥伦比亚水电公司研制出基于电压行波的故 障行波定位系统，采用全网综合定位的思想，通过在采集故障产生的暂 态电压行波信号，实现故障定位i ，i 。该系统安装在哥伦比亚省的1 4 个 5 0 0 k v 变电站，采用d 型原理，实际运行中定位精度在3 0 0 m 以内。加 拿大的故障定位系统必须改变一次接线，不符合中国国情，在国内难以 推广。另外，文献 3 3 中也未提到定位装置优化配置的问题，只是在全 部5 0 0 k v 变电站安装定位装置。 4 c m 图1 1 加拿大哥伦比亚省电网故障行波定位系统” 作者所在的课题组开发了一种基于电压行波信号的d 型行波定位装 置，并在株洲电网投入运行1 2 t 川- 州圳。该装置通过专门的行波传感器以硬 件方式提取暂态行波信号，通过g p s 和恒温晶振产生高精度同步时钟信 号。整套系统从全网综合故障定位的角度，记录一次故障产生的故障行 波初始浪涌到达电网中每个节点的时间，从这些数据当中选择合适的数 据进行故障点位置计算，其他数据可作为冗余备用。整个系统具有n 1 的容错能力，某些装置发生故障不会影响整个电网的故障定位。 经过国内外多年的实际运行表明，采用现代故障行波定位理论的定 位装置具有定位精度高，适用范围广等优点。虽然故障行波定位的理论 还没有尽善尽美，但定位装置的研制已经达到可以实用的阶段。 1 3 本文所做的主要工作 本文在课题组提出的基于整个电网的综合故障定位思想的基础上， 对故障定位网络的设计、定位装置的配置和故障定位算法进行了一些研 究。 1 前面提到，通信通道是d 型原理中不可缺少的一个部分。国内外 5 故障行波定位装置都采用有线通道，例如电话线、光纤等。通信线路一 旦发生故障( 如线路老化、虫蚁鼠咬等) ，对故障定位网络会造成影响， 而通信线路的故障排除也是一个难点。为此，本文选择g p r s 网络作为 故障行波定位网络的通信通道。g p r s 是近年来出现的无线通信技术，特 别适合小流量、频繁的数据传输，对于故障定位网络来说是非常合适的 选择。 2 对于定位装置配置优化的问题，本文参考p m u 装置优化配置的理 论，结合故障行波定位装置自身的特点，提出了一种优化配置的思路， 并且为株洲电网设计了一个故障行波定位网络。 3 最后，本文设计了b r o w s c r s e r v e r 模式的故障定位网络软件。b ，s 模式是i n t e f n c t 与传统的c l i e n t s e r v c r 模式相结合的产物。它既具有 i n t c r n e t 广泛的可访问性，也具有c ，s 模式结构设计简单与丰富的功能l 。 故障定位网络作为一个分布式系统，采用b s 模式来进行软件设计显然 是一种相得益彰的选择。同时，软件使用了一种消除波速与线路弧垂影 响的单端定位算法，作为对d 型算法结果的校正。 6 第二章故障行波定位网络 2 1 故障行波定位网络的结构 整个故障行波定位网络由安装在变电站的定位装置和一台中心服务 器组成。由定位装置组成的网络负责对整个电网中输电线路发生接地故 障时产生的故障行波信号的捕捉。当定位装置捕捉到故障行波信号之后， 将由高精度g p s 时钟记录下捕捉到信号的绝对时刻，传输给中心服务器； 中心服务器接收到各个定位装置传来的数据，对这些数据进行处理、匹 配，挑选出合适的数据进行计算，完成对电网输电线路的故障定位。 定位装置到中心服务器之间的通信通道是整个定位网络中非常重要 的组成部分。故障定位系统对通信可靠性的要求非常高，可靠性直接影 响到定位结果的精度；对于通信实时性的要求虽然没有保护系统那么高， 但是也需要比较小的通信延迟。综合这两方面的因素以及建立通信网络 的成本，g p r s 成为故障行波定位网络中通信通道的选择。做为一种廉价 的无线通信技术，g p r s 非常适合故障行波定位网络涉及地域广，装置分 布分散的情况。 整个故障定位网络的结构如图2 1 所示。 