特高壓輸電線路保護故障測距的應用研究

李懷志 肖東坡 牛子亮

摘要：本文對線路監測終端設備關鍵技術，包括供能及其管理技術、高速采樣同步技術、時間同步及坐標定位技術、行波啟動與識別技術進行了探討。

關鍵詞：特高壓輸電線路;故障測距

隨著我國電網建設的迅速發展，變電站安裝的行波測距裝置在原理上可以準確定位故障點，但在實際應用中，有效提取了高阻抗故障等弱行波信號，故障點反射波的有效識別和閃電干擾的有效識別與定位，對其定位的準確性和實際效果有很大的影響。

一、供能及其管理技術

常規特高壓輸電線路監控終端的能量采集方法包括太陽能電源、電流變壓器能量采集和地線能量采集。但一般不容易受環境影響，感應電流范圍狹窄，抗高壓尖脈沖能力弱，供電系統整體可靠性低。

為了提高供電系統的環境適應性和可靠性，終端設備的供電系統采用了一種新的能量傳遞模塊與雙溫蓄能電池模塊的合作方式。主要采用以下三種關鍵技術：首先，寬幅變壓器能量采集技術：能量變壓器的輸出側采用大范圍的回轉爐，擴大能量采集電流的范圍，提高抗電流沖擊的能力;提高了能源獲取效率。其次，雙溫電池備份互補技術：備份電池系統采用高溫電池和低溫電池相結合的方式。電源管理系統根據外部環境溫度的變化選擇電池作為儲能或電源，大大提高了電池的使用壽命和備用電源可靠性。最后，電力管理技術：通過對診斷終端設備的雙溫備份電池管理和電力狀態監測功能，實現對整個供電系統的電力采集監控和管理。

二、高速采樣同步技術

分布式故障定位的關鍵在于有效提取行波信號，準確判斷行波頭的起動時間。由于特高壓輸電線路的電流變化幅度較大，需要選擇具有較高頻率電流感應能力和快速瞬態響應的相應傳感器，以避免行波信號的失真。羅氏線圈的差動特性對特高壓輸電線路故障電流的突變具有較好的響應能力。因此，本文采用了兩套完全獨立的羅氏線圈和相應的電流數據采集電路。SoC處理單元中的FPGA協處理器也控制雙通道高速ADC芯片，以l OMHz的速率收集故障電流數據。同時充分利用FPGA高性能的數字鎖相環和時鐘電路處理能力，實現GPS/北斗信號的定時和準點功能，并提供精確到納秒（ns）級的故障硬件時間戳。

由于目前行波的頻率普遍較高，ADC采樣單元的設計采樣率達到l OMbps o因此，在進行高速同步采樣時，實現了SoC處理單元中的FPGA模塊。在邏輯單元中，將故障發生前后的原始數據記錄下來，然后通過SoC處理單元內部的高速通道發送到RAM，然后由臂處理內核進行處理。

此外，為了降低系統的整體功耗，本文在設計和實現中采用了休眠和覺醒兩種工作方式。除了定時的基本工作條件信息外，當終端設備不檢測行波電流時，系統處于休眠狀態。此時，系統通信單元的工作功率開關被關閉。

三、時間同步及坐標定位技術

由于測量端的定時同步和準點性能對行波兩端測距位置的精度有很大的影響，因此頻點/北斗計時模塊本身的偏差往往影響測量端的準點和準點精度。另外，由于高性能恒溫晶體振動的功耗、體積、壽命等原因，一般不宜在此場合直接采用。因此，在短時間內，溫度填充晶體振動的穩定性良好，雙模定時模塊的1PPS無頻率偏移和累積誤差。提出了一種改進的基于溫度互補晶體頻率標定的時間保持算法。主要的方法是用改進的滑動平均濾波器對1PPS的輸出進行預處理，以抑制模塊的晃動。通過對預加工的定時模塊1PPS和溫度填充晶體振動的比較，對二者的相位差進行Kalman濾波，并根據晶振溫變曲線的特點對濾波迭代得到的相位差進行校正。這輸出本地1PPS用于操作期間的實時同步。經過分析和測量，本文所描述的兩種終端設備之間的時間偏差小于100ns。

由于雙模授時模塊提供的地理信息還受到相對論效應、電離層延遲、對流層延遲、地球自轉和衛星信道延遲誤差的影響，為了提高單點終端的定位精度，本文，利用偏微分和數值導數方法驗證了數值導數方法的可靠性，可以有效提高單點端子經緯度的地理位置精度。

四、行波啟動與識別技術

當電力系統正常運行時，負荷變化相對緩慢。可以認為，電流瞬態值在相鄰兩周的波中接近，相應的電流變化率也相對較小。在發生故障時，其振幅或電流的一階導數可能發生突變。因此，根據上周波對應相位的當前變化率，可以乘以一定系數作為當前高速數據采集的設定閾值。通過設置閾值實現輸入電流信號的動態跟蹤。當當前更改超過設置值時，啟動高速數據采樣模塊。

因此，為了提高診斷監測終端的行波距離測量的準確性，將終端硬件采樣系統的行波電流信號的采樣頻率提高到10MHz。FPGA協處理器控制雙通道高速ADC采樣，并使用增強的可變步長來啟動記錄波算法。提高了FPGA行波自起動的有效性。一旦高頻記錄波啟動，FPGA將同時記錄高頻采樣的啟動時間。另一方面，監測終端通過比較由希爾伯特黃變換算法確定的低頻采樣值、有效值和微擾點的時間窗，比較了行波電流高頻記錄的有效性，從而實現對真實故障的可靠識別。

同時，為了保證故障診斷不同階段的數據完整性，該系統首次采用了相互故障診斷和測量終端的信息機制。任何相位故障都被無線模塊（通信延遲小于5ms）迅速激活，其他兩個相位設備同時記錄數據。終端發送的啟動信息主要包含啟動時間（世紀秒和納秒）、發送相位差、接收相位差等信息。

五、結束語

系統通過了權威檢測機構的全面測試和認證，包括故障診斷終端的性能測試、功能測試和監控中心站的功能測試。其中，三相診斷終端設備之間的最大時間一致性小于0.1μs，測距誤差小于100米，監控中心站的數據訪問穩定，并且反應迅速，能可靠地識別出雷擊故障和非雷擊故障的類型。根據本項目開發的特高壓輸電線路分布式故障診斷終端系統已在國內交流1000kV特高壓輸電線路上運行。設備投入使用后，通信正常，系統穩定可靠。

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