新型錄波器單端故障定位可行性研究

張倫+朱道敏+賈敏敏+張改杰

摘 要：針對當前分布式故障錄波系統狀況，結合錄波器結構和性能，在不干擾錄波器正常功能的前提下，依靠高性能DSP強大的數據分析處理能力，通過改進錄波器硬件架構為基于CPLD的數據采樣模塊和DSP為主控的數據處理分析模塊以提升系統采集處理能力，并提出由一種DSP執行的微分方程故障測距算法。大量仿真表明該算法能滿足故障線路測距工程實際要求，從硬件和軟件兩方面論證電力系統故障錄波器實現單端故障定位的可行性。

關鍵詞：故障錄波器；CPLD；DSP；微分方程；故障測距

0 引言

故障錄波器作為電力系統發生故障及振蕩時自動記錄的一種裝置，記錄因短路故障、系統振蕩、頻率崩潰、電壓崩潰等大擾動引起的系統電流、電壓以及有功、無功和系統頻率的變化過程，用于檢測繼電保護與安全自動裝置的動作行為，了解系統暫態過程中系統中各電參量的變化規律，校核電力系統計算程序及模型參數的正確性[1]。當前故障錄波系統是由分散安裝在各個變電站開關柜或保護小室內的錄波器構成的輻射式系統，采集的數據通過網絡發送到同一錄波主站，主站再對接收到的故障數據進行處理分析，以確定故障類型和故障位置及深層次的研究[2]。

1 故障錄波器結構原理

電力系統故障錄波器主要負責采集各種電壓、電流模擬量及開關量。電壓、電流信號經隔離變送后進行A/D轉換，通過處理分析進行各項故障啟動判斷并按照要求保存錄波數據。當故障未發生時，僅對監測電壓電流進行低速采樣計算，同時掃描開關量以形成實時監控，并對這些采集數據進行濾波、采樣值轉換、對稱分量分解、求取頻率等處理，然后按規定的啟動判據判斷故障是否發生。一旦故障發生立即啟動高速采樣模式進入故障錄波狀態，按照DL/T533-94《220～500kV電力系統故障動態記錄技術準則》記錄故障數據[3]。

2 錄波器結構功能改進

錄波過程中DSP執行采樣控制、數據處理、協調通信的同時要兼顧時鐘同步、鍵盤輸入、屏幕顯示等附屬任務，運算負荷大，受制于硬件水平額外執行故障測距定位程序可能會影響到錄波器的正常功能。為了解決DSP處理能力的技術瓶頸，我們做如下改進：在原有DSP模型的錄波裝置基礎上，將采集系統硬件電路分成數據采樣模塊和DSP數據處理分析模塊兩部分，并且將二者分開設計成獨立的子板，由四塊數據采樣板和一個DSP主控板組成一個完整的數據采集系統，采樣板與主控板之間通過現場總線連接實現指令通信與數據傳輸。

3 單端故障定位

3.1 故障測距算法綜述

在研究高壓輸電線路精確故障測距問題上，根據計算時所用電氣量是線路單端電氣量還是雙端電氣量算法可以分為兩類：單端測距算法和雙端測距算法。目前國內外對這方面作了大量深入研究，提出了許多實用有效的算法，如：解微分方程算法、零序電流相位修正法、故障電流相位修正法、并行退火單端測距算法、傅氏變換技術測距法、解二次方程法及長線方程的近似求解算法等。對于錄波器而言，DSP通過雙口RAM讀取的是原始采樣點數據，為了節約計算空間，最快的得出故障點位置，要求我們植入的故障定位程序模塊能直接讀取采樣數據。通常大多數故障測距算法是綜合模擬量和開關量建立的模型，但是這些模型對于基于錄波器直接定位故障點是不實用的，因為錄波裝置是先于保護裝置反映的，開關量無法反映當時確切故障狀態。結合輻射式錄波系統實際，線路一側錄波器不能與對側錄波器通信，無法獲取對側故障數據，因此這種情況下，雙端測距算法無法實現，只能采取單端法。

3.2 算法仿真

采用500kV，300km的雙端電源系統進行數字仿真，其正序參數分別為：

4 結 論

本文從電力故障錄波器結構入手，研究發現從硬件架構的角度，在不影響甚至是增強錄波器基本功能的前提下，稍微改進硬件設計就能實現所監測線路的故障定位，并且從原理上推理出基于微分方程的單端故障測距算法的合理性，從而進一步論證該算法結合錄波器確定故障位置的可行性。這種設計改進成本低，可靠性高，完全可以取代在現有的錄波器。