【文章內容簡介】 示波器來測量暫態(tài)行波的到達時刻和傳播時間，現在的行波故障定位則利用各種數字信號處理算法來測量暫態(tài)行波的到達時刻和傳播時間。迄今為止，行波故障定位可分為A、B、C 、D 、E和F型，共6種原理，其中A 、C型為單端原理，而B、D 型為雙端原理。現分別簡介如下：(1) A型原理在線路一端測量點感受到故障初始行波浪涌時啟動一電子計數器，而當該行波浪涌在故障點的反射波返回測量點時停止計數，由此可以得到行波在測量點與故障點之間往返一次的傳播時間，對應于測量點到故障點距離的2倍。這種原理的主要缺點是不能區(qū)分來自故障點的反射波和系統(tǒng)中其它波阻抗不連續(xù)點的反射波，因而可靠性較差。圖 A 型行波測距原理示意圖基于A型的測距算法即利用單端數據算法目前主要有以下三種：算法一：利用故障點行波的反射渡進行測距。該方法利用在檢測點檢測到的兩個相鄰線模波頭之間的時間差進行故障定位。如圖2所示簡單系統(tǒng)，在f點發(fā)生故障后，暫態(tài)行波分別向M,N運動，到達M,N后，暫態(tài)行波將發(fā)生反射，反射波經故障點再到M,N，所以在M,N點將檢測到2個波頭，設在M點測到 2個波頭之間的時間差為△t 1速度v1，由此可以M點到故障點之間的距離。 （21）21tvx??但是，在這種方法中，在單相接地故障的情況下，行波的第2個波頭很難測到，原因是線路上的電阻使行波衰減，第2個波頭在故障點和檢測點之間來回2趟，衰減更厲害。算法二：電力系統(tǒng)故障(接地故障)后，線模和零模將以不同的速度向檢測點傳播，而理論分析證明，線模波速和零模波速可以用線路的正序參數和零序參數計算所以，只要準確找出到達檢測點的線模和零模波頭之間的時間差就可以算出故障位置。仍以圖21為例，設v 1為線模速度，v 2為零模速度，線模分量到達M 點的時刻為t M1，到達N點的時刻為零模分量t N1，到達M 點的時刻為t M2，到達N 點的時刻為t N2，故障時刻為t 。則在M 點對于線模分量有： （22）??tvxM??1在M點對于零模分量有： （23）t20其中：f和x是未知量，消去t得： （24）??0112vtxM??此算法利用第一次到達檢測端的零模分量計算，波頭衰減少，易于檢測，結果誤差小。算法三：t 1為故障初始行波到達M端的時刻，t 2為故障點反射波到達M 端的時間，t 3為對端母線反射波到達M端的時刻，t 0為故障發(fā)生的絕對時刻，考慮聯立方程： （25）??xtv??1 （26）302 （27）??xltv3式中：v,t 0,x是未知參數，可聯立求解得到： （28）210tt?? （29）??213ttx?這種算法可以消除波速的影響，理論上計算精度高，但存在各波頭到達時間準確檢測問題。(2) B型原理在線路一端(收信端) 測量點感受到故障初始行波浪涌時啟動一電子計數器，而線路另一端( 發(fā)信端 )測量點感受到故障初始行波浪涌時啟動一發(fā)信機并向收信端發(fā)信。當收信端測量點的收信機接收到來自發(fā)信端的信號時即停止計數，從而在本端可以獲得行波在故障點與發(fā)信端測量點之間往返一次的傳播時間，對應于故障點到發(fā)信端距離的2倍。B 型法最大的優(yōu)點是不受來自系統(tǒng)中波阻抗不連續(xù)點反射波的影響，但它需要實時通道，因而其可靠性和測距精度直接受通道的影響。圖 B 型行波測距原理示意圖基于B 型原理的測距算法主要有以下兩種：算法一：在線路發(fā)生故障后，不管線路的結構、衰減及畸變如何，到達母線處的第一個行波波頭都是最強烈和最明顯的，因此很容易準確定位。仍以圖2為例，在N 點對于線模分量有： （210）??tvxM??1 （211）lN可得： （212）??2211ltvxNM???算法二：利用波速的測距算法的基礎是線模波速受各種因素的影響很小，或者說線模波速的波動在工程誤差的范圍之內。研究認為：無論哪種模波，在線路上傳播的速度是不確定的，各模量的波速度受氣候和線路的運行條件影響很大口1。基于此，提出了消去波速的測距算法,設 , , .fRl。由雙端測距公1NMtA??2NMtB12MtC??式得： （213）1vxl （214）0lB?? （215）10vxlC??得測距公式： （216）BAlx2???