基于電子式互感器的分布式行波測(cè)距裝置

王振華，牟濤，周東杰，朱付強(qiáng)，趙會(huì)彬，馬志敏

（許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

高壓輸電線路是電力系統(tǒng)中重要組成部分，擔(dān)負(fù)著電力能源運(yùn)輸?shù)闹匾?zé)任，由于交直流輸電工程一般線路較長(zhǎng)、跨越地形復(fù)雜，作為電力系統(tǒng)中最容易出現(xiàn)故障的環(huán)節(jié)，線路故障的查找異常困難[1-4]。輸電線路測(cè)距系統(tǒng)的作用就是在線路故障發(fā)生后，能夠準(zhǔn)確計(jì)算出故障點(diǎn)發(fā)生的位置，便于運(yùn)行人員迅速查明故障點(diǎn)短路的原因，及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行故障定位和修復(fù)故障線路，保證輸電線路的供電可靠性[5-7]。伴隨著行波信號(hào)提取、高速數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)认嚓P(guān)技術(shù)的逐步成熟，多種行波故障測(cè)距系統(tǒng)先后被成功研發(fā)，國內(nèi)外己有多種行波故障測(cè)距裝置投入實(shí)際運(yùn)行[8-12]。

行波測(cè)距系統(tǒng)能夠完成故障點(diǎn)的定位，廣泛應(yīng)用于智能變電站的故障診斷和故障定位[13-14]。目前國內(nèi)的行波測(cè)距系統(tǒng)基本都是基于傳統(tǒng)互感器，傳統(tǒng)互感器目前存在絕緣難度大、動(dòng)態(tài)范圍小、安全性差、體積大、成本高等缺點(diǎn)。特別是傳統(tǒng)互感器存在波形容易飽和的特點(diǎn)，嚴(yán)重影響測(cè)距系統(tǒng)在高頻突變情況下波形采集的真實(shí)性，是影響行波測(cè)距系統(tǒng)精度的重要原因[15-16]。而電子式互感器是未來的發(fā)展方向，特別是基于羅氏線圈的電子式電流互感器目前已經(jīng)非常成熟，相比較傳統(tǒng)電流互感器來說，其測(cè)量精度更高，動(dòng)態(tài)范圍更優(yōu)秀，能大大提升測(cè)距精度的同時(shí)，克服傳統(tǒng)互感器波形易飽和的缺點(diǎn)，符合未來的發(fā)展方向[17-19]。但是，基于電子式互感器的行波測(cè)距系統(tǒng)需要專門的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸方式，以應(yīng)對(duì)高速化和智能化的要求，因此，傳統(tǒng)的測(cè)距系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)以及測(cè)距方式等因素，無法適用于電子式互感器，研究基于電子式互感器的分布式行波測(cè)距系統(tǒng)，對(duì)于提升行波測(cè)距的精確性、可靠性和高速性具有非常重要的意義[20-22]。

1 電子互感器分布式行波測(cè)距的基本架構(gòu)

基于電子式互感器的行波測(cè)距系統(tǒng)主要包括兩部分，分別是行波測(cè)距主機(jī)和采集子機(jī)（簡(jiǎn)稱子機(jī)）。子機(jī)由至少一個(gè)采集裝置構(gòu)成，行波測(cè)距主機(jī)與子機(jī)的安裝方式見圖1。對(duì)于任意一個(gè)采集裝置，包括兩部分，分別是基于羅氏線圈原理的電子式電流互感器及行波測(cè)距高速采集子機(jī)。采集子機(jī)采用三相一體設(shè)計(jì)，與電子式電流互感器采用就地化方式安裝，能采集單個(gè)線路的A、B、C 三相電流信息。采集裝置的個(gè)數(shù)根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行設(shè)定，本設(shè)計(jì)單臺(tái)測(cè)距主機(jī)最大支持連接8 臺(tái)采集裝置。

行波測(cè)距主機(jī)上有兩種數(shù)據(jù)端口，分別是以太網(wǎng)通訊端口和同步信號(hào)發(fā)送端口，分別對(duì)應(yīng)圖1 中的以太網(wǎng)口和同步口。子機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并判斷故障，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，測(cè)距子機(jī)啟動(dòng)故障錄波，并向主機(jī)發(fā)送故障請(qǐng)求，主機(jī)響應(yīng)故障請(qǐng)求后，向子機(jī)召喚錄波信息，然后進(jìn)行行波測(cè)距的運(yùn)算。

圖1 基于電子互感器的分布式行波測(cè)距系統(tǒng)Fig.1 Distributed traveling wave ranging system based on electronic instrument transformer

