基本信息
- 项目名称：
- 广域电网故障行波定位系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品设计了广域电网故障行波定位系统，包括：安装在变电站的行波传感器和行波采样单元、安装在电网调度室的故障定位主机及连接行波采样单元和故障定位主机的故障定位计算机网络。该作品已在株洲电网和常德电网上投入运行，故障定位误差小于150米，大大减少了停电时间。在2008年冰灾中株洲电网故障50多次，该系统准确找出故障位置，减少故障巡线时间400多小时，多输送电能8000万度，带来巨大的经济效益；并已申请专利3项。 该作品的主要特点有： 1、国内外首次采用专用行波传感器提取故障行波波头，造价低，安装简单； 2、国内首次采用电压行波进行故障定位，每个变电站仅需一套故障定位装置，便可实现整个电网的故障定位； 3、提高故障定位的可靠性； 4、故障定位容错能力强、精度高，国内外首次在行波定位装置中实现了GPS时钟的实时监测和修正，在GPS时钟信号短时中断或少数变电站行波检测失败条件下，仍可进行精确定位，误差小于150米。
- 详细介绍：
- 本作品开发了广域电网故障行波定位技术，实现了基于网络的电网故障行波定位方法。当电网中某一条线路发生故障时，故障行波以速度v从故障点向整个电网中传播，记录电网中变电站的初始行波到达时间，将远端变电站记录的初始行波到达时间折算为故障线路出口侧变电站的初始行波到达时间，并剃除无效初始行波到达时间，最后利用时间和波速实现行波定位。 本作品发明了一种电网故障暂态行波信号检测方法，研制了一种电网故障行波定位装置，完成实验检测，在常德电网和株洲电网运行，并由湖南湘能许继高科技股份有限公司生产，在全国推广应用。 1．电网故障暂态行波信号检测方法 故障行波波头的检测是电网故障定位系统的关键。为了在不改变一次接线的前提下测量暂态电流、电压信号，本课题组研制了专门的穿芯式行波传感器。穿芯式行波传感器是在一根截面均匀的环形铁钴镍合金材料上均匀密绕若干层线圈而成。 穿芯式行波传感器能抑制工频信号，只传输10KHz以上的高频突变信号；且与一次设备无直接的电位联系，安装时不在变电站运行设备上串接任何电感、电容或其组合的采样元器件，对电力系统不会产生任何影响。 为实现对整个变电站高、中、低压所有出线故障暂态行波信号的检测，把穿芯式行波传感器设计成由两个半圆组成的开口式结构。利用开口式专用行波传感器从变压器外壳接地线中提取暂态行波信号，该方法对暂态行波反映灵敏、结构简单、安装方便，运行可靠，可以为行波保护和定位提供准确的暂态行波到达时间。其具体方法是： 1）在变电站变压器外壳接地线上安装开口式专用行波传感器； 2）利用开口式专用行波传感器检测电网暂态信号； 3）根据暂态信号的上升时间和幅值大小判断电网故障暂态行波信号，并记录行波信号到达的精确时间和极性。 该方法不改变电力系统的一次接线，开口式行波传感器可实现变压器高、中、低压所有出线暂态行波信号的检测，而且对暂态行波反映灵敏、安装方便、简单、适应性广。 该方案由开口式专用行波传感器、高频屏蔽电缆、行波波头检测单元、行波时间记录单元等组成。套接在变压器的外壳接地线上的开口式专用行波传感器把行波波头准确、无延时地变换成幅值在2V~12V之间、频率在100kHZ~2MHZ之间的高频暂态行波信号，并从二次侧经高频屏蔽电缆送至行波波头检测单元的输入端；行波波头检测单元对输入信号进行突变信号检测，以输入信号的变化率、上升或下降时间和波头的幅值进行行波波头辨识，当行波信号的变化率电平大于0.3V、上升或下降时间小于10μs、行波波头的幅值大于2V时，行波波头检测单元通过电路处理产生幅值为5V、持续时间宽度为5μs的方波信号，并通过高速光电隔离后送至行波时间记录单元；行波时间记录单元采用现场可编程门阵列FPGA实现，将输入的方波信号进行滤波处理后，用标准GPS秒脉冲信号同步100MHZ高精度恒温晶振信号，在输入信号到达时刻锁存GPS同步时间数据，同时记录行波通道号和行波极性，并将锁存的时间信息、行波通道号和行波极性打包形成行波信息进行存储，完成暂态行波信号的检测和时间记录功能。 开口式专用行波传感器由对称的两个半环形高频磁性材料组成，每部分双层绕制10匝线圈，两个半环形高频磁性材料铁心体由螺栓固定在一起。