這種方法的優(yōu)點是完全消除了波速變化對測距的影響，但是仍然使用了零模的第1個波頭，仍然存在零模衰減的問題，而且也需要雙端數據交換通道和同步對時設備。(3) C型原理在線路故障時將一高壓高頻脈沖或高壓直流脈沖注入到故障線路一端的測量點，進而利用電子計數器測量該信號在測量點與故障點之間往返一次的傳播時間，對應于測量點到故障點距離的2倍。C型原理與雷達的工作原理類似，故又稱為脈沖雷達法。我國學者在20世紀70年代對C型原理進行了深入研究，并研制出相應的故障探測裝置。這種原理存在的主要問題是受故障本身產生暫態(tài)行波以及線路上其它各種干擾的影響，而且還需要價格昂貴的高壓脈沖信號發(fā)生器。圖 C 型行波測距原理示意圖（4）D 型原理通過載波同步方式實現兩端測距裝置的同步計時，并在此基礎上測量故障初始行波浪涌由故障點到達故障線路兩端測量點的絕對時刻，二者之間的差值可以用來計算故障點到線路兩端測量點的距離。與B型原理一樣，D 型原理最大的優(yōu)點是不受來自系統(tǒng)中波阻抗不連續(xù)點反射波的影響，但它需要建立時鐘同步機制，因而其可靠性和測距精度直接受時鐘同步方式的影響。另外，D型原理還需要通道，以實現兩端故障信息(即故障觸發(fā)時刻) 的交換。圖 D 型行波測距原理示意圖(5) E 型原理利用故障線路重合閘暫態(tài)行波的單端測距原理。對于永久性故障，E型行波故障測距原理可以分為標準模式、擴展模式擴展模式2和綜合模式等4種運行模式，各測距模式與F型行波故障測距原理中相應測距模式具有類似的工作原理。：圖 E 型行波測距原理示意圖(6) F 型原理利用故障線路分閘暫態(tài)行波的單端測距原理。根據所檢測反射波性質的不同，可以將其分為4種運行模式，即標準模式、擴展模式l 、擴展模式2和綜合模式。在標準模式和擴展模式1下需要檢測故障點反射波，在擴展模式2下需要檢測對端斷路器主觸頭反射波，而在綜合模式下則需要檢測繼第1個正向行波浪涌之后最先到來的反向行波浪涌。圖 F 型行波測距原理示意圈 GPS 時鐘的研究分析GPS(GlobalPositioning System)美國國防部發(fā)射,有 24 顆環(huán)繞地球的衛(wèi)星系統(tǒng)。向全球發(fā)射標準授時信號,只要有接受裝置就可以。目前電力市場上所采用的 GPS 時鐘設備品種較多,大同小異,通過搜索鎖定 46 顆衛(wèi)星,計算出精格林威治時間,并發(fā)出校時信號。GPS 時鐘組成一括天線、 GPS 接收器、守時鐘等部件。當前采用較多地對時方式有無線電廣播、電視 TV 鐘、天文臺無線電對時系統(tǒng)、OMEGA 時鐘系統(tǒng),每種方式雖各有優(yōu)劣,但對時精度、覆蓋范圍及可靠性方面均不能與 GPS 相比,因此 GPS 時鐘作為時間標準在我國電網已取得了廣泛的應用,因此電力系統(tǒng)內推薦選用 GPS 對時設備。 同步時鐘的簡介目前,基于微機型的故障錄波裝置、事件記錄裝置、安全自動裝置、遠動裝置等在電網中已經得到了越來越多的運用。對于時鐘的同步也提出了嚴格的要求,希望能夠達到 1 ms 甚至 μs 級的精度。GPS 系統(tǒng)的出現正好滿足了這一要求。GPS 接收器能夠送出非常精確的時間信息,但該信息是固定不變的。它必須經過轉換后才能滿足系統(tǒng)內已經使用或將要使用的各種裝置對同步源的要求。各個制造廠商以及用戶對同步的要求是各不相同的,有些使用不同幅值、不同頻率、不同時延的脈沖同步方式,而有些使用標準的串行編碼方式,比如 MSF 格式或 IRIGB 格式,用戶大多喜歡使用當地時鐘格式(比如北京時間)而不喜歡使用 UTC 時鐘格式。于是就必然地出現了一種規(guī)約轉換器。將GPS 接收器送出的固定信息轉換成各種不同的格式輸出,以滿足各種裝置及用戶的要求。該規(guī)約轉換器就俗稱為 GPS 同步時鐘,其原理框圖如圖 所示。(1)GPS 信號接收器:用于接收 GPS 衛(wèi)星信號,輸出時間精度為 1μs 的 1PPS 脈沖,并經 RS232 口輸出 UTC 標準時間、日期及接收器所處位置等信息,接收器天線裝在 1 個直經約 3cm、高約 8 cm 的塑料圓棒內,天線一般應安裝在房頂上,以便有開闊的視野。