特高压输电线路分布式故障诊断系统研制及其关键技术

特高压输电线路分布式故障诊断系统研制及其关键技术

艾士辉

国网内蒙古东部电力有限公司内蒙古超特高压分公司锡林郭勒盟输电工区，内蒙古锡林浩特市 026000

摘要：近年来随着我国电网的快速发展，特高压输电线路投运的范围及规模不断扩大，涉及的电压等级日益增高，涉及的区域包括高铁、河流、山区等多个位置。线路运行中难免存在故障问题，针对其故障的性质定位和诊断需要借助可靠的系统来有效提高电力系统运营的经济性和安全性。常规安装与变电站的行波测距装置能够针对存在的故障点进行监测，但实际应用中由于不同地势和环境的影响，高阻故障等行波信号的提取和故障点反射波的识别，容易受到雷电的干扰，影响定位的准确性和时效性。

关键词：特高压输电线路；分布式故障诊断；关键技术

导言：

分布式线路故障诊断系统作为特高压输电线路故障位置定位服务的关键产品，对电力系统的安全、可靠与经济运行具有重要意义。结合实际系统的研制与应用，提出了一种基于分布式安装的线路监测终端、监测运维中心站和移动终端应用服务于一体的新型故障诊断服务系统。

1 分布式故障诊断系统技术方法

该技术主要采用1000kV特高压输电线路上安装多组分布式故障诊断装置的技术手段，可以对故障电流与行波电流进行有效的实时监测。当雷击、风偏线路故障发生时能够快速确定故障点，加强运行维护效率。在分布式故障诊断系统中对行波波形的分析也能够有效预判故常产生的类型，并及时解决故障。下面对分布式故障诊断系统的构成与工作原理做详细介绍。

1.1 分布式故障诊断系统构成

该系统主要由三部分构成，分别为检测终端，主要安装在输电线路的各段输电线路上，主要用以监控运行参数与故障信号。第二部分为数据的收集中心，可实时采集数据并进行分析。第三部分为客户端，主要实现数据应用端的实时查询功能。其中第一部分检测终端是该系统中最为重要的一环它主要实现数据的采集、预处理、以及通过数据的报错实现系统自我恢复。

1.2 故障定位

在分布式故障诊断系统中，多组故障诊断装置将输电线路分为若干段区域。当故障发生后可以通过故障电流判断故障所在区间并进行波形定位。分布式故障诊断系统采用单端、双端、分闸等多种行波定位方式，通过相互验证故障点，提高了故障定位精度。

1.3 输电线路故障类型判断

通常情况下，不同的线路故障起因结合波形的特征，可将故障分为两种类型：雷击、非雷击故障。通过对线路故障波形的分析得出，当发生雷击故障时，故障线路的行波电流表现为两部分，其中一部分在发生雷击故障后雷电流直接进入输电线路，另一部分则通过输电杆塔间接传输进入输电线路。雷电流半峰值通常时间为50μs但在实际故障中实际检测的雷击电流的半峰值一般为20μs左右，这是由于雷击传入输电杆塔连接地面，地面的反射波极性与雷电相反，波形的重叠使雷电流半峰值快速减弱并加速缩短了尾波。

当发生山火、异物、泥石流等非雷击输电线路故障时，通常情况下输电线路的行波电流峰值随时间进行缓慢衰减且其尾波长于雷击故障。测量发现其行波半峰值通常大于20μs，其主要原因为流经输电线路的行波电流为当时段工频电压所产生的阶跃响应，故其峰值衰减时间较长。通过以上方法可对雷击与非雷击输电线路故障进行准确判断。

2 线路监测终端设备关键技术

2.1 供能及其管理技术

常规输电线路监测终端的取能方式主要有太阳能供电、电流互感器取能、地线取能等，但普遍存在着易受环境影响、感应取能电流工作范围窄、抗高压尖脉冲能力不强、供电系统整体可靠性偏低等不足。

