基于.NET平臺的電網(wǎng)故障行波定位軟件開發(fā)方法

許躍穎

（北京師范大學珠海分校，廣東 珠海 519000）

0 引言

輸電線路是電力系統(tǒng)中不可或缺的一部分，該線路發(fā)生故障后，將直接破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以何種方法精準鎖定故障、高效處理故障是值得探討的問題。其中，行波故障定位裝置在鎖定故障點位方面的性能突出，可根據(jù)波頭到達兩端變電站的時間差加以計算，確定故障的發(fā)生部位。裝置采用分布式結(jié)構(gòu)布置方式建立定位網(wǎng)絡，用于及時感知故障部位的行波信號。考慮到故障定位的高效性和準確性要求，該文依托.NET平臺建立高效的電網(wǎng)故障行波定位軟件，以期及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)故障，便于專員采取針對性的處理措施，力爭在最短時間內(nèi)使電網(wǎng)恢復正常工作狀態(tài)。

1 電網(wǎng)故障行波定位網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分析

以變電站的定位裝置和服務器為核心，共同構(gòu)成電網(wǎng)故障行波定位網(wǎng)絡，具體如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)故障行波定位網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

定位網(wǎng)絡運行時的穩(wěn)定性較好，即便少量定位裝置存在故障，整體網(wǎng)絡依然可保持正常運行狀態(tài)，其故障定位功能仍可順利實現(xiàn)。定位裝置的定位精度較高，配套的GPS時鐘可記錄故障狀態(tài)下相應行波波頭的到達時刻，接收各定位裝置發(fā)出的行波數(shù)據(jù)，全面匯總各項數(shù)據(jù)，建立一套完善的故障信息數(shù)據(jù)庫，對故障的分析、處理有重要的參考價值。從用戶端的角度來看，其在獲得特定的權(quán)限后可借助Web瀏覽器訪問故障信息，對故障實際狀況形成準確的認識。

2 行波信號的獲取

行波波頭的正確獲取方式主要有配套傳感器、電流互感器2種，前者用于采集電壓信號，后者用于采集電流信號。輸電線路故障狀態(tài)下的暫態(tài)行波信號能得到有效的記錄，根據(jù)小波變換模極大值原理進一步明確行波到達的時刻。

2.1 電流行波信號的獲取

常規(guī)繼電保護電路、測距裝置均為1kHz以內(nèi)的信號頻率，但通過對波測距原理的分析可知，如果要滿足150m以上的測距精度要求，必須保證分辨率超過1μs。此外還需考慮線路存在故障的情況，此時的暫態(tài)行波信號頻率在300kHz以上，為滿足運行要求，有必要配套專門的行波信號獲取裝置。

經(jīng)過大量仿真試驗后發(fā)現(xiàn)，電容式電壓互感器傳變行波信號的性能欠佳，相比之下電流互感器在該方面的性能突出，此裝置還具備高效傳變高頻電流行波信號的能力，由此來看，電流互感器是首選對象，可作為行波故障測距中的關鍵工具。電流互感器的電流信號響應時間在1 μs以內(nèi)，行波傳輸距離約300 m，測距分辨率達到故障定位要求。應用電流互感器測量線路在故障狀態(tài)下的行波信號，并且能夠直接接入行波測距裝置，這期間未涉及任何形式的附加設備，具有作業(yè)便捷、穩(wěn)定可靠和經(jīng)濟高效的特點。

2.2 電壓行波信號的獲取

在配套電流互感器后，行波故障測距中的關鍵分析對象僅為電流行波信號，但也有局限性。如果輸電線路存在故障，需要同步考慮電壓行波信號和電流行波信號，對兩者加以分析，明確電壓與電流的對應關系，確定更具參考價值的行波故障測距結(jié)果。總體來看，在行波故障測距中引入電壓行波信號有突出的應用優(yōu)勢，表現(xiàn)如下。1） 輸電線路普遍由三相或六相線路組成，流經(jīng)每項輸電線路的電流存在差異，在此條件下，如果用電流行波信號組織故障測距工作，采集數(shù)據(jù)體量偏大，與輸電線路的母線電壓相關的采集數(shù)據(jù)有所減少。2） 接地故障是輸電線路中的常見故障形式，如果通過較大阻抗接地時，兩端母線的電壓信號比電流信號強，有利于行波波頭的檢測。3） 部分輸電線路的電壓較高，在日常使用中可能出現(xiàn)電壓故障，此時采用電壓行波信號的方式具有可行性。4） 根據(jù)輸電線路的配置方案，其母線兩端有阻波器，在此硬件配置方式下，用電壓行波信號做故障測距是較合適的方法。

3 故障行波在帶分支線路上的傳播特性分析

輸電線路存在故障時，故障信號會向遠離故障點方向傳播，如果故障線路帶分支，此時不連續(xù)點的類型較多，除了故障點外，還須考慮母線、線路的終端及分支的節(jié)點和端點。故障信號的傳播路徑示意圖如圖2所示。

