一种基于电压行波的故障测距装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于电压行波的故障测距装置，包括电源模块、开关量输入模块、信号处理模块和数据处理模块，开关量输入模块、信号处理模块和数据处理模块分别与背板数据总线连接，数据处理模块还通过以太网与管理机进行通讯；开关量输入模块用于接收处理负荷建模母线下负荷电流出线的负荷出线开关信号、母联开关信号和负荷建模母线上的开关信号，然后传送至信号处理模块和数据处理模块；信号处理模块用于获得故障行波初始波头到达时刻和行波信号极性并发送至数据处理模块；管理机用于利用行波双端测距法进行双端测距。本发明能够克服现有故障测距装置的种种弊端，通过硬件提取电压行波传感器采集到的故障行波波头、启动记录GPS时间。
【专利说明】
一种基于电压行波的故障测距装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种故障线路测距领域，尤其涉及一种基于电压行波的故障测距装 置。
【背景技术】
[0002] 随着我国电力事业蓬勃快速地发展，大量长距离高压或超高压输电线路暴露在旷 野，且在我国多为山区丘陵地形，暴雨、闪电等天气原因以及人为因素常常使线路发生故 障。输电线路故障点的快速、精确定位，一直是电力部门尚未彻底解决的难题，对电力系统 的安全、优质、经济运行构成较大威胁，也给线路运行维护人员带来了繁重的负担，给用电 部门带来了难以估计的损失。输电线路故障后快速、准确地确定故障点是保障电网安全稳 定运行的一项关键技术，也是长期困扰电网运行的主要难题之一。常用的输电线路故障定 位方法主要有阻抗法和行波法以及电压分布法，阻抗法由于原理上的缺陷，很难保证定位 精度;电压分布法由于受过渡电阻以及线路参数的影响，也难以保证测距结果的精度;随着 计算机、通信及测量技术的不断进步，行波法得到了迅速发展，并逐步进入实用化阶段。行 波法受外界因素影响小，测距精度高，被广泛应用在220kV及重要110kV输电线路中。传统的 行波测距采用高速采集CT二次侧信号实现，其采样频率一般不低于1MHz。电子式互感器为 保护及测控装置提供必要的采样信息，其采样率一般低于10kHz，远不能满足传统行波测距 的需求。因此，行波测距在智能变电站缺乏行之有效的解决方案，这也极大地制约了智能电 网及行波测距技术的发展。
[0003] 本项目在对智能电网及行波测距技术深入研究的基础上，创新性地提出了一套电 压行波测距系统。该项目的实施，有利于行波测距技术在智能变电站的推广，能极大地促进 智能变电站技术及行波测距技术的发展，同时，其更加优越的故障测距性能能进一步缩短 故障查找时间，减少停电损失。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种基于电压行波的故障测距装置，能够克服现有故障测距 装置的种种弊端，通过硬件提取电压行波传感器采集到的故障行波波头、启动记录GPS时 间。本发明定位精度高、造价低，具有较高的运行可靠性，能够满足对雷击闪络、断线、碰线、 污闪等各种类型故障进行准确定位，尤其适用于高阻接地故障的定位。
[0005] 本发明采用下述技术方案：
[0006] -种基于电压行波的故障测距装置，包括电源模块、开关量输入模块、信号处理模 块和数据处理模块，开关量输入模块、信号处理模块和数据处理模块分别与背板数据总线 连接，数据处理模块还通过以太网与管理机进行通讯；
[0007] 所述的电源模块用于为开关量输入模块、信号处理模块和数据处理模块供电；