g 尹l 塔z 嘲事臀瑚饕 图2 1 故障行波定位网络结构图 整个网络可以分为三层，底层是由定位装置组成的网络，负责捕捉 电网中的故障行波信号；中间层是g p r s 无线网络加上i n t e r n e t ，负责数 据传输；最后是中心服务器，负责对收到的数据进行处理、故障定位计 算以及提供w e b 形式的界面供调度人员查询。 2 2g p r s 技术概述 2 2 1g p r s 原理 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用分组无线业务) 是在g s m 7 ( g l o b a is y s t c mf o rm o b i l cc o m m u n i c a t i o n s ，全球移动通信系统) 系统 上发展起来的一种新的分组数据承载业务，提供端到端的，广域的无线 i p 连接1 36 j 。 g p r s 基本原理为按照一定的规则，把整个数据报文分割成若干定长 的数据段，给每一个数据段加上收、发终端的地址以及其他控制信息， 以“分组”为单位在移动通信罔上进行传输，这些数据段也被称为数据包。 数据包可以与语音同时传输而互不干扰。在理论上，g p r s 网络能够为服 务区内的每个用户提供峰值为1 7 1 2 k b p s 的数据信道1 3 7 l 。 因此，g p r s 特别适合间断的，突发的或频繁的、少量的数据传输。 2 2 2g p r s 技术的特点 g p r s 技术以分组交换代替了g s m 中的电路交换，其具有资源利用 率高、永远在线，高速传输，计费合理，随意切换等特点。 在g p r s 网络中，g p r s 引入了分组交换的传输模式，使得原来采用 电路交换模式的g s m 数据传输方式发生了根本性的变化，这在无线资源 稀缺的情况下显得尤为重要。对电路交换模式来说，在整个连接期内， 用户无论是否传送数据都将独自占有无线信道。而对于分组交换模式， 用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效 率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。 g p r s 用户端可以一直连接在网络上，请求数据服务前不必重新进行 连接。即提供实时在线功能，“实时在线”，或叫“永远在线”，用户随时与 网络保持联系，即使没有数据传送，终端还与网络保持一种逻辑上的联 系，而不像普通拨号上网那样在断线之后必须重新拨号。 g p r s 的数据传输速度理论上峰值可以达到1 7 1 2 k b p s ，是当前g s m 网络中电路数据交换业务速度的十几倍。目前中国移动建成的g p r s 网 络，用户接入速度大概在3 0 k b p s 4 0 k b p s 。 g p r s 用户只有在发送或接收数据期间才占用无线资源，用户可以一 直在线，计费方式按照用户接受和发送数据包的数量，没有数据流量传 递时，用户即使挂在网上也是不收费的。 用户在进行数据传送时，不影响语音信号的传送。依据不同终端， 数据业务和语音业务的切换也不同，能够在语音服务或数据服务之间随 意切换。 中国拥有世界上最大的g s m 网络，目前已有4 0 0 多个城市开通了 g p r s 业务，可以预见将来g p r s 无线网络能够覆盖全国范围。g p r s 技 术已经在电力系统多个方面得到应用m l _ i o j 。 8 2 2 3g p r s 的可靠性与抗干扰能力 g p r s 在通信过程中采用分组加密和矢量压缩处理，正反向通道密钥 不对称，数据终端每激活一次，移动数据中心自动核对密钥，并更换密 钥一次，密钥由数据中心随机生成，实行动态密钥管理。因此，g p r s 通 信的安全性是非常强的。 在数据传输时，g p r s 将整个数据报文分成若干定长的数据段，以“分 组”为单位在网络上传输，在目的端重新组装恢复成完整数据文件。