2 分布式行波測(cè)距數(shù)據(jù)流傳輸

基于電子式互感器的分布式行波測(cè)距系統(tǒng)其主機(jī)與子機(jī)的數(shù)據(jù)交互如下：當(dāng)其中一個(gè)子機(jī)判斷系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，該子機(jī)通過GOOSE 格式的報(bào)文向主機(jī)發(fā)送故障錄波請(qǐng)求，主機(jī)接收到該子機(jī)的故障錄波請(qǐng)求后，通過GOOSE 報(bào)文向各子機(jī)發(fā)送故障錄波應(yīng)答，并向各子機(jī)發(fā)送故障錄波啟動(dòng)時(shí)刻，各子機(jī)根據(jù)故障錄波啟動(dòng)時(shí)刻完成錄波，錄波完成后通過TFTP 協(xié)議向主機(jī)發(fā)送故障錄波報(bào)文。圖2 所示為子機(jī)與主機(jī)的通訊數(shù)據(jù)流圖。

圖2 主機(jī)及分布式子機(jī)的數(shù)據(jù)流交互Fig.2 Data flow interaction between host and distributed sub machines

一個(gè)主機(jī)通過交換機(jī)連接多個(gè)間隔的子機(jī)，各子機(jī)與主機(jī)之間通過光以太網(wǎng)介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，每個(gè)子機(jī)都有獨(dú)立的IP 地址，主機(jī)與子機(jī)之間的報(bào)文需要經(jīng)過交換機(jī)，主要協(xié)議為GOOSE 協(xié)議與TFTP 協(xié)議。

主機(jī)主要由管理模塊、測(cè)距模塊、時(shí)間同步模塊3 部分組成。主機(jī)的測(cè)距模塊用于與子機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，接收子機(jī)的錄波報(bào)文，完成測(cè)距算法，并將測(cè)距結(jié)果發(fā)送給主機(jī)的管理模塊。同時(shí)將子機(jī)的錄波文件進(jìn)行合并，通過TFTP 協(xié)議發(fā)送給主機(jī)的管理模塊。

主機(jī)的管理模塊具備大容量錄波存儲(chǔ)功能，最多能存儲(chǔ)2 000 條錄波信息。同時(shí)管理模塊負(fù)責(zé)測(cè)距結(jié)果的最終后臺(tái)上送、人機(jī)接口等功能。

主機(jī)的時(shí)間同步模塊能夠接收GPS 或者北斗的對(duì)時(shí)信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為B 碼報(bào)文，同步主機(jī)的管理模塊、測(cè)距模塊及子機(jī)。

子機(jī)對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行采樣，完成啟動(dòng)判別，然后將故障錄波的數(shù)據(jù)形成Comtrade 格式的錄波文件。因?yàn)樵趯?shí)際操作中，錄波數(shù)據(jù)比較大，上送報(bào)文時(shí)間比較長(zhǎng)，為了保證錄波上送過程中能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)間隔大于20 ms 的下一次故障，保證錄波數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性，需要考慮錄波的實(shí)時(shí)響應(yīng)機(jī)制。因此子機(jī)需要開辟二級(jí)的錄波緩存，第1 級(jí)緩存存儲(chǔ)10 個(gè)周波數(shù)據(jù)，第2 級(jí)緩存存儲(chǔ)3 個(gè)周波數(shù)據(jù)（故障啟動(dòng)前2.5 周波，啟動(dòng)后0.5 周波的數(shù)據(jù)），最多支持開辟10 塊二級(jí)緩存。

當(dāng)系統(tǒng)中的某臺(tái)子機(jī)判斷到線路上有故障啟動(dòng)時(shí)，先發(fā)送錄波啟動(dòng)報(bào)文給主機(jī)，并在報(bào)文中包含故障啟動(dòng)時(shí)間。主機(jī)收到單臺(tái)子機(jī)的請(qǐng)求報(bào)文后，給所有的子機(jī)發(fā)送錄波應(yīng)答報(bào)文，并將故障啟動(dòng)時(shí)間轉(zhuǎn)發(fā)給所有子機(jī)。子機(jī)收到主機(jī)的錄波應(yīng)答信號(hào)后，根據(jù)啟動(dòng)時(shí)間在一級(jí)緩存中定位錄波啟動(dòng)數(shù)據(jù)，將一級(jí)緩存中有效的錄波數(shù)據(jù)搬移到二級(jí)緩存并鎖定，數(shù)據(jù)內(nèi)容遵循故障啟動(dòng)前2.5 周波，啟動(dòng)后0.5 周波的原則。然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換形成錄波文件，通過TFTP 協(xié)議將錄波報(bào)文上送主機(jī)。

