基于阻抗法與行波法綜合測距的運行分析支撐體系設計

莫振雄，黃礪鈞，寧進榮

(廣西電網有限責任公司玉林供電局，廣西 玉林 537000)

近年來隨著國民經濟的不斷發展，電網規模不斷擴大。電力系統的各種故障通常會造成比較嚴重的后果，由此引發的停電事件造成的經濟損失巨大，因此對電網故障進行精準測距就顯得尤為重要。目前主流的故障測距方法有阻抗法和行波法兩種，對應的測距裝置主要有故障錄波裝置和行波測距裝置。現有的行波測距裝置利用行波在輸電線路上有固定傳播速度這一特點，采用小波變換技術，實時分析處理故障行波數據，確定故障距離。其測距精度基本不受線路長度、故障位置、故障類型、負荷電流等因素的影響，行波測距裝置采用的測距方法有單端行波測距和雙端行波測距。隨著全球定位系統(GPS)同步時間單元的不斷發展，利用線路兩側獲取到的行波暫態分量的絕對時間之差，計算故障點到線路兩側測量點之間的距離的雙端測距算法，測量精度高，基本誤差可以縮小至500 m內，但是測距裝置在實際現場運行中由于開關動作及線路擾動會引發誤啟動現象，因此會產生大量無用數據；而采用單端行波測距分析時，在高阻、端口故障情況下存在反射波波頭幅值較小、波頭性質難以識別的情況，容易造成測距失敗。現有的故障錄波裝置多采用阻抗法測距，通過計算故障發生時的電壓和電流量來判斷故障點距離，雖然過渡電阻、系統阻抗和負荷電流等原因會造成定位誤差稍大，但是啟動可靠性較高[1]。

目前國內許多變電站內已經引進了這兩種裝置，并且針對兩種裝置設有獨立的數據分析聯網運行平臺，但缺少一種數據綜合分析平臺。筆者將故障錄波裝置和行波測距裝置采集到的故障數據集中起來，對同一次故障采用故障錄波裝置采集的工頻數據和行波測距裝置采集的行波數據進行綜合測距分析，設計基于阻抗法與行波法綜合測距的運行分析支撐體系。

1 關鍵技術及原理

1.1 行波測距原理

利用行波在輸電線路上有相對穩定的傳播速度的特點，通過測量故障行波脈沖到達故障線路兩端母線的時間差或故障行波脈沖在母線與故障點來回反射的時間差實現故障定位[2]。

1)單端測距。

故障行波定位原理如圖1所示，線路MN在F點發生故障時，故障點產生的暫態行波脈沖以波速度v向線路兩端傳播，并在故障點及母線之間來回反射，其傳播過程如圖2所示，安裝于M側的故障行波測距裝置對接入的電流信號濾波后，記錄下如圖3所示的行波波頭脈沖信號。裝置記錄下初次到達母線的行波波頭的時刻T1和通過故障點反射回來的行波波頭到達的時刻T2(T3…),通過其時間差，可以準確地計算出故障點的確切位置。故障點與母線M之間的距離LMF為：

圖3 行波錄波示意圖

圖2 行波傳播示意圖

圖1 故障行波定位原理圖

(1)

2)雙端測距。

如圖4所示，線路MN在F點發生故障時，故障點產生的暫態行波脈沖以波速度v向輸電線路兩端傳播，安裝于M和N兩側的故障行波測距裝置分別記錄下故障初始行波波頭到達的時刻T1和T2，通過通訊網絡，獲得對方的記錄時刻，則根據式(2)和式(3)可計算出故障點的位置。

圖4 雙端測距示意圖

(2)

(3)

式中：LMN為線路MN的長度；LNF為故障點與母線N之間的距離。

3)綜合測距原理。

輸電線路發生故障時，理想條件下產生的行波過程如圖3 所示，但在實際運行過程中，T1點對應的故障初始行波一般比較容易識別，T2點對應的反射波受到對端母線反射波經故障點透射波的影響，識別比較困難。

綜合測距過程：首先分析工頻錄波文件，判斷出故障線路和故障類型，找出故障發生時刻，利用阻抗法測距，測出故障點的粗略位置，然后根據故障時刻在行波錄波文件中找到初始行波，根據阻抗法的測距結果，在一定范圍內找出反射行波波頭，根據初始行波和反射行波進行精確定位，如圖5所示。

