专利名称：高精度故障录波器及其输电线路组合故障测距方法
技术领域：
本发明属于电力系统领域，特别涉及电力系统故障波形记录和故障分析。
本发明设计的一种高精度故障录波器，其特征在于，包括前置机、后台机、电力系统同步时钟；该前置机通过串行通信口和后台机相连，该电力系统同步时钟通过导线和前置机相连；其特征在于所说的前置机包括采集、记录稳态故障电压的稳态电压采集板，采集、记录暂态故障电压的暂态电压采集板，采集、记录稳态故障电流的稳态电流采集板，采集、记录暂态故障电流的暂态电流采集板，采集、记录高频信息的高频采集板，用于提供精确时标并和电力系统同步时钟接口的时间同步板；上述各板依次插接在一个母板上。
所说的稳态和暂态电压采集是通过电压互感器测量记录电气设备故障后电压，然后把采集到的故障数据通过串行通信口传送给后台机；所说的稳态和暂态电流采集是通过电流互感器测量记录电气设备故障后电流，然后把采集到的故障数据通过串行通信口传送给后台机；所说的高频采集单元测量记录输电线路收发讯机上发出或者受到的高频信号，并把记录结果通过串行通信口传送给后台机；所说的时间同步单元接收电力系统同步时钟所给出的同步时间，并把这个时间信号通过导线传送给上述三种采集单元和后台机，用于实现整个录波器的时间同步；所说的后台机通过串行通信口与上述的采集单元和时间同步单元相连，获得故障数据和时间信息，打印、存储、显示上述故障信息，同时给出输电线路故障的精确位置。
本发明提出了一种利用故障录波器所记录的稳态、暂态电压和电流，运行在后台机上的单端电气量的输电线路组合故障测距算方法，该方法可以有效解决高压输电线路故障测距的可靠性和准确性问题。它由基于工频电气量的阻抗测距算法和基于暂态行波的行波测距算法组合而成。该方法的特点是综合了二者的优点，具有可靠性高、测距准确的特点。该方法的原理是由具有鲁棒性的阻抗测距算法给出故障发生的范围，误差不超过线路全长的10％，然后由行波测距法进行精确故障定位，误差小于1公里。
包括以下步骤；(1)从暂态电流采集板获得被测量输电线路的三相暂态电流；(2)从暂态电压采集板获得被测量输电线路的三相暂态电压；(3)从稳态电流采集板获得被测量输电线路的三相稳态电流；(4)从稳态电压采集板获得被测量输电线路的三相稳态电压；(5)根据得到的稳态三相电流和电压，由具有鲁棒性的阻抗测距算法给出故障发生的范围；其中，单端阻抗测距算法为X=xx0]]>式中，X——从测量点到故障点的实际距离，单位公里，x——从测量点到故障点的电抗，单位欧姆，x0——被测量线路单位长度电抗，单位欧姆/公里，从测量点到故障点的电抗x可以用下式计算 式中，Rm——从测量点到故障点的测量电阻，单位欧姆，xm——从测量点到故障点的测量电抗，单位欧姆，L——被测量线路的阻抗角，单位弧度，
a、b——系数；其中系数a、b可以用下式计算a=Re[I•mgI•m],b=Im[I•mgI•m];]]>式中 是测量点的电流相量和电流故障分量相量，其中，测量电阻Rm和测量电抗xm可以用以下式子来计算，对于单相接地故障Rm+jxm=U•φI•φ+Z0-Z1Z1*I•0]]>其中 ——相电压相量； ——相电流相量； ——零序电流相量；Z0.Z1—被测量线路单位长度零序和正序阻抗，单位欧姆对于相间故障AB相短路，Rm+jxm=U•A-U•BI•A-I•B]]>AC相短路，Rm+jxm=U•A-U•CI•A-I•C]]>BC相短路，Rm+jxm=U•B-U•CI•B-I•C]]> ——A、B、C各相电压相量， ——A、B、C各相电流相量；(6)根据得到的暂态三相电流，由行波测距法进行故障测距；单端行波测距算法采样电流行波原理构成，数学式子如下L＝(T1-T2)/V式中，L——故障距离，单位公里V——波速度，单位公里/秒，对于给定线路，它是一个接近光速的常数，
