基于GPS的双端行波法输电线路故障定位研究

基于GPS的双端行波法输电线路故障定位研究

苏燕芬

(中国南方电网超高压输电公司柳州局广西柳州545006)

摘要：输电线路发生了故障后，故障点会产生脉冲信号，并向两侧传播运动的行波。基于GPS记录两侧行波波头到达的时间，可实现输电线路的精确故障测距。本文首先介绍了输电线路双端行波法定位原理，提出了提取行波波头的小波分析方法，接着设计了具有高精度的GPS同步时钟设计方案，最后将该方法用于模拟试验研究，结果表明该技术具有很高的定位准确度。

关键字：输电线路;故障;行波法;GPS

输电线路作为电力传输的纽带，是各电力系统之间的联络线，也是整个电力系统安全和稳定运行的基础，而架空输电线路又是电力系统中发生故障较多的地方。输电线路上发生故障后，会对整个电力系统的安全生产造成严重危害。我国疆域广阔，一旦输电线路上发生故障，对于确定故障发生的位置是非常艰难的，对于夜晚和恶劣天气情况下的故障就更加困难。

本文提出了基于GPS的双端行波法输电线路故障定位方法，首先介绍了输电线路双端行波法定位原理，提出了提取行波波头的小波分析方法，接着设计了具有高精度的GPS同步时钟设计方案，最后将该方法用于模拟试验研究，结果表明该技术具有很高的定位准确度。

1输电线路双端行波法定位原理

输电线路双端行波法定位原理是根据线路故障时在故障点产生的初始行波波头传播到线路两端的时间差和波速实现故障定位的。

图1行波定位原理

在F点发生故障，产生行波向M、N传播。初始行波波头到达检测点M的时刻为t1，初始行波波头到达检测点N的时刻为t2。设整个线路长为l，波速为ν，则F点到M点的距离为：

2小波分析方法提取行波波头

暂态行波信号和噪声在小波变换下有不同的表现，行波信号的模极大值随尺度增大而增大，噪声信号的模极大值随尺度增大而减小，据此可以提取有用的行波信号，并根据波头计算时间差。国内外普遍采用adhoc算法来实现：

①对故障信号进行小波变换；

②求取模极大值点，将非模极大值点置零；

③在最大尺度J上查找大于门槛值x0的模极大值点；

④在尺度J-1上查找大于门槛值εj-1，且对应于尺度J上的模极大值点的传播点。设尺度J上x0点，在尺度J-1上x0点的领域内找到符号相同的点，如果幅值最大的点大于其他点的1.2倍，则该点为x0在尺度J-1上的传播点，如果不存在则选取靠近x0且符号相同的点为传播点。

小波算法用于双端行波故障定位的具体算法为：

①对故障信号进行相模变换。

②取相模变换的线模分量做二进小波变换并用adhoc算法求取行波到达点。

③求取时间差。

④利用式（1）求取故障距离。

3GPS同步时钟设计方案

由于传播到线路两端的行波信号会发生衰减和畸变，且衰减和畸变的程度不一样，以及行波传播到线路两端的时间不同，采样触发时间就会不同步，导致两端数据采样的不同步。这会给双端行波定位带来较大的误差。目前，大多采用GPS设计同步时钟解决这一问题。

目前，基于GPS的同步时钟设计方法一般有两种。一是利用高精度晶振构成的振荡器经分频产生满足采样率的时钟，这个时钟信号由GPS秒脉冲每秒同步一次，保证输出的时钟与GPS时间同步。用同步后的时钟脉冲作为异地采样的采样时钟，实现同步采样，同时还可以记录下采集数据的时间。二是，异地采样仍按非同步采样，通过GPS记录下每个采样数据的时间，然后求取非同步的误差加以校正，使两端数据在一个统一的时间基准下，实现同步。本方案设计的同步时钟是在第二种方法的基础上设计的。

这种方法用计数器对高精度晶振产生的高频脉冲信号进行计数，当GPS秒脉冲上升沿到达时对计数器清零并重新计数，实现对秒脉冲内时间计时。当启动信号到达时，停止计数，并读取计数器的值作为行波到达时刻。用于故障定位的同步时钟是为求取因采样不同步而引起的时间上的误差，以便在进行定位计算时消除这个误差。因此，可不必关心启动信号的具体时刻，只需求取线路两端启动信号之间的时间差即可计算出由采样不同步而引起的时间上的误差，进而将两端数据调整到统一的时间基准下，这种方法避免了对GPS时间报文的读取工作。

4模拟故障定位试验研究

输电线路模拟故障定位试验原理如图2所示，限于实验室的条件，实验用输电线路采用一段信号电缆代替，实验采用5V直流电源对信号电缆进行充电，待充电完成后在模拟故障点处对电缆进行接地操作，模拟接地故障，会产生到达线路两端的高频暂态行波，采用示波器对到达电缆两端的行波信号进行同步采集。

图2故障定位模拟实验图

如图2的试验中，MN为实验用信号电缆，电缆型号为SYV同轴电缆，波阻抗为50Ω，长度为99.3m，F点为模拟故障点，F点距M点的距离为30m，直流电源为5V，充电电阻为20kΩ。F点处开关为接地用开关，对简单网络结构下的数据用小波分析法进行定位分析，小波分析的结果为30.36m，绝对误差为0.36m，相对误差为1.2%，可以满足工程要求。

5结语

随着现代电力系统的日益复杂，输电线路电压等级和输电容量逐步提高，输电距离日益增长，对输电线路进行准确定位，及时消除故障对保障电力系统的稳定运行具有重要的意义。本文提出了基于GPS的双端行波法输电线路故障定位方法，首先介绍了输电线路双端行波法定位原理，提出了提取行波波头的小波分析方法，接着设计了具有高精度的GPS同步时钟设计方案，最后将该方法用于模拟试验研究，结果表明该技术具有较高的定位准确度，可以满足工程实际需求。

参考文献:

[1]杨专.基于双端行波法的高压输电线路故障定位系统的研究[D].河南理工大学,2011.

[2]苏进喜,罗承沐,解子凤,等.基于GPS双端同步采样的输电线路故障定位的研究[J].清华大学学报(自然科学版),1999,39(9):47-50.

[3]蔡志慧.利用全球定位系统GPS进行输电线路行波故障测距的研究[D].河海大学,1997.