基于高精度时钟同步的配电线路双端行波故障定位方法

本发明属于电力系统领域，涉及一种基于高精度时钟同步的配电线路双端行波故障定位方法。

背景技术：

1、随着经济水平的不断提高，电力系统也在不断的发展，它是关乎一切居民生活工作的重要前提。随着电力系统规模的不断扩大，输电线路所承担的负载也越来越大，可能造成由雷击或人为导致的高压输电线路发生故障，若不及时找出故障点定位，极易造成安全隐患。因此，故障发生时，及时，准确的找出故障点对整个电力系统至关重要。

2、在单端行波测距中，因为需要判断行波第一次到达一端的时间和经过反射第二个行波时间差，且经过反射的行波有衰减，并不适应所有的故障情况，可靠性较差。而双端行波故障定位的精度几乎完全取决于行波到达母线两端的时间精度，1μs的时间误差就有将近150m的测距误差。现广泛使用的gps定位虽然精度不错，但是容易受到干扰和欺骗。此外，应用最为广泛的开源同步协议ptp也存在着一些问题，例如在同步过程中，偶尔会出现“尖峰”情况，即同步过程中出现的某个偏移量明显大于正常数据，并且网络拥堵时所造成的路径延迟和时间偏移都比较高，最终导致在一定程度上影响了测距精度，对测距结果造成了比较大的误差。

3、因此，提出一种基于gps+原子钟+增强ptp的时钟同步方法，既保证了时钟同步精度和测距精度又能不受外界的干扰。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是在针对现有的双端行波测距中存在的gps易受干扰等问题，提供一种高精度，防欺骗，防干扰的同步时钟，以此来提高双端行波测距的精度和稳定性。

2、为了实现上述的目的，本发明采用以下方案。

3、第一方面，本发明提供一种基于高精度时钟同步的双端行波故障定位的方法，包括以下步骤：

4、步骤一：搭建ptp时钟同步网络

5、1-1在架空线的其中任意一端的信号采集装置上安装主时钟源；该主时钟源包括gnss接收机，mac(微型原子钟)和fpga。所述架空线采用三相交流输电线路。

6、gnss接收机通过外置天线接收来自gps的卫星信号，并输出标准的脉冲信号，即pps，同时对pps信号在每秒上升沿时刻标记绝对时间戳tod。gnss接收机输出的pps信号是经过接收机内部进行消抖处理后的平稳信号。其中，pps是指pulse per second，即秒脉冲，表示一种每秒输出一次高逻辑电平的信号。

7、gps的pps信号和mac的pps信号共同输入到fpga中，fpga通过比较mac驱动的计数器和gps提供的pps来校准原子钟，并对信号进行同步处理、滤波、错误检查。

8、所述信号采集装置包括电压传感器、电流传感器；

9、1-2在架空线两端的信号采集装置上各安装一块支持硬件时间戳收发的网卡，两块网卡采用网络电缆直连。

10、1-3将主时钟源所在信号采集装置上的网卡视为主时钟，另一个信号采集装置上的网卡视为从时钟；然后将主时钟源输出的pps信号输入到主时钟，主时钟通过改进ptp(precise time protocol)协议同步从时钟。

11、所述主时钟通过改进ptp(precise time protocol)协议同步从时钟具体操作如下：

12、a)由于主时钟、从时钟两者的后台需要实时同步时钟，故需要各自维护一个相同的守护进程，所述守护进程通过现有开源ptp4l工具(linux环境下的开源ptp同步工具)来实现，并利用mmap函数将pps信号同步数据实时映射到内核空间，并使用指针操作读写内核空间的数据，以减少内存开销并实现实时监测主时钟、从时钟之间的pps信号同步数据；所述pps信号同步数据包括传输路径延迟，时间偏移，频率偏移；

13、b)获取pps信号上升沿phc实时时间tp，然后主时钟、从时钟两者的后台各自调用ioctl函数(ioctl是设备驱动程序中设备控制接口函数，这里指代网卡驱动程序)传入形参ptp_sys_offset_extended计算phc与信号采集装置系统自身时间的偏移量sys_offset_ns。