T1——初始电流行波到达检测点的时间，单位微秒T2——反射电流行波到达检测点的时间，单位微秒(7)综合(5)和(6)步，实现精确故障定位。
当阻抗法给出故障发生的范围时，反射行波波头的位置一般情况下就唯一确定了。从而实现了输电线路可靠和精确的故障测距。
本发明的主要技术特点是1、既能够记录工频故障信息(包括谐波分量)，也能够记录暂态故障信息，从而取代目前的电力故障录波器(它们只能记录稳态故障信息，不能记录暂态故障信息)。工频采样频率1千赫兹，暂态采样频率1兆赫兹；2、能够实现输电线路精确故障测距，误差小于1公里，可靠性高。
本发明应用范围1、各种电压等级的发电厂、变电站电气设备故障信息的全面记录，包括高压输电线路、发电机、大型电力变压器、电容器、调相机；2、各种配电网络中电气设备的故障信息的全面记录，包括配电线路和配电变压器等；本发明的技术指标1、记录电气量数目(1)最少可记录两回线路(变压器)工频电流(三相电流和零序电流)，8个模拟量；最多可记录十回线路(变压器)工频电流，40个模拟量。采样频率1千赫兹，最大记录时间15分钟；(2)最少可记录两回线路(变压器)暂态电流(三相电流和零序电流)，8个模拟量；最多可记录十回线路(变压器)暂态电流，40个模拟量；采样频率1兆赫兹，最大记录时间20毫秒；(3)可记录四路高频信号，8个模拟量，采样频率50千赫兹，最大记录时间400毫秒；(4)最少可记录两回母线工频电压(三相电压和零序电压)，8个模拟量；最多可记录四回母线工频电压，16个模拟量。采样频率1千赫兹，最大记录时间15分钟；(5)最少可记录两回母线暂态电压(三相电压和零序电压)，8个模拟量；最多可记录四回母线暂态电压，16个模拟量。采样频率1兆赫兹，最大记录时间20毫秒；(6)可记录可记录64路开关量(开入、开出)。
2、运行在后台机上的后台分析软件结合工频电气量故障测距算法和行波法可以实现输电线路精确故障测距，一般情况下误差不超过1公里。
图2为本实施例的前置机的硬件构成框图。
图3为本实施例的暂态插件硬件构成框图。
图4为本实施例的暂态插件中央处理器CPU的程序流程图。
图5为本实施例的工频插件硬件构成框图。
图6为本实施例的工频插件中央处理器CPU的程序流程图。
图7为本实施例的GPS时间同步插件硬件构成框图。
图8为本实施例的GPS时间同步插件中央处理器单元程序流程图。
图9为本实施例的后台机程序框图。
其中前置机用于实时采集稳态工频电流、暂态行波电流、稳态工频电压、暂态行波电压、高频保护使用的高频信号和开关量，它和后台机、电力系统同步时钟相连；其中后台工控机用于记录、存储、显示故障波形和故障数据、计算输电线路故障距离、进行故障分析，它和前置机、打印机相连；电力系统同步时钟为整个录波器系统提供精确同步时间，它和前置机相连；打印机用于打印录波结果和故障测距结果，它和后台机相连。
前置机和后台机通过CAN串行总线连接起来，构成一个实时的、有机的整体。
上述各部分的组成实施例分别详细说明如下一、前置机本实施例的前置机的构成如图2所示。由10个部分组成电源插件1，变换器插件2，暂态电流采集插件3，工频电流采集插件4，暂态电压采集插件5，工频电压采集插件6，高频信号采集插件7，GPS时钟同步插件8，母板9，机箱0。其中，暂态电流采集插件3、暂态电压采集插件5和高频信号采集插件7采用相同的结构(简称暂态插件)；工频电流采集插件4和工频电压采集插件6采用相同的结构(简称工频插件)。这10个部分的连接关系为电源插件1，变换器插件2，暂态电流采集插件3，工频电流采集插件4，暂态电压采集插件5，工频电压采集插件6，高频信号采集插件7，GPS时钟同步插件8等8块插件都通过插座插在母板9上，然后它们被封装在一个铝合金的机箱10里。
