基于暫態(tài)行波法的配電網(wǎng)故障定位裝置研究

　　摘要：針對(duì)我國配電網(wǎng)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于暫態(tài)行波法的故障定位裝置。通過FPGA進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集，準(zhǔn)確捕獲暫態(tài)故障行波信號(hào)以保證裝置的定位精度，通過MCU控制故障信息的遠(yuǎn)傳， MCU+FPGA的結(jié)構(gòu)解決了高速數(shù)據(jù)采集與低速任務(wù)處理之間的矛盾;GPS精確授時(shí)保證了各監(jiān)測(cè)點(diǎn)采樣的同步;采用雙存儲(chǔ)器，保證了故障數(shù)據(jù)無死區(qū)記錄，提高了裝置的可靠性。

　　關(guān)鍵詞：行波;故障定位;高速數(shù)據(jù)采集;GPRS;GPS

　　引言

　　我國配電網(wǎng)由于早期投資不足，設(shè)備老化和技術(shù)性能低劣，故障頻發(fā)，往往一點(diǎn)故障引發(fā)全線甚至大面積停電，因此必須盡快找到故障線路，排除故障。然而與輸電網(wǎng)相比，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分支點(diǎn)多，特別是10kV配電網(wǎng)，故障排查極其困難。配電網(wǎng)故障的準(zhǔn)確及時(shí)定位是電力部門急需解決的一個(gè)難題。本文采用暫態(tài)行波定位方法，介紹了一種配網(wǎng)故障定位裝置，并給出了其軟硬件設(shè)計(jì)。

　　行波故障定位簡(jiǎn)介

　　所謂行波，是指沿線路傳播的電壓、電流波，分為穩(wěn)態(tài)行波和暫態(tài)行波。暫態(tài)行波只在故障時(shí)產(chǎn)生，不可重復(fù)，并且在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)衰減為零，具有易逝性。若線路某一點(diǎn)發(fā)生故障，則會(huì)在該點(diǎn)產(chǎn)生暫態(tài)行波以接近光速的速度向線路兩端傳播，并在波阻抗不連續(xù)的地方發(fā)生反射和折射。由于實(shí)際線路損耗的存在，行波在傳輸過程中會(huì)發(fā)生衰減、畸變，出現(xiàn)失真現(xiàn)象，再加上反射波、折射波的疊加，都給行波的獲取帶來困難，但是初始行波到達(dá)時(shí)的幅值最大，波頭變化率也最大，此時(shí)最容易進(jìn)行捕捉。因此，本文通過記錄故障產(chǎn)生的初始波到達(dá)測(cè)量點(diǎn)的GPS 同步時(shí)鐘精確時(shí)間值，由離故障點(diǎn)最近的兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的GPS時(shí)間差計(jì)算故障點(diǎn)精確位置，可以不受故障點(diǎn)透射波的影響。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　整個(gè)系統(tǒng)由安裝在測(cè)量點(diǎn)的若干故障定位裝置、通信鏈路和中心端三部分構(gòu)成，如圖1所示。本文主要介紹故障定位裝置的設(shè)計(jì)。定位裝置通過感應(yīng)式的電壓傳感器采集行波信號(hào)，監(jiān)測(cè)到故障后，在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過GPRS DTU將故障信息傳到中心端，中心端根據(jù)至少兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)和時(shí)間信息，利用小波分析理論，將故障初始行波浪涌在較低尺度(較高頻帶)下第1個(gè)小波模極大值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻作為行波波頭到達(dá)時(shí)刻，即故障發(fā)生的時(shí)間，利用各測(cè)量點(diǎn)檢測(cè)到故障的時(shí)間差計(jì)算故障點(diǎn)離各測(cè)量點(diǎn)的距離，從而確定故障點(diǎn)的位置，及時(shí)調(diào)度人員排除故障。

　　故障定位裝置的硬件電路設(shè)計(jì)

　　故障定位裝置主要由外圍的電壓傳感器、GPS授時(shí)模塊、GPRS DTU傳輸模塊以及信號(hào)調(diào)理電路、ADC、FPGA、SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和MCU構(gòu)成，如圖2 所示。

　　其中，F(xiàn)PGA和MCU是整個(gè)電路的核心。FPGA負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的高速采集，它控制ADC實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并判斷是否發(fā)生故障，若沒有故障發(fā)生，將數(shù)據(jù)存入SRAM即可;否則，需鎖定GPS模塊的時(shí)標(biāo)，及時(shí)通知MCU將記錄下的故障波形和時(shí)標(biāo)信息取走;MCU負(fù)責(zé)在發(fā)生故障時(shí)從FPGA獲取故障相關(guān)信息，并通過GPRS DTU將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心，完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信任務(wù)。這種MCU+FPGA的結(jié)構(gòu)，充分利用了可編程邏輯器件并行、高速的特點(diǎn)和MCU在任務(wù)處理方面的優(yōu)勢(shì)，既保證了數(shù)據(jù)采樣的速度，又解決了與低速任務(wù)處理之間的矛盾。下面對(duì)各部分電路以及所采用的元器件進(jìn)行介紹。

　　電壓傳感器

　　由于10kV線路中的高壓信號(hào)不能直接進(jìn)入定位裝置，需先進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以往裝置多通過電壓互感器、電流互感器將信號(hào)變換成檢測(cè)裝置可用的低電壓小電流信號(hào)，成本極高，本裝置通過專利技術(shù)的感應(yīng)式電壓傳感器獲取信號(hào)，可大大降低成本。電壓傳感器安裝于高壓線路或變壓器的高壓絕緣瓷柱的傘形瓷盤下面，金屬質(zhì)地的采集端子靠緊瓷柱，與高壓線之間形成一分布電容，高電壓信號(hào)經(jīng)這個(gè)分布電容耦合到采集端子，變?yōu)?~10V左右的電壓，這幾伏電壓的高低，真實(shí)反映了高電壓的變化。2~10V電壓再經(jīng)放大器進(jìn)行電流放大，作為采樣電壓輸出。