出于 可靠性的考虑，每一段数据除了收发地址，动态密钥之外，还包括c r c 纠错码、奇偶校验位等。由于g p r s 网络采用跳频技术，同一报文的不 同数据段将在不同的信道和路由中非顺序传播，因此即使截获某一数据 段，也无法得到整个数据的内容。同时，通过设置通信前置机，配置网 络防火墙，网络的安全性也能得到可靠的保证。 2 2 4g p r s 网络结构 g p r s 是在现有g s m 网络基础上增加新功能实体来实现的。在g s m 系统中引入了几个组件，主要有s g s n ( s e f v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e ， 服务g p r s 支持节点) 、g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d e ，网关 g p r s 支持节点) 、p c u ( 分组控制单元) 、点对多点服务中心( p t m s c ) 、 计费网关( c g ) 、域名服务器d n s 和边界网关b g 等j 。 g p r s 网络与g s m 网络同样由若干小区( c e l l ) 组成，每个小区的 面积从几平方公里到几十平方公里不等。b t s ( b a s et r a n s c e i v e rs t a t i o n ， 基站收发信机) 位于小区的中央，它提供g p r s 终端的接入点；多个b t s 组成一个b s c ( b a s es t a t i o ns y s t e mc o n t f o l l e f ，基站系统控制器) _ ，管 理数据在小区中的流动；多个b s c 由s g s n 管理。s g s n 负责移动基站 和g p r s 网络之间的通信，g g s n 则提供通向外部网络( 如i n t e r n c t ) 的 接口。 s g s n 是g s m 网络与g p r s 终端之间的接口，主要作用是记录g p r s 终端的当前位置信息，并且在g p r s 终端和g g s n 之间完成移动分组数 据的发送和接收。g g s n 通过基于i p 协议的g p r s 骨干网连接到s g s n ， 是连接g s m 网络和i n t c r n c t 的网关。g g s n 主要是起网关作用，也称为 g p r s 路由器。g g s n 可以把g s m 网络中的g p r s 分组数据包进行协议 转换，从而可以把这些分组数据包传送到远端的t c p i p 网络。s g s n 和 g g s n 利用g p r s 隧道协议( g t p ) 对i p 进行封装，实现二者之间的数 据传输。整个g p r s 网络的简单结构如图2 2 所示。 9 图2 2g p r s 网络结构 g p r s 终端先通过g p r s 模块与b t s 或b s c 通信，接着b t s 或者b s c 将数据进行分组处理之后，发送到s g s n 。s g s n 进行路由选择，建立定 位装置到g g s n 的传输通道；g g s n 接收定位装置发来的数据，对分组 进行相应得处理，选择合适的路由，将数据发送劭i n t c f n c t 。数据中心通 过i n t e r n e t 与定位装置通信，接收定位装置发来的数据。g g s n 接受来自 i n t c r n c t ，标识有地址的i p 包，根据其地址选择g p r s 网内的传输通道， 转发到相应的s g s n ，继而传送到指定的g p r s 终端。 2 3 故障行波定位网络的实现 2 3 1t c p i p 协议 故障行波定位装置与中心服务器之间通过t c p i p ( t r a n s m i s s i o n c o n t r 0 1p r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ，传输控制协议网际协议) 协议 进行数据传输。