本发明还可根据实际应用的需要，选用不同的插件数目和种类，组合成各种配置的故障录波器，本实施例为最小配置。
各插件详细说明如下1、暂态插件包括暂态电流采集插件3、暂态电压采集插件5和高频信号采集插件7。该插件的作用是采集和记录故障后暂态电流、暂态电压、高频信号，采样频率设定为1兆赫兹，采样长度6毫秒，模数转换器A/D转换精度4位，可以采集8路模拟量。上述三个插件硬件构成如图3所示，它由中央处理器单元CPU及与其相连的数据存储器RAM和程序存储器EPR组成，其中中央处理器单元CPU为菲利浦公司生产的8051XA系列单片机，型号为PXAC37KFA；数据存储器RAM型号为628512ALP-7；程序存储器EPROM型号为M27C64；固化在暂态插件的程序存储器(EPROM)中，在中央处理器单元CPU(8051XA-37K)中运行的程序流程如图4所示，现结合该图程序说明暂态插件的工作过程如下正常运行时，来自于变换器插件的8路暂态电压(或电流)首先经过截止频率为200千赫兹的低通滤波器，然后输出模拟量和一个设定的固定电平进行比较，如果输出量大于固定电平，则给出故障启动信号；否则，不发出故障启动信号。这个模拟量被模数转换器A/D不停顿的转换成为数字量并存入数据存储器中。
当没有故障时，A/D不断转换，但是CPU并不读取该采样数据。只有检测到故障发生的信号后，CPU记录下当前地址，并从该地址开始读取每8路数字量6000个字(2字节)，共计96000字节，并把这些数据传送给后台机，用于存储和显示打印。
特别需要注意的是对于高频信号采集插件，读取数据时每隔10个点读取一次，这是因为高频信号采样频率选择为100千赫兹，记录时间为60毫秒，对于每一路高频信号记录的数字量还是记录6000个字(2字节)。
2、工频插件包括工频电流采集插件4和工频电压采集插件6该插件的作用是采集和记录故障前后稳态工频电流、稳态工频电压和开关量，采样频率可变，从20赫兹~1千赫兹。采样长度10分钟，模数转换器A/D转换精度14位，可以采集8路模拟量。它的硬件由中央处理器单元CPU及与其相连的数据存储器RAM、程序存储器EPROM和电擦除程序存储器EEPROM组成，如图5所示。其中，中央处理器单元CPU为菲利浦公司生产的8051XA系列单片机，型号为PXAC37KFA；数据存储器RAM为6281000ALP-7；程序存储器EPROM为M27C64；电擦除程序存储器EEPROM，可以存放2千字节的数据，比如启动门槛和其它整定值。
该工频插件的程序流程如图6所示，包括主程序和采样中断程序，该程序固化在程序存储器(EPROM)中，在中央处理器单元CPU(8051XA-37K)中运行，现结合该图程序说明工频插件的工作过程如下正常运行时，来自于变换器插件的8路稳态工频态电压(或电流)首先经过截止频率为500赫兹的低通滤波器，然后在CPU的控制下，被模数转换器A/D以1千赫兹的转换频率转换成为数字量并存入数据存储器中。
当来自于暂态插件的“故障启动信号”到来，同时当前三相电流的采样值和20毫秒之前的采样值进行减法运算，二者的差值大于整定门槛值时，确认故障发生。
从这时起，CPU从数据存储器读取采集到的8路电压(或电流)中的每一路数值1000字(2000字节)，总共读取16000字节(8路)，共计1秒种时间；然后，每隔10个点读取1个点，总共读取144000字节(8路)，共计15分钟。
此外，来自于外部电路的开关量输入输出信息经过总线驱动器芯片74LS245接入中央处理器单元的数据总线上，每1毫秒刷新一次，用于检测开关量变位情况和给出开关量输出信息。
把记录结果通过串行口1传送给后台机，用于存储和显示打印。结束本次故障记录过程。
