识别雷击故障性质和精确定位故障点的装置及方法与流程

本发明涉及一种识别雷击故障性质和定位故障点的装置及方法，特别是涉及一种识别雷击故障性质和精确定位故障点的装置及方法。

背景技术：
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在输电线路电压等级由超高压向特高压发展的今天，雷击仍然是引起输电线路故障开断的重要原因之一，成为当前线路安全运行中的薄弱环节，目前，在应对和处理输电线路雷击事故方面，电力系统广泛采用雷电定位系统和行波故障定位系统确定雷击故障位置，辅助分析雷击故障类型。但存在以下不足：（1）尚无准确确认跳闸事故是雷击事故的监测手段；由于雷电发生时刻，雷击故障连续大量发生，依据故障时标与雷电定位系统时标对时判断雷击故障还存在一定困难。同时落雷线路附近的雷击造成的感应过电压可能叠加污秽、植被等薄弱环节造成闪络跳闸。因此，准确判断线路是否是雷电直击雷（绕击或反击）故障，在生产实践中需要一种直接的监测手段；（2）还没有有效识别绕击或反击的技术手段；由于目前雷电定位系统在确定雷电流幅值方面有较大误差，加之雷击放电分散性，目前基于雷电定位系统的记录结合电气几何模型来判断雷击故障类型还相当粗略，目前也有个别局使用了在每基杆塔的每个绝缘子串上安装传感器的办法，这种方法即便可行，也不是一种实用的技术，因为需要安装的设备太多太分散；（3）定位不准确，且易受干扰信号的影响；行波定位系统由于受地形、弧垂、波速以及干扰信号等因素的影响，常常使该方法难以可靠准确定位，加之雷雨天气时各种感应雷电行波信号的干扰，使雷击故障点准确定位相对困难。

技术实现要素：
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本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种通过雷电绕击和反击时形成的不同暂态行波特征识别雷击性质，并利用区间定位与行波定位相结合精确定位故障点的识别雷击故障性质和精确定位故障点的装置及方法。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案是：

一种识别雷击故障性质和精确定位故障点的装置，包括行波监测和录波器，所述行波监测一端与利用耦合取电方式供电的耦合取电单元连接，另一端与所述录波器连接，所述行波监测与所述录波器通过能够进行上传监测信息和下传控制命令的GPRS/CDMA通讯模块与后台服务显示器连接，所述耦合取电单元与GPS模块和时钟模块连接，所述GPS模块与所述时钟模块相互连接，所述GPS模块的另一端与所述行波监测连接，所述时钟模块的另一端与所述后台服务显示器连接。

所述行波监测包括高速数据采集器、MCU微控制单元、FPGA、ADC实时采集器和电压传感器，高速数据采集器与MCU微控单元和FPGA双向连接，MCU微控单元和FPGA双向连接，高速数据采集器与ADC实时采集器和电压传感器单向连接。

所述行波监测为监测故障信息的行波监测，所述录波器为记录电流波形的录波器，所述时钟模块为利用高稳定度晶振构成的时钟模块，所述GPS模块以GPS对时信号控制采样脉冲。

一种识别雷击故障性质和精确定位故障点的方法，包括以下步骤：

（1）根据录波器上暂态行波的波形识别跳闸性质；录波器和行波监测会通过GPRS/CDMA通讯模块将数据和图形传至后台服务显示器上，在后台服务显示器上查看暂态行波的图形形状，来判断是否是雷击跳闸，若是雷击跳闸根据波形来判断雷击跳闸是绕击跳闸还是反击跳闸，绕击跳闸时，雷电流击中输电线路的导线引起闪络，该导线被击穿后雷电流经过较短的杆塔入地，由于杆塔波阻抗和地面反射波的作用，会使沿线路传输的雷电流波形有很陡峭的下降沿和随后较低的幅值；反击跳闸时，雷电流击中避雷线或杆塔引起绝缘子串闪络跳闸，绝缘子串被击穿后，较长的雷电流波尾会分流进入输电线路的导线传播，该雷电流波形具有很陡的上升沿和相对缓慢下降的波尾；

（2）对故障进行区间定位；利用检测系统工频短路电流流向的方法来确定故障所在区间，若某一区间发生故障，则其两侧区间的电流相位为相反的，若电路是单端供电的，则远离电源一侧的区间内无工频故障电流；

（3）在故障区间内确定故障点；在故障区间内利用行波定位的方法来确定故障点。

本发明的积极有益效果是：

1、本发明采用了一种全新的识别雷击故障性质和精确定位故障点的方法，该方法通过雷电绕击和反击时形成的不同暂态行波特征识别雷击性质，并利用区间定位与行波定位相结合精确定位故障点，克服了传统方法需要逐基杆塔安装监测设备的弊端，只需要在线路全线每15~20公里安装一个观测点就可以实现全线路雷击性质的监测，是当前技术先进且实用性很强的雷击故障性质识别与定位系统。

2、本发明中MCU微控制单元与FPGA结合，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。

3、本发明中的时钟模块是一个高稳定度晶振构成的时钟模块，使电缆两端行波采集装置之间保持精确的时钟同步，减小走时误差；且根据录波器所记录波形，可以正确地分析判断电力系统、线路和设备故障发生的确切地点、发展过程和故障类型，以便迅速排除故障和制定防止对策。

4、本发明中GPS模块以GPS对时信号控制采样脉冲，如利用GPS中误差小于l微秒的lpps脉冲，经高稳定度晶振分频后产生采样脉冲，来解决现有GPS对时方法使网内务录波器之间将误差控制在l毫秒以下，实现真正意义上的全网时标统一和采样的同时性。