为提升电源供能系统的环境适应性和可靠性，本文所述终端设备的供能系统采用取能转换模块与双温后备电池模块相协作的新方法，供能系统组成如图1所示。

图1诊断终端设备供能系统框图

主要采用了以下三种关键技术。

1)宽幅互感器取能技术：取能互感器输出侧采用宽范围的反激变换器，拓宽了取能电流工作范围，增强了抗电流冲击能力，提高了取能效率。

2)双温后备电池互补技术：后备电池系统采用高温电池和低温电池相组合，供电管理系统根据外部环境温度变化自主选择电池进行储能或者供电，大幅提高了电池使用寿命和后备供电的可靠性。

3)电源管理技术：诊断终端设备中通过对双温后备电池管理、电源状态监测等功能，实现了对整个供能系统的取能监测与管理。

2.2 高速采样同步技术

分布式故障定位的关键在于行波信号的有效提取以及行波波头起始时刻的准确判断。由于输电线路上电流变化范围较大，需选用相应的具有较高频率电流传感能力和快速暂态响应的传感器，以避免行波信号的失真。罗氏线圈的微分特性对输电线路故障电流的突变有很好的响应能力，因此本文采用了两套完全独立的罗氏线圈及相应的电流数据采集电路来实现，其原理框图如图2所示。SoC处理单元中的FPGA协处理器同时控制两路高速ADC芯片以10 MHz的速率进行故障电流数据的采集。同时充分利用FPGA的高性能数字锁相环及时钟电路处理能力，实现对GPS/北斗信号的对时和守时功能，提供精确到纳秒(ns)级的故障硬件时戳。

由于行波电流频率一般较高，ADC采样单元设计采样率达到10 Mbps，因此在进行高速同步采样时，本文将行波电流启动判别逻辑放在SoC处理单元中的FPGA模块来实现，在逻辑单元中缓存故障前后录波原始数据，再通过SoC处理单元内部的高速通道上送至RAM中后交由ARM处理内核进行处理。

图2同步采样原理框图

此外，为了降低系统整体电源功耗，在设计实现上本文采取了休眠和唤醒两种工作模式，除定时上送基本工况信息外，当终端装置未检测到行波电流时，系统工作在休眠模式下，此时系统通信单元的工作电源开关关闭。

2.3 时间同步及坐标定位技术

由于行波双端测距定位的精准度受测量终端的对时同步及守时性能影响较大，而对时及守时精度常受GPS/北斗授时模块自身晶元偏差的影响，此外由于高性能恒温晶振的功耗、体积和寿命等原因一般不宜在此场合直接采用，因此本文结合温补晶振短时间内稳定性好、双模授时模块1PPS没有频率偏移和累积误差的特点，提出了一种基于温补晶振频率校准的改进对时守时算法。其主要的方法是，首先采用改进滑动平均滤波对授时模块输出1PPS进行预处理，抑制授时模块抖动；之后将预处理的授时模块1PPS和温补晶振进行比较，对两者间的相位差进行Kalman滤波，同时，结合晶振温变曲线的特性将滤波迭代获得的当前时刻相位差进行校准，从而输出本地1PPS用于运行过程中的实时同步。经分析和实测，本文所述的双端终端设备之间的对时偏差小于100 ns。

由于双模授时模块提供的地理信息亦受相对论效应、电离层延迟、对流层延迟、地球自转、卫星通道延迟误差等因素影响，为提高单点终端的定位精度，本文通过用偏微分和数值导数这两种方法进行以大地坐标、高斯坐标为参数的单点定位解算，验证了数值导数方法的可靠性，该方法可效提升单点终端的经纬度地理坐标定位精度。

3 结束语

综上所述，特高压输电线路故障位置定位运用分布式线路故障诊断系统，通过时间同步坐标定位、数据处理以及实时监控对特高压输电线路进行实时管控，起到监测和查询的功能。随着智能化和移动设备的不断更新，分布式故障诊断系统能够有效借助信息系统进行线路的实时监测和管理，促进线路的稳定运行。

参考文献：

1. 圣文顺,徐爱萍,涂洁,谈勋.基于模糊层次法的分布式故障诊断系统安全评估[J/OL].信阳师范学院学报(自然科学版):1-5[2020-07-15]

[2]姚磊,于立叁,施翔,等.分布式智能故障诊断系统在架空输电线路上的应用研究[J].电气应用,2015(增刊2):452-456.