[0008] 所述的开关量输入模块用于接收负荷建模母线下负荷电流出线的负荷出线开关 信号、母联开关信号和负荷建模母线上的开关信号，并对接收到的各类信号进行光电隔离、 抗电压干扰和数据缓冲处理，然后将处理后的信号通过背板数据总线传送至信号处理模块 和数据处理模块;负荷出线开关信号来自外部接入的辅助负荷出线开关触点信号，母联开 关信号来自外部接入的辅助母联开关触点信号，负荷建模母线上的开关信号来自外部接入 的辅助负荷建模母线开关触点信号；
[0009]所述的信号处理模块用于接收多路故障行波信号和3U0信号并进行实时监测，对 接收到的信号进行调理整定，获得故障行波初始波头到达时刻和行波信号极性，并将故障 行波初始波头到达时刻和行波信号极性发送至数据处理模块，信号处理模块与数据处理模 块通讯；
[0010]所述的数据处理模块用于实现数据存储和网络通讯功能，并对信号处理模块发送 的信号传输至管理机，通过以太网接收并处理管理机请求；
[0011] 所述的管理机用于根据数据处理模块发送的故障行波初始波头到达时刻，利用行 波双端测距法进行双端测距;并根据线路负荷建模母线下负荷电流出线的负荷出线开关信 号、母联开关信号和负荷建模母线上的开关信号进行判定故障线路。
[0012] 所述的开关量输入模块包括多路光电隔离器、抗电压干扰电路、第一级缓冲器、 CPLD和第二级缓冲器;多路光电隔离器的输出端依次通过抗电压干扰电路和第一级缓冲器 连接CPLD的输入端;CPLD的输出端通过第二级缓冲器连接背板数据总线。
[0013] 所述的多路光电隔离器采用TLP121器件。
[0014] 所述的抗电压干扰电路采用型号为P6SMB43CA的TVS的抗电压干扰电路。
[0015]所述的第一级缓冲器采用四片通用缓冲器，四片通用缓冲器将32路开关量信号分 为4组八路信号，CPLD通过第一级缓冲器对其中2组八路信号进行数据缓冲;所述的第二级 缓冲器采用两片通用缓冲器，CPLD通过第二级缓冲器对4组八路信号中未进行缓冲的2组八 路信号进行数据缓冲。
[0016]所述的信号处理模块包括FPGA模块以及分别与FPGA模块连接的多路故障行波信 号监测电路和多路3U0信号监测电路，FPGA模块通过行波的变化率、上升或下降时间和波头 的幅值进行判断，辨识行波波头。
[0017 ]所述的数据处理模块包括CPU单元、ETX核心单元、PCI桥接单元和调试接口单元。
[0018] 本发明能够克服现有故障测距装置和测距方法的种种弊端，通过硬件提取电压行 波传感器采集到的故障行波波头、启动记录GPS时间，最终利用测量到的故障线路两端的故 障电压行波到达时间差进行故障定位。本发明定位精度高、造价低，具有较高的运行可靠 性，能够满足对雷击闪络、断线、碰线、污闪等各种类型故障进行准确定位，尤其适用于高阻 接地故障的定位。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明的原理框图；
[0020] 图2为本发明中开关量输入模块的原理框图；
[0021] 图3为本发明中信号处理模块的原理框图；
[0022]图4为行波双端测距法块的原理示意图。
【具体实施方式】
[0023]如图1至图4所示，本发明所述的基于电压行波的故障测距装置，包括电源模块、开 关量输入模块、信号处理模块和数据处理模块，开关量输入模块、信号处理模块和数据处理 模块分别与背板数据总线连接，数据处理模块还通过以太网与管理机进行通讯。
[0024]所述的电源模块用于为开关量输入模块、信号处理模块和数据处理模块供电。本 实施例中，电源模块输入为AC/DC220V或者DC110V的电压，再由电源隔离模块转换为+24V、+ 12V、+5V的电压输出，为开关量输入模块、信号处理模块和数据处理模块供电。