3、GPS时钟同步插件8该插件的作用是接收来自于GPS电力系统同步时钟的串行时间信息和精确的秒脉冲，产生准确的本录波器时钟源。该GPS时钟同步插件的硬件构成如图7所示，它主要由中央处理器单元CPU及与其相连的数据存储器RAM、程序存储器EPROM、高精度晶振和计数器组成，其中；中央处理器单元CPU为菲利浦公司生产的8051XA系列单片机，型号为PXAC37KFA；数据存储器RAM为628512ALP-7；程序存储器EPROM为M27C64；高精度晶振为33Z兆赫兹；计数器为74LS161电路。
固化在程序存储器EPROM中、运行在8051XA单片机中的程序如图8所示，现结合该图流程说明该插件的的工作过程如下正常运行时，CPU将1秒钟一次通过串行口1接收准确的GPS时钟信息；1PPS是GPS电力系统同步时钟所产生的精确秒脉冲，误差小于1微秒；计数器电路将把1PPS所产生的秒脉冲分频成为微秒脉冲；当被检测的设备发生故障后，启动信号将触发计数器电路停止脉冲计数，并通知CPU。这时，CPU-8051XA将检测到该启动信号，并记录下准确的触发时刻。这就是故障发生的准确微秒时间。
CPU进一步把每秒钟所收到的年月日时分秒信息和刚才的微秒时刻组装，将得到完整的故障发生时间信息。
然后，CPU将主动把所记录的这个故障发生时刻通过广播方式发送给母板(总线)，这样每一个采集插件都将获得精确的故障发生时间。
CPU也将利用串行口2把这个时间信息传送给后台机，用于打印输出。
4、变换器插件2该插件的作用是把来自于电压电流互感器的100伏特电压和电流1(或5)安培的电流变换成为正负5伏特的电压信号，供单片机电路使用。
在该插件子上安装有8个电压/电压变换器和8个电流/电压变换器。
电压/电压变换器型号为SPT-264A，电流/电压变换器型号为SPT-2645、母板9该插件的作用是把各个插件安装固定在它的插座上，同时提供各个插件之间的联络线。
6、电源插件1提供前置机各个插件所使用的电源(型号为YF20-113)，功率250瓦特，电压等级为正负5伏特，正负12伏特7、机箱10二、后台机本实施例的后台机选用工业控制机，型号为AWS842T 256K，4ISA，2PCI，1CPU；10″，液晶具彩，640×480体积482×366×450mm(19″×14″×17″)
本后台机的作用和功能包括存放故障录波数据；在工控机的液晶屏幕上显示录波结果；形成打印文件驱动打印机打印录波结果；和各个采集单元之间通信，获取故障波形、故障时间；协调指挥各个采集单元的工作，像定值修改等；输电线路故障测距，上述各功能通过固化在后台机中的程序得以实现。
后台机的程序框图如图9所示，说明如下(1)本程序运行在后台机(工业控制机)上；(2)首先上电，初始化；(3)进入WINDOWS平台；(4)开放各种中断，包括键盘、串行口等；(5)然后就进入中断等待；(6)如果由串行口中断，则转入相应的串行口中断处理程序；主要包括如下工作和步骤读取暂态电压采集板记录结果；读取暂态电流采集板记录结果；读取稳态电压采集板记录结果；读取稳态电流采集板记录结果。
利用根据得到的稳态三相电流和电压，由具有鲁棒性的阻抗测距算法给出故障发生的范围，误差不超过线路全长的10％；其中输电线路故障测距详细算法和实现步骤说明如下第一步从暂态电流采集板获得被测量输电线路的三相暂态电流；第二步从暂态电压采集板获得被测量输电线路的三相暂态电压；第三步从稳态电流采集板获得被测量输电线路的三相稳态电流；第四步从稳态电压采集板获得被测量输电线路的三相稳态电压；第五步根据得到的稳态三相电流和电压，由具有鲁棒性的阻抗测距算法给出故障发生的范围，误差不超过线路全长的10％；其中，单端阻抗测距算法可以用数学式子表示为X=xx0----(1)]]>式中，X——从测量点到故障点的实际距离，单位公里x——从测量点到故障点的电抗，单位欧姆x0——被测量线路单位长度电抗，单位欧姆/公里从测量点到故障点的电抗x可以用下式计算 式中，Rm——从测量点到故障点的测量电阻，单位欧姆xm——从测量点到故障点的测量电抗，单位欧姆L——被测量线路的阻抗角，单位弧度