圖2 故障信號沿線路傳播路徑

結(jié)合圖2分析，點存在故障時，行波具有向F點兩側(cè)傳播的特點，存在于點兩側(cè)的行波進行傳播，盡管在穿過點后向?qū)Ψ絺鞑ィ藭r的信號能量微小，可不考慮。對傳播軌跡在點與母線間的行波信號，其在傳播時若遇到阻抗不連續(xù)點和，將會發(fā)生透射、反射，經(jīng)此類變化后存在某些特殊的行波，例如行波S，其是首個到達母線的行波，以直接投射過點的方式并按照“→→”的路徑發(fā)生運動；在點處，S具有反射現(xiàn)象，產(chǎn)生特定的運動路徑，回到點并于該點反射回點，即此時按照“（S）→→”的順序傳播。初始故障行波信號主要存在2條運動路徑：一是透射至點并在反射后回至點，此后繼續(xù)運動，到達母線，設具有此類運動跡象的為波S；還有透射和反射的行波，根據(jù)點檢測的行波信號可以得知其存在豐富的透射波和反射波。

4 故障定位新方法

4.1 故障定位原理

識別到達線路母線端的行波波頭，據(jù)此確定故障的位置，實現(xiàn)行波定位。縱觀整個定位流程，首要內(nèi)容在于明確大體故障區(qū)段，再綜合考慮故障點相關的2個反射波，最終精準鎖定故障的發(fā)生位置。

4.2 故障區(qū)間的判斷

如圖3所示，在針對輸電線路的故障檢測中，重點在母線M端檢測故障可測得故障的行波。在明確波的傳播速度的前提下，綜合考慮線路總體規(guī)劃和各區(qū)段長度，分別確定各波頭到達檢測端的時刻。故障產(chǎn)生的行波遇到阻抗不連續(xù)點后有透射和反射現(xiàn)象，如果檢測到分支端點的反射波，則可以認為其下方區(qū)段屬于故障區(qū)；反之，則表明故障發(fā)生在上方區(qū)段。根據(jù)該思路分析來確定故障區(qū)間。

圖3 B～C區(qū)段故障時特征波傳播路徑

相鄰的2個不連續(xù)點形成線路的區(qū)段，以線路M～C為例，則存在～、～、～、～和～共5個區(qū)段。為了便于分析，將故障區(qū)段的波視為特征波，在檢測中確定其到達檢測端的時刻，獲取此時該部分波的信息，建立矩陣，以便判斷故障的具體發(fā)生區(qū)段。在建立大矩陣后展開分析，能夠明確特征波的順序及數(shù)值。

4.3 信號的局部能量與特征矩陣

大矩陣中的數(shù)據(jù)在故障檢測中具有重要的參考價值，為此需要確定具體的數(shù)據(jù)，此方面的關鍵工作內(nèi)容在于計算特征波的局部能量，并在此基礎上確定特征矩陣。為便于直觀對比局部能量的大小，該文考慮的是歸一化的局部能量。行波信號的奇異點的信號能量比周邊信號的能量高，因此可以重點識別信號的局部能量，根據(jù)此方面的情況確定阻抗不連續(xù)點的反射波波頭。根據(jù)特征波的局部能，確定大矩陣的數(shù)據(jù)，即為“1”還是“0”，并以門限值為參照，局部能量高于它的屬于有效數(shù)據(jù)，為“1”，否則視為無效數(shù)據(jù)，為“0”。

5.NET平臺概述

.NET平臺的功能豐富，提供包括開發(fā)、管理和XMLWeb服務應用等內(nèi)容。在編輯相應的應用程序后，在XMLWeb服務的支持下，能實現(xiàn)高效的互聯(lián)網(wǎng)通信功能，此時數(shù)據(jù)的共享水平將大幅提高，整個過程無須顧及編程語言差異性所造成的干擾。XML Web服務的功能豐富，且在集各項功能于一體的特性下不存在過于復雜的問題，富有可行性。NET Framework處于通信協(xié)議之上、開發(fā)工具之下，活動服務器頁面屬于網(wǎng)絡編程結(jié)構(gòu)，其特點在于提升建造、運行、發(fā)布網(wǎng)絡的便捷性，以較高的效率完成相應的操作。

在.NET Framework的組成中，語言運行庫和基本類庫是不可或缺的部分，其中CLR極為重要，其能夠創(chuàng)設統(tǒng)一的編程環(huán)境，以便工作人員高效應用各類編程語言，打破了因編程語言差異化導致的工作進程受阻的僵局。基本類庫的涵蓋內(nèi)容豐富，關鍵有Java的Windows基礎類、獨立框架C++的微軟基礎類及VB的應用編程接口，也正是得益于基本類庫的豐富性，才降低了開發(fā)人員的工作難度，可以根據(jù)實際情況選擇C++、Basic等各類編程語言，整個工作的靈活性增強，相關人員無須再投入時間和精力用于學習多種Framework。從.NET平臺的應用情況來看，其在分布式系統(tǒng)監(jiān)控、電力市場仿真等軟件環(huán)境中均發(fā)揮出了顯著的作用。