开口式专用行波传感器能抑制高频信号，只传输100kHz~2MHz之间的高频突变信号。 开口式专用行波传感器套接在变压器外壳接地线上，利用开口式专用行波传感器可从变压器外壳接地线上不失真地提取暂态行波信号，该信号经行波波头检测单元判断为故障行波信号，启动行波时间记录单元记录行波信号到达的精确时间和极性。 由此可见，该电网故障暂态行波信号检测方法能可靠准确检测电网故障暂态行波信号，可广泛应用于输电线路故障行波保护与定位，具有广阔应用前景。 2. 高精度GPS同步时钟 课题组研究了高精度GPS同步时钟。GPS接收机输出的秒脉冲信号存在较大的随机误差，但不存在累计误差。晶振时钟信号的随机误差较小，但存在较大的累计误差。根据GPS时钟信号与晶振时钟信号精度互补的特点，完善晶振信号同步GPS信号的一元二次回归数学模型，估计出GPS时钟随机误差的统计方差和晶振的累计误差；对晶振时钟进行实时修正，产生高精度时钟，并预测了修正后的时钟精度。 采用了高精度晶振与GPS时钟精度互补特点，对GPS时钟误差进行了在线修正，确保时钟误差小于100ns。GPS时钟单元对行波波头到达的最初时刻进行快速记录。为了简化装置结构，提高抗干扰能力，使用1片FPGA来完成高精度时钟信号的产生和故障行波波头信号到达时间的记录。记录之后送往中央处理单元处理。FPGA芯片选择Altera公司的高性能芯片EPF10K10LC84。该芯片采用重复可构的CMOS SRAM工艺，把连续的快速通道互连与独特的嵌入式阵列结构相结合，同时也结合了众多可编程器件的优点来完成普通门阵列的宏功能。行波到达时刻的记录过程由硬件在10s内完成。考虑一定的余度，装置能够连续记录的相邻两次行波的间隔在20s范围内，超出雷电定位系统的给定指标。 3. 电网故障行波定位装置 该作品提供一种从变压器外壳接地线中提取暂态行波信号，记录行波到达时间的电网故障行波定位装置。它对故障反映灵敏、结构简单、时间记录准确、运行可靠，而且该开口式专用行波传感器可实现对变压器高、中、低压所有出线的暂态信号检测。该装置包括以下几个部分： 1) 开口式专用行波传感器，套接在变压器外壳接地线上，用于提取暂态行波信号； 2) 行波波头检测板，用于进行暂态行波信号的检测，开口式专用行波传感器提取的信号经高通滤波滤除工频等低频信号，然后测量、比较输入信号的变化陡度和大小，满足条件的即为暂态行波信号，再把行波波头信号变成具有一定幅值、一定宽度的方波信号； 3) GPS时钟板，在线修正GPS秒时钟信号，用于给行波时间记录板提供标准GPS秒脉冲信号； 4) 行波时间记录板，结合标准GPS秒脉冲信号和高精度晶振信号记录行波波头的到达时间，同时记录行波通道号和行波极性信号并打包形成行波信息进行存储； 5) 中央处理单元板，读取行波时间记录板记录的行波信息并进行规约转换形成行波数据，并将行波数据送到定位计算机。 定位计算机根据行波数据进行故障定位计算。 该电网故障行波定位装置，采用独特的暂态行波信号提取方法，使用一个开口式行波传感器便可实现变压器高、中、低压所有出线暂态行波信号的检测；并利用硬件直接记录行波到达时间，大大简化了判断行波的有无和记录行波到达时间的软硬件设计、避免了A/D采样误差和软件分析误差；结合GPS时钟校对高精度恒温晶振，输出高精度GPS同步时钟信号，使行波时间记录的时间误差不超过100ns，大大提高了行波到达时间纪录的准确性。 被测线路发生故障后，故障产生的故障行波从故障点沿线路向线路两端传播，分别到达线路两端变电站。开口式专用行波传感器从变电站中变压器的外壳接地线上提取暂态行波信号，与一次系统无直接的电联系，开口式专用行波传感器的输出信号幅值在+2V~+12V之间，送入行波波头检测板。行波波头检测板对输入信号进行突变信号检测，由行波的变化率、上升或下降时间和波头幅值进行行波波头辨识。当暂态行波信号的变化率、上升或下降时间和波头的幅值满足要求时，行波波头检测板通过硬件电路处理一定幅值、一定宽度的行波和行波极性方波信号，并通过高速光电隔离后送至行波时间记录板。