由于comtrade 格式錄波文件的限制，錄波數(shù)據(jù)的時(shí)間信息只能精確到μs，而采樣數(shù)據(jù)最高需要精確到500 ns，為了后級(jí)同步精度的需要，需增加一個(gè)通道的錄波，通道的內(nèi)容為采樣點(diǎn)的序號(hào)（時(shí)標(biāo)）。因此一組錄波文件最少包含4 個(gè)通道，通道1 到通道3 分別記錄輸電線路A 相數(shù)據(jù)、線路B 相數(shù)據(jù)、線路C 相數(shù)據(jù)，通道4 為采樣序號(hào)數(shù)據(jù)。單個(gè)錄波文件大小為960 kB。

錄波文件采用標(biāo)準(zhǔn)的comtrade 格式，錄波文件的命名格式見圖3。錄波文件的文件名標(biāo)注為故障啟動(dòng)時(shí)刻，主機(jī)通過接收到的錄波文件的文件名定位故障啟動(dòng)的具體時(shí)刻。

圖3 錄波文件命名格式Fig.3 The naming format of record file

由于comtrade 文件中的時(shí)間精度僅僅精確到微秒級(jí)別，無法滿足測(cè)距時(shí)間要求到納秒的精度要求，為了提升測(cè)距計(jì)算精度，主機(jī)需要根據(jù)錄波文件的文件名重新計(jì)算采樣點(diǎn)的精確采樣時(shí)間。其文件名格式為故障啟動(dòng)時(shí)刻的時(shí)間，即包含具體的年月日及時(shí)分秒，最小精確到納秒。主機(jī)解析錄波文件時(shí)，采用錄波文件名中的啟動(dòng)時(shí)刻加采樣序號(hào)偏移地址的方式，將時(shí)間精度精確到0.5 μs，即需要在故障啟動(dòng)時(shí)刻TFILE_NAME的時(shí)間基礎(chǔ)上，加上采樣序號(hào)SAMPLE_NUM 與采樣間隔（0.5 μs）的乘積，得到采樣點(diǎn)的具體時(shí)間信息TSAMPLE_POINT，公式如下：TSAMPLE_POINT=TTFILE_NAME+0.5 μs*SAMPLE_NUM。

GOOSE 協(xié)議主要用來實(shí)現(xiàn)鏈路的監(jiān)視及握手信號(hào)，TFTP 協(xié)議用來傳輸錄波報(bào)文。子機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，每5 s 發(fā)送一幀GOOSE 報(bào)文，用于子機(jī)斷鏈的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，子機(jī)一旦判斷到故障啟動(dòng)后，立刻采用應(yīng)答機(jī)制與主機(jī)發(fā)起數(shù)據(jù)的交互。應(yīng)答機(jī)制先由子機(jī)發(fā)起請(qǐng)求，主機(jī)響應(yīng)請(qǐng)求，并發(fā)送應(yīng)答報(bào)文，應(yīng)答報(bào)文中應(yīng)該包含通訊的命令和數(shù)據(jù)信息，報(bào)文主要包括上行報(bào)文和下行報(bào)文。

其中，上行報(bào)文為子機(jī)發(fā)送給主機(jī)的請(qǐng)求信息，主要包含以下報(bào)文：

1）子機(jī)故障錄波啟動(dòng)請(qǐng)求報(bào)文：包含啟動(dòng)采樣序號(hào)、啟動(dòng)整秒時(shí)間、啟動(dòng)標(biāo)志等數(shù)據(jù)內(nèi)容。

2）子機(jī)錄波上送請(qǐng)求報(bào)文：包含啟動(dòng)上送錄波長(zhǎng)度、故障類型（是否雷擊故障）、錄波啟動(dòng)時(shí)間信息等內(nèi)容。

下行報(bào)文為主機(jī)發(fā)送給子機(jī)的應(yīng)答信息，主要包含以下報(bào)文：

1）主機(jī)錄波啟動(dòng)應(yīng)答報(bào)文：包含啟動(dòng)時(shí)刻，對(duì)應(yīng)子機(jī)IP 地址（A、B、C 三相廣播）。

2）主機(jī)接收錄波應(yīng)答報(bào)文：對(duì)應(yīng)子機(jī)IP。

3）主機(jī)接收成功應(yīng)答報(bào)文：對(duì)應(yīng)子機(jī)IP。

4）主機(jī)接收失敗應(yīng)答報(bào)文：對(duì)應(yīng)子機(jī)IP，啟動(dòng)重發(fā)機(jī)制。

3 主機(jī)與子機(jī)數(shù)據(jù)交互邏輯

子機(jī)與主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸及握手交互邏輯見圖4。

圖4 主機(jī)與子機(jī)的數(shù)據(jù)應(yīng)答機(jī)制Fig.4 Data response mechanism between host and sub machine