[0025]所述的开关量输入模块用于接收负荷建模母线下负荷电流出线的负荷出线开关 信号、母联开关信号和负荷建模母线上的开关信号，并对接收到的各类信号进行光电隔离、 抗电压干扰和数据缓冲处理，然后将处理后的信号通过背板数据总线传送至信号处理模块 和数据处理模块;负荷出线开关信号来自外部接入的辅助负荷出线开关触点信号，母联开 关信号来自外部接入的辅助母联开关触点信号，负荷建模母线上的开关信号来自外部接入 的辅助负荷建模母线开关触点信号。
[0026] 开关量输入模块包括多路光电隔离器、抗电压干扰电路、第一级缓冲器、CPLD(复 杂可编程逻辑器件)和第二级缓冲器;多路光电隔离器的输出端依次通过抗电压干扰电路 和第一级缓冲器连接CPLD的输入端;CPLD的输出端通过第二级缓冲器连接背板数据总线。
[0027] 本实施例中，光电隔离器采用TLP121器件，能够将外部输入电压信号量隔离转换 为5V的TTL电平进入系统，以隔离外部输入信号干扰。
[0028] 抗电压干扰电路采用包含TVS(瞬变电压抑制二极管）的抗电压干扰电路，例如 P6SMB43CA型号的TVS抗电压干扰电路，能够对进入系统的开关量通过TVS完成抗电压干扰 功能。
[0029] 第一级缓冲器采用四片通用缓冲器74LS245,四片通用缓冲器将32路开关量信号 分为4组八路信号，CPLD通过第一级缓冲器对其中2组八路信号进行数据缓冲，以满足16位 背板数据总线形式;第二级缓冲器采用两片通用缓冲器74LS245，CPLD通过第二级缓冲器对 4组八路信号中未进行缓冲的2组八路信号进行数据缓冲。通过设置第一级缓冲器和第二级 缓冲器，能够保证32路开关量信号全部被系统采集，并由16位数据总线经背板数据总线送 至信号处理模块。
[0030] 所述的信号处理模块用于接收多路故障行波信号和3U0信号并进行实时监测，对 接收到的信号进行调理整定，获得故障行波初始波头到达时刻和行波信号极性，信号处理 模块与数据处理模块通讯。
[0031] 信号处理模块包括FPGA模块以及分别与FPGA模块连接的多路故障行波信号监测 电路和多路3U0信号监测电路，FPGA模块通过行波的变化率、上升或下降时间和波头的幅值 进行判断，辨识行波波头。信号处理模块设置有四个BNC头用于连接行波传感器，6位凤凰端 子用于接入3U0信号，信号处理模块能够解码对时信号，采集行波故障信号和3U0故障信号， 标记故障突变时刻并实现故障数据的本地暂存，通过背板数据总线上传故障数据。
[0032] 所述故障行波信号监测电路，由微分电路和信号调整电路组成。微分电路首先通 过双向TVS管SMBJ100CA，将故障行波信号峰值限制在100V左右，能够有效防止故障行波信 号幅值过大对后端1C造成不可恢复的损坏，同时缩短大信号在PCB上的传输路径，进一步防 止通道间的耦合所造成的误触发;然后通过双向SMBJ15CATVS管，用于陡化故障行波脉冲的 上升沿，使故障行波信号转化为幅值变化率电平，随后再通过信号调理电路对信号幅值和 信号极性进行调理，并通过电压整定电路进行电平整定，辨识行波波头，获得故障行波触发 信号和极性信号，最后经型号为HCPL260L的高速光耦隔离输出到FPGA，触发FPGA记录初始 波头到达时刻和行波信号极性。
[0033]所述3U0信号实时监测电路由微分电路和信号调整电路组成，微分电路首先通过 高电压等级双向TVS管SMBJ100CA，将故障行波信号峰值限制在100V左右，能够有效防止故 障行波信号幅值过大对后端1C造成不可恢复的损坏，同时缩短大信号在PCB上的传输路径， 进一步防止通道间的耦合所造成的误触发;其次通过规格型号为DRT805/201A的脉冲器实 现信号的电气隔离，同时可避免雷击等大浪涌冲击信号对后端1C元件可能造成的损坏。最 后通过低电压等级的双向SMBJ15CA的TVS管，用于陡化故障行波脉冲的上升沿，使故障行波 信号转化为幅值变化率电平，随后再通过信号调理电路对信号幅值和信号极性进行调理， 并通过电压整定电路进行电平整定，辨识行波波头，获得故障行波触发信号和极性信号，最 后经过型号为HCPL260L的高速光耦隔离输出到FPGA，触发FPGA记录初始波头到达时刻和行 波信号极性。
