基于双端行波法的配电网故障定位关键技术研究

基于双端行波法的配电网故障定位关键技术研究

胡卫明1 孙芝莲1 范海燕1 唐媑基1 杜向楠2

1.国网青海省电力公司海北供电公司，青海 海北 812200

2.国网电力科学研究院，北京 102200

摘要：配电网单相接地故障定位技术一直是供电部门较难解决的一个问题，本文将利用输电线路行波测距技术应用到配电网中，由于行波测距需要再线路两端安装测量装置，本文研制了一种基于4G网络的移动通信技术，利用嵌入式μCOS操作系统，在配电线路的末端采集故障电压行波，并通过4G网络传输至变电站侧行波主站，利用小波变换实现配电网故障双端测距。该方法能有效对配电网单相接地以及相间故障实现故障点定位，具有较好应用前景。

关键词：配电网；4G；行波测距；μC/OS操作系统； 中图分类号：TM75 文献标识码：A 文章编号：1002-1388(2015)09-0066-02

1 引言

我国3～66kV配电网大多采用中性点非有效接地方式运行，当配电线路发生单相接地时，供电仍能保证线电压对称性，故障电流微小，不影响负荷供电，因此不需要继电保护立即跳闸，电力系统规程规定单相接地故障后系统可以继续运行1～2小时，但随着配网馈线增多，电容电流也在增大，长时间运行易引起过电压，造成设备的损坏，从而扩大故障面，由于配电网中单相接地故障占系统故障80%以上，各供电公司对配网故障点的快速检测与定位技术需求越来越迫切[1]。目前，市场上比较成熟的技术是在变电站安装选线装置[2-4]，根据故障暂态信息和稳态信息进行故障选线，基于微电子技术以及各种人工智能算法，目前选线装置可靠性已经得到大幅提高，在实际应用中有较好的表现。在正确选线的基础上，供电部门目前主要依靠人工巡线的方式，查找故障点，这种巡线方法依然存在效率低下的特点，在我国南方或西部山水较多、路况恶劣的地方，该巡线方式大大降低了恢复供电的效率，因此，对故障线路进行故障点定位和快速恢复供电是当前配电网研究的一个重点方向。

配电网故障定位目前主要有两种方法，阻抗法和行波法。阻抗法故障测距原理是假定线路参数单一，在不同故障类型条件下计算出的故障回路阻抗或电抗与测量点到故障点的距离成正比，从而通过计算故障距离，该方法受路径阻抗、负荷电流、系统运行方式等因素影响，定位误差较大。行波法是利用故障行波以及反射波传输到各测量终端的时间进行故障定位，可以测量故障距离以及故障分支，由于行波是故障瞬间产生的电压电流暂态分量，不受过渡电阻、接地方式等影响，具有较好的应用前景。

行波测距装置在110kV以上输电线路已经应用了10多年，在线路的两侧变电站内安装装置，利用站间网络通信通道进行数据传输。而在配电网中，由于线路大多为单电源辐射状，线路一端是变电站，另一端连接末端变压器，基于双端法的行波测距方法在配电网中不能直接使用。本文研制了一种安装在配电线路末端的微型测距装置，利用4G移动通信技术实现行波测量数据的传输，并利用小波变换技术实现了配电网的双端测距。

2 基于小波变换的行波波头标定方法

配电线路具有分布的网络参数，当发生接地或短路故障时，会产生运动的电场和磁场，即暂态电压电流行波，行波在网络中传播遇到阻抗不连续点时会发生波的折返射，根据故障行波特点，可以利用小波变换提取线路两侧行波奇异点的时间，根据双端法计算故障距离。