t c p i p 协议族包含了很多功能各异的子协议，是一组网 络协议。t c p 和i p 协议是其中最重要的两个协议。t c p i p 是目前世界上 应用最为广泛的协议，它的流行与i n t e r n e t 的迅猛发展密切相关。t c p i p 的目的是提供一整套方便实用、能应用于多种网络上的协议。它使网络 互联变得容易起来，而且使越来越多的网络加入其中，成为i n t e r n e t 的 事实标准l 。 t c p i p 分为四层：应用层、传输层、网络层和数据链路层i 。 应用层是所有用户所面向的应用程序的统称，是t c p i p 的最高层。 这一层面包含许多支持不同i n t e r n e t 应用的协议，例如访问万维网用 h t t p 协议、文件传输用f t p 协议、电子邮件发送用s m t p 协议、域名解析 用d n s 协议和远程登录用t e l n e t 协议等。 l o 传输层的主要功能是提供应用程序间的通信，它对高层屏蔽了低层 网络的实现细节，实现了源主机和目的主机之间端到端的通信。t c p 和 u d p 协议均属于这一层。 网络层是t c p i p 协议族中非常关键的一层，定义了i p 地址格式， 从而使各种类型的数据在网络上流畅地传输。i p 协议属于这一层。 数据链路层是t c p i p 的最底层，负责通过网络发送接收i p 数据包， 或者接收物理帧，抽出i p 数据报文，传递给i p 层。 故障行波定位网络中使用t c p 协议来进行定位装置与中心服务器的 通信。t c p 协议提供i p 环境下的数据可靠传输。它在数据传输之前会进 行网络连接的确认，只有源主机和目的主机建立了端到端的连接，才会 进行数据发送。可靠的数据传输是故障行波定位网络对输电线路进行故 障定位的前提，因此选择t c p 协议作为网络数据传输协议。 2 3 2g p r s 通讯组网方案 根据中心服务器与i n t e r n e t 的不同连接方式，有下面四种组网方案。 方案一：中心服务器使用固定公网i p 。 g p r s 模块与中心服务器之间通过t c p u d p 建立数据连接，中心服 务器作为通信的服务端，具有固定的公网i p ，并指定侦听端口。g p r s 模块上服务端的i p 和p o r t 设置为中心服务器的l p 与中心服务器侦听的 端口。g p r s 模块上电自动拨号，如果与中心服务器之间采用t c p 协议 传输数据，则自动与服务器建立t c p 连接。 此方案技术简单，传输速度快，但固定合法i p 的服务器提高了组网 的成本。 方案二：中心服务器没有合法的i p 地址，但连接的路由器有固定合 法的i p 地址。 g p r s 模块与中心服务器之间通过t c p ，u d p 建立数据连接，中心服 务器没有固定的公网i p 地址，通过路由器连接到i n t e r n e t ，并在路由器 上配置n a t 映射的侦听端口。g p r s 模块服务端的i p 和p o r t 设置为路 由器的i p 地址和路由器上n a t 映射的侦听端口。g p r s 模块上电自动拨 号，如果与服务器之间采用t c p 协议传输数据，则自动与服务器建立t c p 连接。 此方案适合中心服务器处于局域网中的情况，与方案一相比，虽然 不必单独承担申请固定i p 的成本，但必须具有操作路由器的网管权限。 方案三：中心服务器采用动态i p 地址。 g p r s 模块与中心服务器之间通过t c p u d p 建立连接，中心服务器 没有固定的公网i p ，通过域名服务器d n s 注册服务器的动态l p ，并侦听 指定端口。g p r s 模块服务端的i p 和p o r t 设置为服务器在d n s 申请的 固定域名和服务器侦听的端口。g p r s 模块上电后自动拨号，通过d n s 查询劭与固定域名对应的i p ，如果与服务器通过t c p 协议传输数据，则 自动与服务器建立t c p 连接。 