圖5 綜合測距過程示意圖

1.2 運行分析支撐體系關鍵技術

1)大容量、高緩存的數據壓縮存儲。

故障錄波監測裝置監測線路較多、錄波文件錄波時間長，系統接收到裝置的故障錄波數據后，會緩存大量的工頻錄波數據文件，需要對工頻錄波文件進行分類、解析、壓縮處理。因此，支撐體系需要考慮故障文件的存儲問題。

2)工頻錄波與高頻行波映射匹配。

故障錄波裝置與行波測距裝置在變電站內為兩種獨立運行的二次設備。行波測距裝置一般單獨接入GPS對時系統以保證系統時鐘的正確性，而錄波裝置對GPS時鐘精度以及守時能力要求較前者低。由于在故障發生后，故障錄波裝置生成的故障錄波文件與行波測距裝置生成的高頻行波文件在時間方面存在差異，因此系統需要根據兩種裝置的系統時間進行時間差校準，然后根據時間關系查找對應的工頻與高頻錄波文件。

2 系統體系結構

2.1 某供電局現有結構介紹

目前，某供電局的一些變電站已引入行波測距裝置，并且實現了行波裝置的組網。現有的行波裝置和聯網主站運行良好。此外變電站內已有故障錄波裝置，但是這些錄波裝置和行波測距裝置及行波聯網主站各自獨立，沒有做到數據資源的共享。由于行波裝置經常產生誤啟動，因此如果把站內的錄波裝置接入行波聯網平臺，用錄波裝置輔助行波裝置，利用阻抗分析優化行波分析，對故障線路進行綜合測距，既能保障現場測距信息的準確性，又能對站內二次設備資源進行有效整合。

2.2 系統整體架構

電網故障智能分析系統由分布在各變電站內的行波錄波裝置、數據綜合處理分析平臺和用戶三部分組成，如圖6所示。當某兩個變電站之間的線路發生故障時，安裝在線路兩端變電站內的行波和錄波裝置分別產生高頻行波數據和工頻錄波數據，并生成對應的COMTRADE文件。數據文件通過IEC103或者IEC61850通信協議上傳至數據綜合處理分析平臺，存儲在平臺數據庫服務器，經過數據處理程序處理后，形成線路測距和波形分析所需的數據格式，并將與故障測距相關的信息以Web網頁、手機APP及短信推送的方式傳遞給系統用戶。其中，分布在各站內的行波錄波裝置是整個系統的數據來源，數據綜合分析平臺是系統的核心，共同為用戶提供最終、精確的線路故障測距信息[3-4]。

圖6 系統整體架構示意圖

3 系統關鍵技術實現方案

3.1 分布式文件存儲與計算

系統裝置上傳的故障文件具有龐大的數據量，尤其是高頻行波文件(100萬～6 300萬數據點)，并且系統展示界面需要同時打開最多4個故障文件；系統還需對設備狀態、故障告警等信息做細粒度的統計，在處理性能及處理方式上有更高的要求，因此需要考慮分布式存儲及計算技術來解決數據處理能力方面的問題。

GridFS是一種將大型文件存儲于MongoDB的文件規范[5-6]。在1.2中提到，錄波裝置會產生較多、較大的錄波文件，并存儲于系統服務器中。支撐體系整體數據存儲選用MongoDB數據庫是為了實現分布式文件存儲，而采用GridFS則為支撐體系提供了高性能的數據存儲方案。GridFS作為MongoDB的一個子模塊，用于持久存儲文件，且支持文件的分布式存儲與讀取，它解決了MongoDB中BSON格式數據存儲尺寸限制的問題。GridFS在文件訪問方面，可以訪問部分文件而不用加載整個文件，提高了文件訪問的性能。另外，MongoDB支持分布式計算MapReduce。MapReduce的主要工作原理是將大批量的數據分解執行，再將分解執行的結果合并成最終結果。數據分解后，可以用多臺機器進行并行運算，以此提高計算速度。

支撐體系中的數據綜合處理分析平臺采用NoSQL MongoDB數據庫，保證了數據的分布式存儲與計算，為線路故障綜合測距提供了有力的數據保障。數據庫部署配置采用MongoDB分布式集群方式，實現了數據備份，提高了系統數據存儲的安全性與系統的可靠性。