a、b——系数。其中系数a、b可以用下式计算a=Re[I•mgI•m]-----(3)]]>b=Im[I•mgI•m]----(4)]]>式(3)、(4)中 是测量点的电流相量和电流故障分量相量。其中，测量电阻Rm和测量电抗xm可以用以下式子来计算对于单相接地故障Rm+jxm=U•φI•φ+Z0-Z1Z1*I•0----(5)]]>其中 ——相电压相量； ——相电流相量； ——零序电流相量；Z0.Z1—被测量线路单位长度零序和正序阻抗，单位欧姆对于相间故障AB相短路，Rm+jxm=U•A-U•BI•A-I•B----(6)]]>AC相短路，Rm+jxm=U•A-U•CI•A-I•C----(7)]]>BC相短路，Rm+jxm=U•B-U•CI•B-I•C----(8)]]> ——A、B、C各相电压相量； ——A、B、C各相电流相量；第六步根据得到的暂态三相电流，由行波测距法进行故障测距；单端行波测距算法采样电流行波原理构成，数学式子如下L＝(T1-T2)/V (9)式(9)中，L——故障距离，单位公里V——波速度，单位公里/秒。对于给定线路，它是一个常数，接近光速。
T1——初始电流行波到达检测点的时间，单位微秒；T2——反射电流行波到达检测点的时间，单位微秒第七步综合第五步和第六步，实现精确故障定位，存储该测距结果，供打印和显示使用。然后中断返回。
(7)如果是键盘中断，则检查是哪一个键按下，然后执行相应的操作。比如故障距离计算、打印、显示等等。其中故障距离计算的方法与步骤见上述。
三、GPS电力系统同步时钟GPS电力系统同步时钟为整个录波器系统提供精确同步时间。可以购买科汇电气公司生产的T-GPS12系列的同步时钟。它具有RS232、485、IRIG等标准串行口可选择，用于和计算机之间进行串行时间信息读取；它还具有秒脉冲同步信号，可以进行精确时间分频。
四、打印机可以选择LK1600系列24针打印机，用于打印录波器所记录的故障波形和有关数据，也可以打印故障测距结果。
本发明实施例的工作过程(1)来自于电压电流互感器的电压和电流信号分别接入变换器插件，变换成为正负5伏特的信号；(2)来自于断路器或者其它开关接点的开关量信息接入工频采集插件(3)如果没有发生故障，则工频采集插件和暂态采集插件都继续自己的采样，工频采集插件按照1千赫兹的频率采样，并不断判断故障启动；暂态采集插件按照1兆赫兹的频率采样。
(4)如果故障发生，暂态采集插件的硬件启动电路迅速启动(触发)，并用广播的方式通知所有采集插件。同时自己开始读取故障数据6毫秒；(5)工频采集插件收到该信息后，继续进行软件故障启动判别。如果软件判定5点(5毫秒)，确认故障发生后，通知其它所有采集插件。同时自己首先以1千赫兹的频率读取故障数据1秒钟；然后，每隔10个点读取故障数据一次，读取15分钟；(6)由工频采集插件主动通知后台计算机，故障发生，请求读取各个插件的故障数据。
(7)GPS时间同步插件和暂态采集插件的启动信号是一样的，故障发生后，它迅速记录下故障发生的准确时刻(微秒信息)，然后和来自于GPS电力系统同步时钟的串行口的年月日时分秒信息共同组成完整的故障时间。并以广播方式通知各个采集插件，然后等待后台工控机索取故障发生时间。
(8)后台计算机响应工频采集插件的串行口中断请求，巡回读取所有插件的故障数据和时间。
(9)由后台工控机形成故障数据文件；(10)由后台工控机计算出准确的故障距离。