此方案适合终端容量和实时性要求不高、或运行经费有限的应用， 不必承担固定i p 的申请费用。由于中心服务器的i p 地址是可变的，所以 必须通过固定域名使g p r s 模块获得服务器当时的i p 地址。如果不申请 顶级的固定域名，可以选择免费的域名服务。 方案四：中心服务器通过专线方式直接连接到g p r s 网络。 中心服务器通过专线方式申请g p r s 网络的固定l p 地址，并指定侦 听端口。g p r s 模块设置服务端的i p 和p o r t 为中心服务器的固定i p 和 服务器侦听的端口。g p r s 模块上电自动拨号，如果与服务器之间采用 t c p 协议传输数据，则自动与服务器建立t c p 连接。 此方案可以保证网络和数据的完全可靠，但是必须与移动运营商共 同建立一个专用网络，租用当地移动通信运营商的接入通道、端口等， 使用费用比上三种方案要高的多。 由于故障定位系统的通讯需求，没有大量的、实时性要求高的数据 传输，因此方案三是经济性和技术性最平衡的选择。这种组网方式成本 低于方案一( 需要申请固定l p ) ，方案四( 需建设专用网络) ，操作比方 案二简单( 不必通过路由器设置n a t 映射) 。所以，故障行波定位网络 的实现方案选择方案三 中心服务器通过a d s l ( a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，非对称 数字用户线) 拨号上网与i n t c r n e t 连接，此时中心服务器将获得一个动态 i p 。然后中心服务器向域名服务器注册l p 地址，定位装置通过域名服务 器获得中心服务器的i p 地址，之后便可以与中心服务器建立连接，进行 数据传输。 2 3 3 故障定位装置配置方案 如果电网中所有母线都安装定位装置，整个定位网络的冗余度最大， 网络的容错性能最高。但现代电力系统的规模很大，每条母线都安装故 障定位装置不仅不经济而且也没必要，故障定位装置的最优化布点是一 个值得研究的问题。 故障定位装置布点方案设计可以看作是一个两约束条件下求最优解 的问题。一个约束条件是故障定位装置数目最小，另一个约束条件为系 统为可观的。 系统的可观性是指对于任意给定的输出，在有限的观测时间内，输 出都能唯一确定系统在初始时刻的状态i “l 。考察一个系统的可观性有两 种方法：数值分析和拓扑分析m h 7 l 。 1 代数可观 一个有n 个节点，m 个测量向量的电力系统可以通过如下的线性方 程来描述： 2 一胁+ e ( 2 1 ) 式中：z 为m 维测量矢量；为m ( 2 n 一1 ) 阶测量矩阵；j 为2 n 一1 维电压 状态矢量，包含系统中各个节点电压向量信息；f 为测量误差，是个一个 m 维矢量。 ， 如果测量矩阵是满秩矩阵，那么这个系统是代数可观的。 2 拓扑可观 从图论的角度，电力系统可以看作一个由n 个定点和b 条边构成的 图g - ，e ) ，y 表示图的顶点集合，e 表示图的边的集合，分别对应于电 力系统中母线和支路的集合。测量网络构成了一个子图g 一，) ，并有 y y ，e e 。如果测量网络与系统的关系满足y y ，则系统是拓扑可 观的。 文献【4 5 】中提到，这两种分析方法得出的结果并不等价：代数可观的 系统一定拓扑可观；但拓扑可观的系统不一定能得出代数可观的结论。 在实际应用中，数值分析方法运算量巨大，且精度易受累积误差影 响，因此，拓扑分析方法较数值分析方法的实用性更强。 目前对于故障定位网络中定位装置优化配置的研究，还没有文献表 明有这方面的研究。本文根据涉及的定位装置的性能特点以及定位算法 的要求，提出以下几条配置原则： 1 一条安装了定位装置的母线，其上所有出线的故障都可直接定位。 2 若输电线路一端装有定位装置，则另一端不必安装定位装置也能 直接完成故障定位。 3 只与一个节点有支路的孤立节点必须安装定位装置。 