3.2 工頻錄波文件與高頻行波文件的映射匹配

工頻錄波與高頻行波綜合測距的先決條件是必須保證故障錄波裝置和行波裝置的時間準確性，變電站內裝有時間同步系統，兩類裝置都具備GPS或北斗對時功能，因此在時間的準確性上是可以保證的；其次，工頻和高頻文件在命名方式上需要遵循統一的命名規則，一般情況下，如果兩種文件使用同一種規約上傳至服務器端，則這一條件是滿足的，若不是，則需要定義統一的命名規則。當線路發生故障時，兩類裝置都會啟動，生成對應的工頻錄波和高頻行波文件。由于故障錄波裝置的啟動準確率較高，因此用故障錄波裝置產生的工頻錄波文件為依據，來匹配映射高頻行波文件，具體的映射匹配流程為：1)設置可允許時間差經驗值T，以工頻錄波文件時間Xi為基準，前推時間T，后推時間T，形成映射區間[Xi-T,Xi+T]；2)在上述區間內，查找高頻行波文件，如果符合條件的有多個高頻文件，則取與Xi絕對時間差最小的那個高頻文件Yj[2]。

4 系統結構特點及功能設計

系統實現對行波錄波裝置的運行工況監視、設備管理、檔案管理、線路故障記錄分析、故障短信通知、故障桿塔定位、故障統計分析、行波錄波綜合測距分析，可為快速排除線路故障提供依據，提高電網運行的經濟性和二次設備管理水平[7-9]。系統軟件使用模塊化的設計方式，采用四層架構：數據源、計算層、存儲與查詢層和高級應用層，如圖7所示。

圖7 系統軟件架構圖

4.1 系統特點

綜合測距的準確性、短信通知的及時性、地理信息和桿塔定位的精準性是系統的主要特點。系統支持IEC61850國際標準、IEC103標準和COMTRADE數據標準，具有高可靠性和擴展性[10]。在安全性方面，系統實施時安裝防火墻及物理隔離裝置，軟件方面配備DES加密算法及多層企業級監聽單元與過濾單元，網絡結構健全，有效杜絕惡意原因造成的破壞、更改、泄漏，實現結構上的分布式，保證系統即使單節點宕機或故障也能保證數據及網絡服務不間斷；系統移動端通過物理防護及軟件算法能夠抵御篡改、竊聽、拒絕服務等主動攻擊及擁有識別偽造訪問、抵抗遠程攻擊的能力。

4.2 系統功能

系統在原有行波裝置聯網的平臺上接入故障錄波裝置，因此要實現對兩類裝置的臺賬信息維護、運行工況監視和智能告警功能，只有實時監視設備的運行狀態，保證通信設備正常工作，才能在故障發生時提供故障的原始信息。

系統不僅能提供準確詳細的故障記錄信息，還能提供工頻錄波阻抗測距結果、行波法測距結果及錄波行波相結合的校準后的故障測距信息，以及圖形化的故障桿塔定位展示和故障地理信息展示。系統提供了強大的錄波文件波形分析功能，支持工頻錄波文件及行波錄波文件同屏顯示，最多可同時打開4個錄波文件，并能夠根據相同時刻的游標級聯實現故障定位，在滿足單端及雙端測距的基礎上，能夠將阻抗法、行波法、綜合測距法的結果及計算參數予以高亮標注，輔助使用者計算與查看。

系統提供短信通知功能，實時推送故障、測距和告警信息，根據不同的權限和用戶類型設定相關的短信通知內容。

支持移動端的訪問，用戶可以實時地通過手機或者平板電腦登錄系統，使用遠程在線方式完成平臺的監視、控制與分析工作。移動端的主要功能有波形分析、桿塔定位、設備工況展示、綜合測距算法步驟查看、故障推送等。

5 結束語

本文描述了一種基于錄波和行波綜合測距的高可靠性裝置組網的電網故障智能分析系統，以某供電局已有的行波裝置聯網平臺為依托，接入故障錄波裝置，在輸電線路發生故障時，利用故障錄波裝置啟動準確率較高和行波裝置測距精度高的優勢，取長補短，實現故障測距。系統有效解決了擾動數據多、首波頭及反射波波頭難找的問題，提高了測距精度，進而實現線路監視、故障定位、設備掌控一體化，減少了巡線的工作量，縮短了故障修復時間，提高了供電可靠性，為變電站及線路的檢修運維提供了準確可靠的依據。