6 電網(wǎng)故障行波定位軟件的核心功能及實現(xiàn)

該軟件具有層次化的結(jié)構(gòu)特點，包括數(shù)據(jù)層、業(yè)務層和表示層，并聯(lián)合應用了XML、Web服務等技術(shù)。在PC機的“媒介作用”下，用戶以Web瀏覽器與服務器實現(xiàn)交互操作。此外，服務器能完成故障數(shù)據(jù)的接收、位置判斷等操作，整個流程用戶均無法干預，規(guī)避了主觀因素的影響，保證了操作數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的運行質(zhì)量。

6.1 故障數(shù)據(jù)的高效接收

基于Winsock控件實現(xiàn)故障數(shù)據(jù)接收功能，此類控件與Sockets完全兼容，給用戶帶來的便捷化優(yōu)勢在于可高效訪問TCP和UDP網(wǎng)絡服務。在本次電網(wǎng)故障行波定位軟件的設計中，即用TCP/IP進行通信。Server通過非對稱數(shù)字用戶線連接Internet，再執(zhí)行IP地址采樣操作，獲取具體的IP地址后，與Server建立數(shù)據(jù)傳輸通道。軟件采用基于GPRS的通信方式，盡管此類方式在實際應用中存在延時明顯、安全性欠佳的問題，但其具有操作便捷、經(jīng)濟高效的特點，總體來看，優(yōu)勢大于劣勢，且能夠滿足日常故障定位要求，因此其仍是故障定位系統(tǒng)的最優(yōu)通信方式。

6.2 故障定位計算

采樣單元傳送故障行波數(shù)據(jù)由Server接收后再匹配，從中確定最適宜的數(shù)據(jù)，針對該部分數(shù)據(jù)展開計算，達到故障定位的效果。具體原理如圖4所示。

圖4 故障原理圖

經(jīng)過計算后，確定的具體值，即明確故障點與母線的距離，再進行查找，確定距定位端的距離與最近的桿塔（2個），在此基礎上進一步明確存在于故障點前后的桿塔，更準確地判斷故障的發(fā)生位置。

6.3 功角實時測量

功角是衡量電力系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的關鍵指標，加強功角測量具有必要性，在有效測量后，可明確母線電壓間相交和發(fā)電機功角的變化，調(diào)度人員需要掌握具體的變化特征，視實際情況及時發(fā)出調(diào)度命令，主動采取調(diào)控措施，以免出現(xiàn)系統(tǒng)失穩(wěn)的異常狀況。隨著相角的變化，自動調(diào)節(jié)裝置及時響應，靈活控制發(fā)電機功角，使其始終處于合理的狀態(tài)。自動安全裝置的動態(tài)響應能力較強，可根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定裕度靈活調(diào)控，必要時采取緊急控制措施，防止事故的發(fā)生，減少事故對系統(tǒng)的不良影響。在確定電壓、電流相量后，基于2項指標進行估算，得到線路兩端相對相角差，再將該結(jié)果與實測結(jié)果做對比分析，以便判斷測量結(jié)果是否合理。在線路正常運行的狀態(tài)下，功角測量還可用于判斷定位裝置的工作狀態(tài)，對評估裝置性能有參考作用。

6.4 故障信息數(shù)據(jù)庫

電網(wǎng)的地理信息和歷史故障數(shù)據(jù)豐富，兩者均由關系型數(shù)據(jù)庫保存。其中，地理信息涉及具體內(nèi)容包括變電站名稱、距離信息和地理位置等。在妥善保存信息數(shù)據(jù)后，用戶可明確電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特性，也可根據(jù)工作需求及時查詢變電站、線路的數(shù)據(jù)，在獲得數(shù)據(jù)的支持后，更加合理地開展工作，保證電網(wǎng)的安全運行。

6.5 Web服務

通過Web服務的應用，豐富電網(wǎng)信息化系統(tǒng)，為用戶日常工作的開展提供良好的條件，例如可借助瀏覽器實現(xiàn)與系統(tǒng)的交互式操作。調(diào)度人員可及時查閱歷史故障信息，不再受到時間和空間的束縛。用戶可以向Web服務器發(fā)出請求，通過開放式數(shù)據(jù)庫互連接口訪問數(shù)據(jù)庫，可得到滿足其需求的信息。

7 結(jié)語

基于.NET平臺的故障行波定位軟件在實際應用中具有如下特點。1）提供統(tǒng)一的輸電線路接地故障信息平臺，高效整合數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)的共享水平。2） 應用B/S模式，充分發(fā)揮出其在兼容性和擴展性方面的優(yōu)勢。3） 踐行人機交互理念，操作難度低，工作效率提高。4） 故障信息的獲取途徑更便捷，從用戶角度來看，可以通過Web瀏覽器獲取信息。

總體來看，基于.NET平臺的故障行波定位軟件有利于提高安全防控水平，有效保證輸電線路的運行安全，具有顯著的現(xiàn)實意義，可供參考。