GPS时钟板对GPS接收机接收的GPS信号进行处理产生高精度的标准秒脉冲信号：当GPS信号接收正常时，直接由GPS接收机提供标准秒脉冲信号；当GPS接收机运行异常或丢星时，由CPLD结合100M高精度恒温晶振产生标准秒脉冲信号；标准秒脉冲信号经过光电隔离后，送至行波时间记录板。行波时间记录板将输入的行波和行波极性信号通过滤波电路后，用标准秒脉冲信号同步100MHz高精度恒温晶振信号，在输入信号到达时刻将时间锁存，同时记录行波通道号和行波极性，并将锁存的时间信息、行波通道号和行波极性打包形成行波信息进行存储。中央处理单元板读取存储在行波时间记录板中的行波信息，进行规约转换，产生行波数据，并将行波数据发送至定位计算机，定位计算机根据故障线路两端的行波到达时间进行故障定位计算。 该电网故障行波定位装置已经在220kV输电网上运行一年，运行结果显示线路故障时的故障点定位误差小于150米，具有较高的定位准确度。 4. 广域电网故障行波定位方法 本作品研究了广域电网故障行波定位方法。通过对电网中各行波到达时刻进行过滤、匹配，结合初始行波传输路径实现全网综合定位，可靠性高，容错性强，当网络中某一台定位装置故障、启动失灵或时间记录错误后仍能进行精确定位。 为了更方便地分析故障行波在整个电网中的传输过程，从图论的角度，将电力系统看作一个由n个顶点和b条边构成的图G=(V，E)，其中V表示图的顶点集合，E表示图的边的集合，分别对应于电力系统中母线（变电站）和支路的集合。对网络图的边(vi，vj)赋予数量指标，称之为“权”。在电网拓扑图中，边的权值代表输电线路的长度。对任意一条边(vi，vj)∈E，如果边(vi，vj)端点无序，则称其为无向边，此时图G为无向图。对于输电线路而言，因Lij=Lji，L为线路长度，故电力系统网络图是典型的无向图。 当故障发生后，故障行波由故障点向电网中传播，初始行波的到达时刻对应初始行波传输的最短路径。因此，可以通过分析电网中各个变电站之间输电线路的最短距离对包含有环网的系统进行简化，得到解网后的辐射型网络，从而消除其对初始行波传输路径识别的影响。本作品采用Floyd算法计算网络中任意两点的最短路径。 5．相角测量辅助功能 故障电压装置设计为9路脉冲信号输入，当脉冲信号到达时，锁存脉冲到达时间，用于故障定位。为实现功角测量，对三相电压信号进行低通滤波，消除谐波信号的影响。一方面采用方波化电路，把正弦信号变成方波信号，送入故障电压行波定位装置的脉冲信号输入回路，记录三相电压的过零时刻，可以实现连续测量、记录电压信号频率和相位；另一方面采用GPS同步32点16位精度采样，记录三相电压波形，通过傅立叶算法计算三相电压幅值；并由三相电压幅值和相位计算正序电压向量。同一时刻不同测量点测量到的电压向量通过光纤网络远传到电网调度中心，实时显示向量和功角，记录正序电压向量变化轨迹，并进行电网稳定预测和控制。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品目的：为了减少电网故障给国民经济带来巨大的经济损失，本作品研究了一套能精确进行故障定位的广域电网故障行波定位系统，其具体目的在于：1）当电网发生故障时，立刻准确找出故障点位置，误差在150m以内； 2) 具有实时相角测量辅助功能。 基本思路：当电网故障时，故障点产生的行波沿着故障线路向两端电网中传播，记录行波到达各变电站的时间，利用时间和行波波速实现快速、准确定位。 创新点： 1）研制了专用行波传感器，从变压器外壳接地线上提取行波信号，简单、可靠，而且不需改变系统的接线方式； 2）利用电压行波实现故障定位，数据采集量少，成本低； 3）采用GPS时钟同步技术，并对GPS时钟进行修正，使GPS时钟误差小于0.1μs； 4）提出了广域电网故障行波定位方法； 5）实时测量相角， 相角测量误差小于1分。 技术关键： 1）专用的行波传感器：能够不失真地提取故障暂态行波信号，不需改变系统接线，适合应用于我国输电网； 2）GPS时钟同步技术：对晶振时钟进行实时修正，产生高精度时钟，并预测了修正后的时钟精度。 3）广域电网故障行波定位方法：通过对电网中各行波到达时刻进行过滤、匹配，结合初始行波传输路径实现全网综合定位，可靠性高，容错性强。 技术指标： 1）正常时，GPS时钟误差<0.1μs，卫星失步一小时误差<1μs；2）故障定位误差<150m；3）相角测量<1分。
科学性、先进性