(2)脈沖電路: 輸出秒(1 PPS)、分(1 PPM)、時(1 PPH)同步脈沖信號輸出格式可以是電平輸 基于株洲電網故障定位的網絡設計及仿真分析出或靜態(tài)空接點輸出。(3)中央處理單元:將來自 GPS 的 UTC 標準時間信息換算成當地時間,送液晶顯示器顯示,并按照一定的格式經串行口輸出。(4)RS232/485 接口: 輸出每秒一次的當地時間、日期等信息、波特率可選。(5)MSF、IRIGB、BCD 接口:按照各自的標準格式輸出時間、日期碼。圖 GPS 同步時鐘的原理框圖 GPS 衛(wèi)星同步時鐘的應用1 標準的時鐘同步源利用同 1 個信號對電網內的所有時鐘進行實時或定期同步對時,可以達到統(tǒng)一時鐘的目的。目前大致有 3 種對時方式:(1)電網中心調度所通過通訊通道同步系統(tǒng)中各時鐘。(2)利用廣播電臺、電視臺、天文臺的無線報時信號。(3)利用 GPS 全球定位系統(tǒng)的時鐘信號。第一種同步方式是目前遠動系統(tǒng)普遍采用的方式,該同步方式需要占用通道時間。由于信號通過通道傳送到不同廠,站的延時不相同,所以只能保證時間的誤差在 ms 級以上的水平,并且對通道的要求高。第二種同步方式受氣候影響比較大,與廠、站所在地理位置也有很大關系,并且容易受到電磁波的干擾,丟失信號。第三種同步方式是目前最理想的同步方式,即 GPS 時鐘同步方式。GPS 系統(tǒng)每秒發(fā)送一次信號,其時間精度在 1μs 以內,在全球任何位置均能可靠接收到信號 ,是理想的同步時鐘源。GPS 衛(wèi)星同步時鐘有多種接口輸出方式,如脈沖同步方式、串行口同步方式、編碼同步方式等,完全可以滿足各類裝置的同步要求。目前在華東電網中,已對微機型故障錄波器(HATHWAY 公司的 DFR16/3ABB 公司的 INDACTIC650、METHA 公司的THRANSCAN),微機型線路保護裝置(LFP900 系列、WXB11 系列)等設備進行了同步對時,運行情況良好。2 相位測量為了保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,需要控制系統(tǒng)中關鍵點位間的電壓相位差。在系統(tǒng)的時鐘統(tǒng)一后,就可以做到輸入信號的采樣脈沖同步,通過軟件方法就可以很容易地測出各電站間電壓的相位關系。要保證相位測量的準確性,采樣脈沖的同步誤差就要求非常小,必須嚴格控制在幾個μs 之內。對 50 Hz 系統(tǒng)來說 1 度對應于 55μs。而利用廣播電臺或類似手段的對時方式顯然是不適合的,它們的對時誤差是毫秒級的,而 1 ms 對于 50Hz 系統(tǒng)來說就是 18 度的相位差,是絕對不能接受的。唯有 GPS 衛(wèi)星時鐘才能滿足這一要求,利用 GPS 衛(wèi)星時種的 1 PPS 脈沖同步方式 ,可以使整個系統(tǒng)的采樣脈沖時間誤差保持在幾個 μs 以內,對應的相角測量誤差也就不大于 度,完全滿足了系統(tǒng)的要求。3 故障測距GPS 衛(wèi)星時鐘的出現,給研制雙端行波測距原理的裝置創(chuàng)造了有利條件。線路故障后,正常的負荷電流躍變?yōu)槎搪冯娏鳌Ｓ纱水a生由故障點向線路兩端運動的電流行波浪涌,假設線路全長為 L,行波的傳播速度為 V,故障后在線路兩端 M、N 接收到故障初始行波浪涌的時間分別為 Tm、Tn。線路兩側通過通訊網絡交換信息后 ,就可以計算出故障點到 M、N 兩端的距離分別為: （217）??22VTLXnmm???? （218）n行波測距原理的關鍵是準確地記錄下故障初始行波到達線路兩端的時間,誤差應嚴格控制在幾個 μs 以內。因為對架空線而言,1 個 μ s 的時間誤差對應于約 150 m 的測距誤差。對電力電纜而言,1 個 ms 的時間誤差對應于約 70~100 m 的測距誤差。利用GPS 衛(wèi)星時鐘的 1 PPS 秒脈沖與串行口時間信息 ,就可以很容易地滿足誤差要求。基于該原理的行波測距裝置已在株洲電網中試運行。3 基于株洲電網行波故障網絡設計 株洲電網 220Kv 電力系統(tǒng)分析 株洲電網故障行波定位網絡設計現對基于行波的電網故障定位系統(tǒng)的湖南株洲電網系統(tǒng)的結構進行分析，其要求能夠對全地區(qū)的 220Kv 電網進行故障定位。電網結構概況如圖 所示：圖 株洲地區(qū) 2