权利要求
1.一种高精度故障录波器，包括前置机、后台机、电力系统同步时钟；该前置机通过串行通信口和后台机相连，该电力系统同步时钟通过导线和前置机相连；其特征在于所说的前置机包括采集、记录稳态故障电压的稳态电压采集板，采集、记录暂态故障电压的暂态电压采集板，采集、记录稳态故障电流的稳态电流采集板，采集、记录暂态故障电流的暂态电流采集板，采集、记录高频信息的高频采集板，用于提供精确时标并和电力系统同步时钟接口的时间同步板，以及存储在各采集板中的数据处理程序，上述各板依次插接在一个母板上，所说的后台机存储有故障数据分析、处理和利用单端电气量的输电线路组合故障测距算法程序。
2.如权利要求1所述的高精度故障录波器，其特征在于所说的后台机采用工业控制机。
3.一种利用单端电气量的输电线路组合故障测距方法，包括以下步骤；(1)从暂态电流采集板获得被测量输电线路的三相暂态电流；(2)从暂态电压采集板获得被测量输电线路的三相暂态电压；(3)从稳态电流采集板获得被测量输电线路的三相稳态电流；(4)从稳态电压采集板获得被测量输电线路的三相稳态电压；(5)根据得到的稳态三相电流和电压，由具有鲁棒性的阻抗测距算法给出故障发生的范围；其中，单端阻抗测距算法为X=xx0]]>式中，X——从测量点到故障点的实际距离，单位公里，x——从测量点到故障点的电抗，单位欧姆，x0——被测量线路单位长度电抗，单位欧姆/公里，从测量点到故障点的电抗x可以用下式计算 式中，Rm——从测量点到故障点的测量电阻，单位欧姆，xm——从测量点到故障点的测量电抗，单位欧姆，L——被测量线路的阻抗角，单位弧度，a、b——系数；其中系数a、b可以用下式计算a=Re[I•mgI•m],b=Im[I•mgI•m];]]>式中 是测量点的电流相量和电流故障分量相量，其中，测量电阻Rm和测量电抗xm可以用以下式子来计算，对于单相接地故障Rm+jxm=U•φI•φ+Z0-Z1Z1*I•0]]>其中 ——相电压相量； ——相电流相量； ——零序电流相量；Z0.Z1—被测量线路单位长度零序和正序阻抗，单位欧姆对于相间故障AB相短路，Rm+jxm=U•A-U•BI•A-I•B]]>AC相短路，Rm+jxm=U•A-U•CI•A-I•C]]>BC相短路，Rm+jxm=U•B-U•CI•B-I•C]]> ——A、B、C各相电压相量， ——A、B、C各相电流相量；(6)根据得到的暂态三相电流，由行波测距法进行故障测距；单端行波测距算法采样电流行波原理构成，数学式子如下L＝(T1-T2)/V式中，L——故障距离，单位公里V——速度，单位公里/秒，对于给定线路，它是一个接近光速的常数，T1——初始电流行波到达检测点的时间，单位微秒T2——反射电流行波到达检测点的时间，单位微秒(7)综合5)和6)步，实现精确故障定位。
全文摘要
本发明属于电力系统领域,包括前置机、后台机、电力系统同步时钟、打印机等四个组成部分。其中,前置机包括稳态电压、电流采集单元,暂态电压、电流采集单元,高频采集单元,用于提供精确时标并和电力系统同步时钟接口的GPS(全球导航卫星定时与测距系统)时间同步单元;后台机采用工业控制机,用于故障数据分析和处理;电力系统同步时钟用于为本装置提供精确时间信息;打印机用于打印故障录波和故障测距结果。本发明通过上述配置和专门设计的前置机硬件以及各种配套软件程序,可以全面记录故障后所出现的故障电压和故障电流信息、实现输电线路的精确故障测距,并为新型暂态行波继电保护的研制和应用收集重要的故障数据。
文档编号G01R31/08GK1367392SQ01143448
公开日2002年9月4日 申请日期2001年12月28日 优先权日2001年12月28日
发明者董新洲 申请人:清华大学