基于暫態(tài)行波法的配電網(wǎng)故障定位裝置研究

　　摘要：針對我國配電網(wǎng)的現狀，設計了一種基于暫態(tài)行波法的故障定位裝置。通過(guò)FPGA進(jìn)行高速數據采集，準確捕獲暫態(tài)故障行波信號以保證裝置的定位精度，通過(guò)MCU控制故障信息的遠傳， MCU+FPGA的結構解決了高速數據采集與低速任務(wù)處理之間的矛盾;GPS精確授時(shí)保證了各監測點(diǎn)采樣的同步;采用雙存儲器，保證了故障數據無(wú)死區記錄，提高了裝置的可靠性。

　　關(guān)鍵詞：行波;故障定位;高速數據采集;GPRS;GPS

　　引言

　　我國配電網(wǎng)由于早期投資不足，設備老化和技術(shù)性能低劣，故障頻發(fā)，往往一點(diǎn)故障引發(fā)全線(xiàn)甚至大面積停電，因此必須盡快找到故障線(xiàn)路，排除故障。然而與輸電網(wǎng)相比，配電網(wǎng)結構復雜，分支點(diǎn)多，特別是10kV配電網(wǎng)，故障排查極其困難。配電網(wǎng)故障的準確及時(shí)定位是電力部門(mén)急需解決的一個(gè)難題。本文采用暫態(tài)行波定位方法，介紹了一種配網(wǎng)故障定位裝置，并給出了其軟硬件設計。

　　行波故障定位簡(jiǎn)介

　　所謂行波，是指沿線(xiàn)路傳播的電壓、電流波，分為穩態(tài)行波和暫態(tài)行波。暫態(tài)行波只在故障時(shí)產(chǎn)生，不可重復，并且在系統達到穩態(tài)時(shí)衰減為零，具有易逝性。若線(xiàn)路某一點(diǎn)發(fā)生故障，則會(huì )在該點(diǎn)產(chǎn)生暫態(tài)行波以接近光速的速度向線(xiàn)路兩端傳播，并在波阻抗不連續的地方發(fā)生反射和折射。由于實(shí)際線(xiàn)路損耗的存在，行波在傳輸過(guò)程中會(huì )發(fā)生衰減、畸變，出現失真現象，再加上反射波、折射波的疊加，都給行波的獲取帶來(lái)困難，但是初始行波到達時(shí)的幅值最大，波頭變化率也最大，此時(shí)最容易進(jìn)行捕捉。因此，本文通過(guò)記錄故障產(chǎn)生的初始波到達測量點(diǎn)的GPS 同步時(shí)鐘精確時(shí)間值，由離故障點(diǎn)最近的兩個(gè)測量點(diǎn)測得的GPS時(shí)間差計算故障點(diǎn)精確位置，可以不受故障點(diǎn)透射波的影響。

　　系統結構

　　整個(gè)系統由安裝在測量點(diǎn)的若干故障定位裝置、通信鏈路和中心端三部分構成，如圖1所示。本文主要介紹故障定位裝置的設計。定位裝置通過(guò)感應式的電壓傳感器采集行波信號，監測到故障后，在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )和互聯(lián)網(wǎng)的基礎上，通過(guò)GPRS DTU將故障信息傳到中心端，中心端根據至少兩個(gè)測量點(diǎn)上傳的數據和時(shí)間信息，利用小波分析理論，將故障初始行波浪涌在較低尺度(較高頻帶)下第1個(gè)小波模極大值點(diǎn)所對應的時(shí)刻作為行波波頭到達時(shí)刻，即故障發(fā)生的時(shí)間，利用各測量點(diǎn)檢測到故障的時(shí)間差計算故障點(diǎn)離各測量點(diǎn)的距離，從而確定故障點(diǎn)的位置，及時(shí)調度人員排除故障。

　　故障定位裝置的硬件電路設計

　　故障定位裝置主要由外圍的電壓傳感器、GPS授時(shí)模塊、GPRS DTU傳輸模塊以及信號調理電路、ADC、FPGA、SRAM數據存儲器和MCU構成，如圖2 所示。

　　其中，FPGA和MCU是整個(gè)電路的核心。FPGA負責數據的高速采集，它控制ADC實(shí)時(shí)采集數據，并判斷是否發(fā)生故障，若沒(méi)有故障發(fā)生，將數據存入SRAM即可;否則，需鎖定GPS模塊的時(shí)標，及時(shí)通知MCU將記錄下的故障波形和時(shí)標信息取走;MCU負責在發(fā)生故障時(shí)從FPGA獲取故障相關(guān)信息，并通過(guò)GPRS DTU將數據上傳到監控中心，完成數據的遠程通信任務(wù)。這種MCU+FPGA的結構，充分利用了可編程邏輯器件并行、高速的特點(diǎn)和MCU在任務(wù)處理方面的優(yōu)勢，既保證了數據采樣的速度，又解決了與低速任務(wù)處理之間的矛盾。下面對各部分電路以及所采用的元器件進(jìn)行介紹。

　　電壓傳感器

　　由于10kV線(xiàn)路中的高壓信號不能直接進(jìn)入定位裝置，需先進(jìn)行轉換，以往裝置多通過(guò)電壓互感器、電流互感器將信號變換成檢測裝置可用的低電壓小電流信號，成本極高，本裝置通過(guò)專(zhuān)利技術(shù)的感應式電壓傳感器獲取信號，可大大降低成本。電壓傳感器安裝于高壓線(xiàn)路或變壓器的高壓絕緣瓷柱的傘形瓷盤(pán)下面，金屬質(zhì)地的采集端子靠緊瓷柱，與高壓線(xiàn)之間形成一分布電容，高電壓信號經(jīng)這個(gè)分布電容耦合到采集端子，變?yōu)?~10V左右的電壓，這幾伏電壓的高低，真實(shí)反映了高電壓的變化。2~10V電壓再經(jīng)放大器進(jìn)行電流放大，作為采樣電壓輸出。