小波变换具有良好的时、频局部化分析能力，能对信号或图象的任何微小细节进行分析。相对傅里叶变换，小波变换具有以下特点：

a.恒Q性质：不同小波变换的品质因数Q不变。

b.奇异点突出：相应频域有多阶零点，其阶数越大，越有利于突出被分析信号的奇异部分。

c.时域－频域分辨能力：由于小波变换在时域、频域都66 2015年9月下

具有表征信号局部特征的能力，有利于检测信号的奇异点与分析信号的局部行为。

本文对线路两侧的电压暂态行波信号进行小波变换，在不同尺度下的模极大值对应信号突变点的位置，在文献[4]中对3次B样条函数进行了分析，该样条函数滤波特性较好，将其导函数作为小波母函数进行二次小波变换，三次B样条函数表达式为：

3 基于4G网络的故障定位技术

在配电网网中双端行波测距需要进行远程数据通信，在配电网中已被使用或正在使用的通信技术主要由光线以太网、电力载波通信、GSM、GPRS、3G、以及基于分时长期演进（TD-LTE）的4G技术。相对于其他技术，TD-LTE是我国主导的国际4G标准，采用了TDD技术，可以充分利用有限的频谱资源，并采用正交频分复用调制编码技术，有效提高传输效率。

本文采用E392型无线上网卡，采用高通公司MDM9x00多模芯片组，同时支持3G 网络标准和LTE-TDD/FDD 4G网络标准。具有峰值速率上行50Mbit/s，下行速率100Mbit/s。无线网卡具有1个RS232、4个以太网LAN，一个以太网WAN以及1个WIFI接口，具体数据透明传输功能。

4 基于L138 的测距终端硬件平台

4.1 OMAP- L138 硬件平台

本文采用的硬件平台是北京瑞泰生产的ICETEK – OMAP - L138评估板，L138是TI公司推出的达芬奇架构SOC芯片，由ARM9和C6748DSP双核构成，其中DSP为32位浮、定点兼容处理器，ARM和DSP核主频均可以达到300MHz，具有高速实时信号处理及高性能控制特性。评估板具有丰富的外设，1个MiNiUSB OTG接口、RS-232接口、SATA接口、以及复位按键和100Pin的扩展接口。存储空间有128MB DDR2和1GB的NAND FLASH芯片，8KB RAM以及64KB ROM。

4.2 μc/os-II嵌入式操作系统

μc/os-II是一个结构小巧、抢占式的多任务实时操作系统内核，可以管理64个任务，并具有任务调度与管理、内存管理、任务间同步与通信、时间管理和中断服务等功能，具有执行效率高、占用存储小、实时性能好以及扩展性强等特点。本文利用μc/os-II系统协调管理多任务进行，包括数据采集任务、数据处理任务、数据存储任务以及4G通信任务，如下图所示：

电工技术·理论与实践

功能可以很好地实现配电线路广域测距。

变电站侧的行波信号采集装置，用于采集变电站侧母线上的电压信号；配电线侧的行波信号采集装置，用于采集配电线路末端的电压信号；GPS授时模块，向两侧的装置发送秒脉冲信号，使得行波信号采集装置能够同步采集上述线路两端的信号。

GPS授时模块采用M12MT专用授时板卡，1PPS秒脉冲授时精度可达10ns，通过RS232串口与行波信号采集装置连接，为配电线各个分布式测量点提供高精度的同步时钟信号。

5 结论

图1 基于μc/os-II的配网测距模块图

本文提出一种基于双端行波法的配电网行波故障定位方法。利用小波变换提取行波波头，由于行波数据较大，利用传统的GPRS技术传输效率非常低下，本文利用4G LD-LTE技术以及L138嵌入式硬件平台，研制了一种可安装于户外配电线路的行波测距装置，该装置具有较高的采样速率，具有GPS同步授时功能，同时利用4G的高速通信网络，能较好的实现双端测距。是一种比较实用的配电网故障定位装置。

4.3 高速数据采集单元

行波测距法的实现需要较高频率的采样数据。本文提出

一种基于低压差分信号技术接口的高速采集技术，可大大降低测距误差。低电压差分信号，可以使得信号在差分PCB线或平衡电缆上以几百Mbit/s的速率传输，由于采用低压和低电流驱动方式，因此，实现了低噪声和低功耗。

采用16位带LVDS接口的芯片，按菊花链设计成并行AD转换单元，FPGA发出控制信号触发AD进行同步转换，经转换后的离散值通过低压差分传输总线LVDS发送到FPGA中，AD采样频率设置为1.5MHz，LVDS采用电流驱动原理，速率传输可达几百Mbps，且差分特性具有良好的抗干扰能力。可以较好实现暂态行波高频信号的采集。

参考文献

[1]秦立军,马其燕.智能配电网及其关键技术[M].北京：中国电力出版社,2010.