1）子機(jī)在正常運(yùn)行狀態(tài)下，實(shí)時(shí)進(jìn)行2M 的高速數(shù)據(jù)采集，并實(shí)時(shí)將10 個(gè)周波的采樣數(shù)據(jù)保存在一級(jí)緩存中；同時(shí)子機(jī)定時(shí)向主機(jī)發(fā)送GOOSE鏈路報(bào)文，讓主機(jī)監(jiān)視子機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

2）當(dāng)子機(jī)根據(jù)采樣數(shù)據(jù)，判斷到線路上發(fā)生故障時(shí)，子機(jī)向主機(jī)發(fā)送故障錄波請(qǐng)求報(bào)文，主機(jī)接收到請(qǐng)求報(bào)文后，解析出故障啟動(dòng)的類型，時(shí)間等信息，向所有子機(jī)發(fā)送故障啟動(dòng)的應(yīng)答報(bào)文（廣播報(bào)文），報(bào)文中包含子機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間，精確到納秒級(jí)。

3）接收到主機(jī)啟動(dòng)錄波命令的子機(jī)根據(jù)主機(jī)發(fā)送的啟動(dòng)錄波的命令時(shí)間，在緩存中找到故障啟動(dòng)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，生成錄波文件。

4）準(zhǔn)備好錄波數(shù)據(jù)的子機(jī)向主機(jī)發(fā)送錄波數(shù)據(jù)上送請(qǐng)求，一旦收到主機(jī)的應(yīng)答報(bào)文（單播報(bào)文），就通過TFTP 協(xié)議將錄波文件上送。主機(jī)成功收到錄波文件后，發(fā)送接收成功報(bào)文，反之，發(fā)送接收失敗報(bào)文，啟動(dòng)重發(fā)機(jī)制。

5）整個(gè)協(xié)議設(shè)置了超時(shí)機(jī)制，一旦請(qǐng)求端發(fā)現(xiàn)對(duì)端應(yīng)答超時(shí)，則發(fā)送端要啟動(dòng)重發(fā)機(jī)制，保證系統(tǒng)的可靠性。

主機(jī)同步子機(jī)高速數(shù)據(jù)采集的同步機(jī)制見圖5，子機(jī)的FPGA 接收主機(jī)的B 碼同步信號(hào)，將其解析為同步的秒脈沖和年月日時(shí)分秒的時(shí)間信息，并通過寄存器與CPU 共享。子機(jī)通過恒溫晶振對(duì)秒脈沖進(jìn)行分頻，產(chǎn)生2M 的采樣同步信號(hào)，用來控制AD 的采樣時(shí)刻。子機(jī)同時(shí)通過恒溫晶振產(chǎn)生一個(gè)本地的32 位時(shí)間戳（精確到ns），并且給秒脈沖的時(shí)鐘沿打時(shí)間戳。采樣序號(hào)與秒脈沖對(duì)齊，整秒清零翻轉(zhuǎn)。

圖5 高速數(shù)據(jù)采樣的同步機(jī)制Fig.5 Synchronization mechanism of high speed data sampling

FPGA 將采樣值、采樣序號(hào)、整秒的時(shí)間戳、當(dāng)前時(shí)間戳幾個(gè)信息上送給CPU，CPU 將以上信息保存在緩存中，并在故障時(shí)刻，生成包含采樣序號(hào)，采樣時(shí)刻的錄波報(bào)文。子機(jī)具備守時(shí)功能，能夠在同步信號(hào)丟失10 min 達(dá)到1 μs 的守時(shí)精度，子機(jī)對(duì)主機(jī)同步信號(hào)進(jìn)行倍頻，產(chǎn)生采樣同步脈沖，采樣間隔離散性小于10 ns。

圖6 所示為行波測(cè)距故障錄波波形，我們可以看到基于電子式互感器的行波測(cè)距系統(tǒng)的錄波能夠更真實(shí)地記錄和還原行波特征，配合小波算法，能夠更精確地捕捉到行波波頭，大大提升測(cè)距的精度。

圖6 行波測(cè)距故障錄波Fig.6 The wave record of traveling wave fault location

4 結(jié)語

基于電子式互感器的分布式行波測(cè)距系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)互感器動(dòng)態(tài)范圍小、容易飽和、影響采集精度的缺點(diǎn)。結(jié)合電子互感器的特點(diǎn)，采用分布式采集子機(jī)結(jié)合主機(jī)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)測(cè)距數(shù)據(jù)的分布式采集，集中運(yùn)算。由于采用了主機(jī)和子機(jī)的實(shí)時(shí)交互方式，配合高精度高頻特性好的羅氏線圈以及2 M的高速AD，線路長(zhǎng)度在300 km 以下，雙端測(cè)距誤差不大于300 m；線路長(zhǎng)度在300 km 以上，雙端測(cè)距誤差不大于500 m。