14、c)监测主时钟、从时钟本地振荡器频率，并计算相对频偏(ppb),从而通过pi控制将从时钟本地振荡器频率对齐到主时钟本地振荡器频率，得到对齐后的频率误差oscillator_error_ns。

15、

16、其中f1、f2分别表示主时钟、从时钟本地振荡器频率；

17、d)利用phc与信号采集装置系统自身时间的偏移量sys_offset_ns和频率误差oscillator_error_ns，计算不确定时间窗口tw：

18、tw＝sys_offset_ns+oscillator_error_ns

19、根据不确定时间窗口tw确定时间不确定窗口tphc：

20、tphc∈(tp-tw,tp+tw)

21、e)获取落在时间不确定窗口tphc内的pps信号上升沿的phc实时时间tp，然后根据开源ptp4l工具完成主时钟、从时钟同步。

22、步骤二：双端行波故障定位

23、2-1未发生故障前，架空线两端的信号采集装置通过改进ptp协议实时同步和修正时钟。假设架空线两端任意一点发生故障(如雷击)，将会产生正反方向的故障行波，两端的信号采集装置分别捕获到正反方向的故障行波。根据故障行波提取三相电压和三相电流。

24、2-2设故障时刻为t，将故障后t+ξ时刻的三相电压减去故障前t-ξ时刻的三相电压，得到三相电压暂态分量ut，且ut为矢量；

25、将故障后t+ξ时刻的三相电流减去故障前t-ξ时刻的三相电流，得到三相电流暂态分量it，且it为矢量。

26、2-3对电压暂态分量ut通过克拉克模量变换进行解耦操作，得到电压的线模α分量，线模β分量和零模分量。

27、

28、其中uα、uβ、u0分别表示电压的线模α分量，线模β分量和零模分量，uta、utb、utc分别表示a相，b相和c相的电压暂态分量。

29、对电流暂态分量it通过克拉克模量变换进行解耦操作，得到电流的线模α分量，线模β分量和零模分量。

30、

31、其中iα、iβ、i0分别表示电流的线模α分量，线模β分量和零模分量，ita、itb、itc分别表示a相，b相和c相的电流暂态分量。

32、2-4对电压或电流的线模α分量或线模β分量进行小波变换，得到电压或电流行波的最高频的分量，即电压或电流行波在架空线传输过程中的最大奇异点，最大奇异点所对应的时刻即为电压或电流行波第一次到达架空线两端的时刻。

33、2-5使用d型双端行波测距原理进行测距：

34、视电压或电流行波传输过程中的最大奇异点为故障点f，根据最大奇异点所对应的时刻得到故障初始行波到达架空线两端的绝对时间tm、tn，根据以下公式计算故障点f到达架空线两端的距离：

35、

36、

37、其中dmf表示故障点f到达架空线一端m的距离，dnf表示故障点f到达架空线一端n的距离，v表示故障行波的速度，l表示架空线的总长度。

38、第二方面，本发明提供一种实现上述方法的配电线路双端行波故障定位系统，包括:

39、ptp时钟同步模块，主时钟通过改进ptp协议实时同步和修正从时钟；

40、故障时刻获取模块，获取正反方向的故障行波，根据故障行波得到电压、电流行波的最高频分量，对应时刻即为电压、电流故障行波到达架空线两端的时刻；

41、测距模块，使用d型双端行波测距原理进行测距。

42、第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机中执行时，令计算机执行所述的方法。

43、第四方面，本发明提供一种计算设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述处理器执行所述可执行代码时，实现所述的方法。本发明的有益效果是：

44、本发明提出了在配电线路中使用gps+改进ptp协议+原子钟来进行双端行波故障定位测距，不仅解决了由于单gps测距所带来的易受干扰，欺骗所带来的测距不稳定性，同时由于phc的精度和ptp协议的可靠稳定性，进一步提高了双端行波故障定位测距的精度。

45、本发明提出了改进ptp协议，在ptp协议中引入时间不确定窗口，通过筛选pps信号上升沿phc实时时间，剔除偏离值较大时间，可实现即便由于通信延迟、网络拥塞或其他因素导致时间数据有所偏差，系统仍能够保持相对稳定的运行，提高了系统的容错性，进而提高了双端行波故障定位测距的精度，同时适用于配电线路的大规模分布式部署，增强了其扩展性。