[0034]所述FPGA模块根据B码解出绝对时刻（时刻源有两种形式：秒脉冲、串行时间报 文）;FPGA根据再根据绝对时刻实时的标记故障行波初始波头的到达时刻，同时接收行波极 性数据、通道号数据和板卡ID数据把接收到的数据一起打包，打包后在本地实现暂存，待信 号处理器模块发出数据传送请求时，把打包好的数据上传给信号处理器模块。
[0035]所述的数据处理模块用于实现数据存储和网络通讯功能，并对信号处理模块发送 的信号传输至管理机，通过以太网接收并处理管理机请求;数据处理模块包括CHJ单元、ETX 核心单元、PCI桥接单元和调试接口单元。ETX核心单元用于实现运算、数据存储、网络通讯、 全双工串口通讯、PCI总线通讯、CRT显示和键盘鼠标输入等功能;PCI桥接单元用于实现完 成PCI桥接功能，使ETX核心单元可通过PCI总线访问信号处理模块和开关量输入模块，峰值 访问速度读操作可达20M字节/s，写操作可达10M字节/s。
[0036]所述的管理机用于根据数据处理模块发送的故障行波初始波头到达时刻，利用行 波双端测距法进行双端测距;并根据线路负荷建模母线下负荷电流出线的负荷出线开关信 号、母联开关信号和负荷建模母线上的开关信号进行判定故障线路;管理机用于进行程序 应用管理，管理机可采用嵌入式计算机，包括嵌入式微处理器、外围硬件设备、WIN-XP操作 系统，以及安装了电压行波故障测距装置的客户端后台管理应用程序，后台管理程序的功 能包括故障测距、文件管理、定值配置、查看历史记录、数据保存、数据显示、打印等功能。 [0037]在利用本发明所述的基于电压行波的故障测距装置进行故障测距时，可按照以下 步骤进行。
[0038] A:在输电线路两侧变电站分别安装智能行波测距装置，分别利用开关量输入模块 接收负荷建模母线下负荷电流出线的负荷出线开关信号、母联开关信号和负荷建模母线上 的开关信号，开关量输入模块包括多路光电隔离器、抗电压干扰电路、第一级缓冲器、CPLD 和第二级缓冲器;第一级缓冲器采用四片通用缓冲器，第一级缓冲器将32路开关量信号分 为4组八路信号，CPLD通过第一级缓冲器对其中2组八路信号进行数据缓冲;第二级缓冲器 采用两片通用缓冲器，CPLD通过第二级缓冲器对4组八路信号中未进行缓冲的2组八路信号 进行数据缓冲；
[0039] B:利用信号处理模块接收多路故障行波信号和3U0信号并进行实时监测，获得故 障行波初始波头到达时刻和行波信号极性;通过FPGA模块将获得的数据一起打包，打包后 在本地实现暂存，待数据处理模块发出数据传送请求时，将打包好的数据上传给数据处理 模块。
[0040] C:利用数据处理模块获取信号处理模块和开关量输入模块的数据，实现数据存储 和网络通讯的功能，并通过以太网接收并处理管理机请求。
[0041] D:管理机根据数据处理模块传送的故障行波初始波头到达时刻，利用行波双端测 距法进行双端测距；管理机还根据线路负荷建模母线下负荷电流出线的负荷出线开关信 号、母联开关信号和负荷建模母线上的开关信号进行判定故障线路，当某条线路中的负荷 出线开关信号、母联开关信号和负荷建模母线上的开关信号动作时，即证明此条线路发生 故障。