附图说明：

图1是本发明识别雷击故障性质和精确定位故障点的装置的结构连接框图；

图2是本发明识别雷击故障性质和精确定位故障点的方法的流程图；

图3是雷击为绕击事故下的典型行波波形；

图4是雷击为反击事故下的典型行波波形；

图5是区间定位与行波定位原理示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的解释和说明：

实施例：一种识别雷击故障性质和精确定位故障点的装置，包括行波监测和录波器，行波监测一端与利用耦合取电方式供电的耦合取电单元连接，另一端与录波器连接，行波监测与录波器通过能够进行上传监测信息和下传控制命令的GPRS/CDMA通讯模块与后台服务显示器连接，耦合取电单元与GPS模块和时钟模块连接，耦合取电单元耦合取电正常工作电流范围为 30A～1500A，GPS模块与时钟模块相互连接，GPS模块的另一端与行波监测连接，时钟模块的另一端与后台服务显示器连接。

行波监测包括高速数据采集器、MCU微控制单元、FPGA、ADC实时采集器和电压传感器，高速数据采集器与MCU微控单元和FPGA双向连接，MCU微控单元和FPGA双向连接，高速数据采集器与ADC实时采集器和电压传感器单向连接。

高速数据采集器控制ADC实时采集器采集数据，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微控制单元将记录下的故障波形和时标信息取走；MCU微控制单元负责在发生故障时从FPGA获取故障相关信息，并通过GPRS /CDMA通讯模块将数据上传到后台服务显示器，完成数据的远程通信任务。

行波监测为监测故障信息的行波监测，录波器为记录电流波形的录波器，时钟模块为利用高稳定度晶振构成的时钟模块，GPS模块以GPS对时信号控制采样脉冲。

一种识别雷击故障性质和精确定位故障点的方法，包括以下步骤：

（1）根据录波器上暂态行波的波形识别跳闸性质；录波器和行波监测会通过GPRS/CDMA通讯模块将数据和图形传至后台服务显示器上，在后台服务显示器上查看暂态行波的图形形状，来判断是否是雷击跳闸，若是雷击跳闸根据波形来判断雷击跳闸是绕击跳闸还是反击跳闸，绕击跳闸时，雷电流击中输电线路的导线引起闪络，该导线被击穿后雷电流经过较短的杆塔入地，由于杆塔波阻抗和地面反射波的作用，会使沿线路传输的雷电流波形有很陡峭的下降沿和随后较低的幅值，如图3所示；反击跳闸时，雷电流击中避雷线或杆塔引起绝缘子串闪络跳闸，绝缘子串被击穿后，较长的雷电流波尾会分流进入输电线路的导线传播，该雷电流波形具有很陡的上升沿和相对缓慢下降的波尾，如图4所示。

（2）对故障进行区间定位；利用检测系统工频短路电流流向的方法来确定故障所在区间，若某一区间发生故障，则其两侧区间的电流相位为相反的，若电路是单端供电的，则远离电源一侧的区间内无工频故障电流，如图5所示，设定输电线路在i、j、m、n等杆塔处装设了故障信号的检测装置，现在第j 基杆塔至第m基杆塔间发生了跳闸事故，此时，i j处的工频故障电流相位与m n处的工频故障电流相位是相反的（在单端供电时，m n处无工频故障电流），利用这一简单逻辑原理，可以十分准确地确定故障发生在j m间，区间的准确定位也可排除各种可能引起较大误差的干扰信号的影响，由于区间定位采用的是系统工频短路电流流向的方法，区间定位具有十分高的可靠性。

（3）在故障区间内确定故障点；在故障区间内利用行波定位的方法来确定故障点，由于故障区间已经确定，所以行波定位的故障区间变短，地形弧垂所引起的误差按比例线性缩小；在故障区间确定在j m间后，只需对j m段实施行波定位，地形弧垂带来的误差由两部分组成，一部分是在理论上计算故障点距离一端的距离：，其中为故障点距离母线M点的长度，v为波速，Tm和Tn分别为到达M端和N端的绝对时间，而L表示线路全长；此时线路全长L应该为行波传输的长度即导线的长度，而非杆塔距离表达的直线距离；另一部分误差是在按照定位计算得到的去定位故障的空间位置时产生，其误差，其中表示在地图上定位故障点位置的杆塔直线距离；两部分误差会有所抵消，同时我们注意到两部分误差都与区间的大小呈线性关系(第一部分的L系数为1/2，第二部分的系数为1 )，因此当区间变小时，由于地形弧垂引起的误差会呈比例缩小，按照实际情况，地形和弧垂的影响可能导致实际导线的长度与杆塔间的直线距离误差达5%以上，对于一条60公里的线路，5%意味着3公里的误差，考虑到两部分误差的相消作用，设误差为1公里，因此，如果每10公里一个区段，误差将缩小到1/6公里。

工作时，录波器进行电流录波，并且录波器和行波监测通过GPRS/CDMA通讯模块将数据和波形发送到后台服务器上，通过显示器显示出来，在发生跳闸事件时，通过在显示器上查看不同暂态行波特征来判断识别其雷击性质，并利用区间定位与行波定位相结合精确定位故障点，克服了传统方法需要逐基杆塔安装监测设备的弊端，只需要在线路全线每15~20公里安装一个观测点就可以实现全线路雷击性质的监测。

以上所述，仅是本发明的优先实施例而已，并未对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。