4 5 0 0 k v 变电站必须安装定位装置 5 在连接支路数目相同的情况下，2 2 0 k v 变电站的优先级高于 1 1 0 k v 变电站。 6 相邻的两个节点至少有一个安装有定位装置。 首先所有的孤立节点与5 0 0 k v 变电站都配置定位装置；接下来的定 位装置配置于连接支路最多的节点，如果有连接支路相同的节点，先比 | 3 较其优先级，优先级相同则随机选择一个节点安装定位装置；第二台定 位装置应该安装在这样一个节点上一一现有的装置能够最大限度的覆盖 网络，如果覆盖网络程度相同，选择连接支路多的节点；其他的装置按 照同样的方法来配置，直到整个系统可观性达到要求。再对配置方案进 行检测，若有未安装相邻节点，则重新设计方案 定位装置配置方案的设计流程如下： 是 蓟 图2 3 定位装置配置方案设计流程图 下面以株洲电网为例，设计一个故障定位装置配置方案。株洲电网 的结构如下图所示： 白马垅 滴水井 网岭 图2 4 株洲电网结构图 按照配置原则，首先在桂花、南华、渌口、网岭和云阳安装定位装 置。第六台装置安装在云田变，因为它是唯一的5 0 0 k v 变电站。那么， 第七台装置应该安装在团山变，团山变连接的线路是最多的，安装的定 位装置所覆盖的网络因此是最大的。叶子冲变安装第八台装置；在牵引 变安装第九台定位装置。此时，整个电网拓扑可观，而且每两个相邻节 点必有一个节点配置有定位装置。 白马垅 2 3 本章小结 图2 5 株洲电网故障定位装置配置图 滴水井 本章首先简单介绍了g p r s 技术的原理与g p r s 网络的结构，接着阐 述了故障定位网络的结构特点，选择了适当的g p r s 通信组网方案。最 后，提出一种定位装置优化配置的原则，并根据这些原则设计了一个株 洲电网的故障行波定位网络，通过九台装置就可完成对全网的故障定位。 1 6 第三章故障行波采集装置 定位装置安装在电网中选定的变电站，所有的定位装置一起便组成 了捕捉电网故障行波信号的网络。定位装置的主要功能是捕捉输电线路 发生接地故障时产生的电压行波信号，通过高精度g p s 时钟模块，记录 行波信号到达的绝对时刻，然后将此数据通过g p r s 网络发送到中心服 务器。定位装置主要分为两部分，一部分专门研制的行波传感器，一部 分是采样单元箱。 3 1 行波传感器 输电线路故障行波定位可以分为电流行波故障定位和电压行波故障 定位两种方式。故障行波波头信号的提取则分为软件和硬件两种方式。 目前国内的研究以软件方式为主，但通过软件提取波头信号需要高速采 集系统以及复杂的分析计算，需要性能比较高的硬件支持，因此定位装 置的成本比较高；加拿大成功研制了一种通过硬件提取电压行波波头信 号的故障定位系统，无须进行高速采集和信息处理，成本低，精度高， 但这种装置要在电容式电压互感器( c v t ) 的地线上串接一个电抗器，改 变了一次系统的接线，在我国是难以进行应用的。本课题组对加拿大的 方法进行了改进，研制了一种与一次系统无直接电联系，不影响系统运 行的行波传感器n 一。其基本原理就是通过c v t 地线上电流行波反映线路电 压行波，以此达到捕捉线路电压行波波头信号的目的。 汀书 图3 1 行波传感器结构 图3 1 就是行波传感器的结构：一个罗柯夫斯基线圈套接在c v t 地 线上，它的感应线圈与电阻r 相连，同时还并连一个电压钳位电路t v s 和 分压电路r 。r 。 当电流行波信号流入c v t 地线时，在r 上就会产生一个感应电压u ， 经t v s 电路限压后，再由分压电路分压，输出一2 5 v 2 5 v 的行波硬件启 动信号到采样单元箱进行行波波头辨识。 1 7 3 2 采样单元 采样单元的功能是对行波传感器送来的行波硬件启动信号进行辨 识，若符合装置的设定值，则认为这个信号是有效的故障行波波头信号， 通过高精度g p s 时钟记录下波头信号的绝对时刻，再将此数据通过g p r s 网络发往中心服务器。 整个采样单元的结构如图3 2 所示： 采样单元 图3 2