[0042]行波双端测距法:通过检测故障点产生的行波波头分别到达母线s侧和R侧的时间 Ts及Tr计算故障距离，L为输电线路全长;v是行波在线路上的传播速度，当输电线路为架空 线时，v是行波在线路上的传播速度，输电线路为架空线时，v是一接近光速的稳定值;1为 故障点到母线s侧的距离，X R为故障点到母线R侧的距离。
【主权项】
1. 一种基于电压行波的故障测距装置，其特征在于:包括电源模块、开关量输入模块、 信号处理模块和数据处理模块，开关量输入模块、信号处理模块和数据处理模块分别与背 板数据总线连接，数据处理模块还通过以太网与管理机进行通讯； 所述的电源模块用于为开关量输入模块、信号处理模块和数据处理模块供电； 所述的开关量输入模块用于接收负荷建模母线下负荷电流出线的负荷出线开关信号、 母联开关信号和负荷建模母线上的开关信号，并对接收到的各类信号进行光电隔离、抗电 压干扰和数据缓冲处理，然后将处理后的信号通过背板数据总线传送至信号处理模块和数 据处理模块;负荷出线开关信号来自外部接入的辅助负荷出线开关触点信号，母联开关信 号来自外部接入的辅助母联开关触点信号，负荷建模母线上的开关信号来自外部接入的辅 助负荷建模母线开关触点信号； 所述的信号处理模块用于接收多路故障行波信号和3U0信号并进行实时监测，对接收 到的信号进行调理整定，获得故障行波初始波头到达时刻和行波信号极性，并将故障行波 初始波头到达时刻和行波信号极性发送至数据处理模块，信号处理模块与数据处理模块通 讯； 所述的数据处理模块用于实现数据存储和网络通讯功能，并对信号处理模块发送的信 号传输至管理机，通过以太网接收并处理管理机请求； 所述的管理机用于根据数据处理模块发送的故障行波初始波头到达时刻，利用行波双 端测距法进行双端测距;并根据线路负荷建模母线下负荷电流出线的负荷出线开关信号、 母联开关信号和负荷建模母线上的开关信号进行判定故障线路。2. 根据权利要求1所述的基于电压行波的故障测距装置，其特征在于:所述的开关量输 入模块包括多路光电隔离器、抗电压干扰电路、第一级缓冲器、CPLD和第二级缓冲器;多路 光电隔离器的输出端依次通过抗电压干扰电路和第一级缓冲器连接CPLD的输入端;CPLD的 输出端通过第二级缓冲器连接背板数据总线。3. 根据权利要求2所述的基于电压行波的故障测距装置，其特征在于:所述的多路光电 隔离器采用TLP121器件。4. 根据权利要求2所述的基于电压行波的故障测距装置，其特征在于:所述的抗电压干 扰电路采用型号为P6SMB43CA的TVS的抗电压干扰电路。5. 根据权利要求2所述的基于电压行波的故障测距装置，其特征在于:所述的第一级缓 冲器采用四片通用缓冲器，四片通用缓冲器将32路开关量信号分为4组八路信号，CPLD通过 第一级缓冲器对其中2组八路信号进行数据缓冲;所述的第二级缓冲器采用两片通用缓冲 器，CPLD通过第二级缓冲器对4组八路信号中未进行缓冲的2组八路信号进行数据缓冲。6. 根据权利要求1所述的基于电压行波的故障测距装置，其特征在于:所述的信号处理 模块包括FPGA模块以及分别与FPGA模块连接的多路故障行波信号监测电路和多路3U0信号 监测电路，FPGA模块通过行波的变化率、上升或下降时间和波头的幅值进行判断，辨识行波 波头。7. 根据权利要求1所述的基于电压行波的故障测距装置，其特征在于:所述的数据处理 模块包括CPU单元、ETX核心单元、PCI桥接单元和调试接口单元。
【文档编号】G01R31/08GK105911428SQ201610272550
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】韩伟, 石光, 杨海晶, 孔圣立, 刘磊, 赵文沛, 黎波, 陈贤平, 彭锦凤, 熊彬, 聂云根
【申请人】国网河南省电力公司电力科学研究院, 深圳市双合电气股份有限公司, 国家电网公司