[2]贾清泉，肖鹏，杨以涵，等.小电流接地电网单相接地故障的小波选线方法[J].继电器，2002，30(9)：5-8.

[3]张淑清，翟欣沛,董璇,等.EMD及Duffing振子在小电流系统故障选线方法中的应用[J].中国电机工程学报,2013, 33(10):161-167.

[4]贾清泉,刘连光，杨以涵等.应用小波检测故障突变特性实现配电网小电流故障选线保护.中国电机工程学报，2001, 21(10):78:82. 作者简介：

胡卫明，男，工程师，研究方向继电保护； 孙芝莲，女，工程师，研究方向继电保护；

范海燕，女，助理工程师，研究方向继电保护； 唐媑基，女，工程师，研究方向继电保护；

杜向楠，男，工程师，研究方向电力系统自动化。

4.4 GPS同步授时功能模块

实现配网双端测距需要两端测距装置同步采样，全球定位系统（Global Positioning System，GPS），是美国历经二十年开发并于1994年全面建成的卫星导航、定位和授时系统。该系统由覆盖全球的24颗卫星组成，它最初的用途是用于军事领域，随着GPS技术的发展，GPS开始对民用无偿开放，并保证在92%的时间内授时精度不低于0.5 s，在99.9%的时间内精度不低于1.1 s。对于50 Hz的电网信号，1 s所对应的相角误差仅为0.018°，因此利用GPS的授时

（上接第 65 页） 转化为4-20mA的电流信号，按照防爆要求瓦斯浓度不允许超过1%，也就是说输入信号在程序内显现数值小于4.16的某一个值时就应该触发启动副电机，而此程序比较设定值为4.18，显然是程序数据计算错误，也有可能是操作人员在使用时勿动。更改为4.14后副电机迅速动作，瓦斯浓度再未超标，后经业主要求将此数据调节功能锁死，防止操作员误动引发安全事故。

4 结束语

中阳瓦斯监控系统是一个综合了数字电路、模拟电路、继电回路和计算机技术的现代化监控系统，已经具有一定的可靠性，但无法保证不出故障，而且运行后一旦发生故障损失巨大且维修困难。此时电仪施工人员的技能显得尤为重要，使用在线监控法借助的维修工具除了万用表还要用到计算机，所以要求施工维修人员具有较高的专业技能，并且有一定的外语和计算机功底。但是一旦掌握了此调试方法，就可以迅速判断并排除系统故障，有效缩短施工周期，降低维修费用，提高施工单位经济效益保证业主的安全稳定生产。

3 用PLC检测故障时的注意事项

（1）在PLC各种编程方式里只有梯形图能实现在线监控，所以打开Step7软件后首先要选择编程语言为梯形图。

（2）设备自锁的本身故障反馈信号有常开、常闭触点之分，所以接线之前一定要仔细阅读其使用说明书，确保引入到PLC输入端的信号准确无误。

（3）对照图纸确认每个输入输出信号对应的PLC内存地址，如作业面瓦斯浓度输入信号对应地址为AIW0，风机启动输出信号对应地址为Q1.0，主电机启动输出信号对应地址为Q1.4等，以免误判造成更大的故障。

参考文献

[1]柴瑞娟.西门子PLC高级培训教程[M].北京：机械工业出版社,2009.

[2]李旭.数据通讯技术教程[M].北京：机械工业出版社, 2005. [3]Siemens.西门子S7-300系统手册[Z].西门子股份有限司,2014.

[4]廖常初.西门子工业通信网络组态编程与故障诊断[M].北京：机械工业出版社,2009.

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