- 科学性先进性： 本作品的科学性和先进性表现在以下几个方面： 1、电力系统中的故障定位大多采用阻抗法和行波法，行波法测量误差小，受线路类型、故障类型、接地阻抗等因素的影响小。 2、行波定位按提取行波信号的不同可分为电压法和电流法，本作用采用电压行波法，优势在于： 1）采用电流行波时，每条线路都要安装行波采集装置，需要高速采集电流量，而采用电压法时每个变电站只需安装一台电压行波采集装置，采集的数据量少； 2）系统阻抗较大时，电压行波突变量比电流行波突变量相对幅值大，较易测量； 3）非雷击自然破坏时，通常发生在电压峰值附近，电压行波较电流行波灵敏度高； 3、广域电网故障行波定位方法，每个变电站只需安装一套定位装置，故障定位可靠性高、容错性强。 4、具有实时相角测量辅助功能，用于电网故障定位系统自检，有助于提高电力系统的可靠性。
获奖情况及鉴定结果
- 1、2007年通过湖南省电力试验研究院测试； 2、与长沙电力通高技术开发有限公司签约500万； 3、在常德电网和株洲电网安装应用，通过验收，达到预期效果，定位误差小于150米；2009年长沙电网和衡阳电网安装。
作品所处阶段
- （B）A实验室阶段 B中试阶段 C生产阶段 D （自填）
技术转让方式
- 依托湖南省电力系统运行与控制产学研示范基地合作开发和生产。
作品可展示的形式
- √实物、产品 √模型 √图纸 □磁盘 √现场演示 √图片 √录像 □样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：1）传感器输出信号引入故障行波采集装置。2）故障行波采集装置和定位主机组屏安装在变电站控制室内。 技术特点和优势： 1）专门的行波传感器，不改变系统的一次接线； 2）采用电压行波实现故障定位，每个变电站只需安装一套设备，成本低； 3）广域电网故障行波定位算法，可靠性强，容错性强； 4）实时测量相角，便于及时发出调度命令，预防系统失稳。 适用范围：本作品适用于35KV以上电网。 推广前景的技术性说明：目前故障定位产品中，以电流行波法为主，采集数据量大，安装成本高。本作品能够克服以上不足，并能提高定位精度，拥有广阔的应用前景。 市场分析和经济效益预测：目前全国有30000多座变电站可以安装行波定位系统。按该产品全国的市场容量每年1000套、市场价格每套16万计算，每年具有1.6亿元产值，将直接产生经济效益数近亿元。该作品的应用能够快速、准确地实现故障位置，减少停电带来的经济损失，具有巨大的社会经济效应。
同类课题研究水平概述
- GPS故障行波定位技术已在国外超高压电网中得到推广应用。如加拿大B.C Hydro 的500kV输电网在安装了故障行波定位系统，由14个500kV变电站的行波检测装置及上层软件组成，能准确检测5300公里线路上的各种故障。几年的运行经验表明：该系统具有很高的故障定位精度，能可靠地对各种故障进行检测，定位精度已达到或超过±300m。但该系统中的行波传感器为一小电抗器，串联在电容式电压互感器（CVT）的地线上，用来提取电压行波信号。故该行波传感器的安装需要对一次系统接线进行改动，不符合我国电力系统运行规程，很难在我国推广应用。HP公司的产品属于该类型。 目前生产故障行波定位装置的厂家仅有电科院（WFL2010输电线路故障行波测距装置）和山东淄博科汇公司（XC-2000输电线路故障行波测距系统）。由于电压行波测量困难，国内一般仅采用电流行波进行故障定位，采用小波分析方法直接从电流互感器二次侧提取电流行波波头的突变信号。该定位方法需要具有海量数据存储的高速数据采集系统和能进行复杂小波分析的高性能计算机系统。受高速采集系统及高性能计算机系统的限制，现有的电流行波定位装置结构复杂、造价高，并易受各种暂态干扰信号的影响，运行可靠性较低。 本作品开发了故障电压行波定位装置，采用专门研制的电压行波传感器提取故障电压行波波头，用硬件电路直接对行波波头进行前置处理、记录行波波头的到达时间和行波极性。被测信号几乎不受限制，不会饱和，可以测量上升时间为纳秒级的电压行波信号，从而降低故障定位装置成本，提高装置运行的可靠性。且在每个变电站安装一套故障行波采集装置，即可对接在变电站的每个线路进行测距。具有造价低、精度高、安装简便、自动化水平高等特点。
