基于暂态行波法的配电网故障定位装置研究

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  摘要:针对我国配电网的现状,设计了一种基于暂态行波法的故障定位装置。通过FPGA进行高速数据采集,准确捕获暂态故障行波信号以保证装置的定位精度,通过MCU控制故障信息的远传, MCU+FPGA的结构解决了高速数据采集与低速任务处理之间的矛盾;GPS精确授时保证了各监测点采样的同步;采用双存储器,保证了故障数据无死区记录,提高了装置的可靠性。

  关键词:行波;故障定位;高速数据采集;GPRS;GPS

  引言

  我国配电网由于早期投资不足,设备老化和技术性能低劣,故障频发,往往一点故障引发全线甚至大面积停电,因此必须尽快找到故障线路,排除故障。然而与输电网相比,配电网结构复杂,分支点多,特别是10kV配电网,故障排查极其困难。配电网故障的准确及时定位是电力部门急需解决的一个难题。本文采用暂态行波定位方法,介绍了一种配网故障定位装置,并给出了其软硬件设计。

  行波故障定位简介

  所谓行波,是指沿线路传播的电压、电流波,分为稳态行波和暂态行波。暂态行波只在故障时产生,不可重复,并且在系统达到稳态时衰减为零,具有易逝性。若线路某一点发生故障,则会在该点产生暂态行波以接近光速的速度向线路两端传播,并在波阻抗不连续的地方发生反射和折射。由于实际线路损耗的存在,行波在传输过程中会发生衰减、畸变,出现失真现象,再加上反射波、折射波的叠加,都给行波的获取带来困难,但是初始行波到达时的幅值最大,波头变化率也最大,此时最容易进行捕捉。因此,本文通过记录故障产生的初始波到达测量点的GPS 同步时钟精确时间值,由离故障点最近的两个测量点测得的GPS时间差计算故障点精确位置,可以不受故障点透射波的影响。

  系统结构

  整个系统由安装在测量点的若干故障定位装置、通信链路和中心端三部分构成,本文主要介绍故障定位装置的设计。定位装置通过感应式的电压传感器采集行波信号,监测到故障后,在移动通信网络和互联网的基础上,通过GPRS DTU将故障信息传到中心端,中心端根据至少两个测量点上传的数据和时间信息,利用小波分析理论,将故障初始行波浪涌在较低尺度(较高频带)下第1个小波模极大值点所对应的时刻作为行波波头到达时刻,即故障发生的时间,利用各测量点检测到故障的时间差计算故障点离各测量点的距离,从而确定故障点的位置,及时调度人员排除故障。

  故障定位装置的硬件电路设计

  故障定位装置主要由外围的电压传感器、GPS授时模块、GPRS DTU传输模块以及信号调理电路、ADC、FPGA、SRAM数据存储器和MCU构成。

  其中,FPGA和MCU是整个电路的核心。FPGA负责数据的高速采集,它控制ADC实时采集数据,并判断是否发生故障,若没有故障发生,将数据存入SRAM即可;否则,需锁定GPS模块的时标,及时通知MCU将记录下的故障波形和时标信息取走;MCU负责在发生故障时从FPGA获取故障相关信息,并通过GPRS DTU将数据上传到监控中心,完成数据的远程通信任务。这种MCU+FPGA的结构,充分利用了可编程逻辑器件并行、高速的特点和MCU在任务处理方面的优势,既保证了数据采样的速度,又解决了与低速任务处理之间的矛盾。下面对各部分电路以及所采用的元器件进行介绍。

  电压传感器

  由于10kV线路中的高压信号不能直接进入定位装置,需先进行转换,以往装置多通过电压互感器、电流互感器将信号变换成检测装置可用的低电压小电流信号,成本极高,本装置通过专利技术的感应式电压传感器获取信号,可大大降低成本。电压传感器安装于高压线路或变压器的高压绝缘瓷柱的伞形瓷盘下面,金属质地的采集端子靠紧瓷柱,与高压线之间形成一分布电容,高电压信号经这个分布电容耦合到采集端子,变为2~10V左右的电压,这几伏电压的高低,真实反映了高电压的变化。2~10V电压再经放大器进行电流放大,作为采样电压输出