北斗系统在电力系统行波法故障定位中的应用研究

1、北斗系统在电力系统行波法故障定位中的应用研究1.电力系统中的行波故障定位在电力系统中，输电线路经常发生各种故障，由于线路很长，并且很多线路地形复杂，寻找故障地点就非常费时费力费钱。输电线故障定位早有研究，尤其是随着计算机技术的应用，微机保护和故障录波装置的开发及大量投运，更加速 了故障测距的实用化进程。传统故障测距方法利用电压除以电流得到阻抗， 然后根据线路参数估计故障 距离，由于线路故障大多非金属短接，过渡阻抗无法确定，因此误差很大。应用 较为成熟的是光纤差动的方法，但光纤法要铺设光纤通道或租用电信光纤通道, 要额外付费且不能自主控制，只能检测故障但不能定位。输电线路故障定位按其 工作原理分

2、为阻抗法、行波法两种。故障定位技术可以根据线路故障时的故障特 征迅速准确地进行故障定位，不仅有利于线路及时修复，保证可靠供电，大大减 轻人工巡线的艰辛劳动，而且对电力系统的安全稳定和经济运行都有十分重要的 作用。2.1行波故障定位算法发展现状及存在的问题早在20世纪40年代,国外学者就已根据行波理论提出了利用行波进行输电线路故障定位的思想。现在，行波法已经成为研究热点。行波法分为A, B, C,E四种方法，此处主要介绍A型和B型定位算法。1.1.1A型定位方法原理与算法A型定位原理利用故障点产生的行波，根据测量点到故障点往返一次的时间 和行波波速确定故障点距离。根据这种原理研制的定位装置简单，

3、只需在线路一端装设，不要求与线路对端通信联系，随着现代微电子技术的飞跃发展和对行波 传播规律的进一步认识，A型定位原理逐渐引起人们的兴趣和关注。基于A型的测距算法即利用单端数据算法目前主要有以下三种:算法一:利用故障点行波的反射波进行测距。该方法利用在检测点检测到的两个相邻线模波头之间的时间差进行故障定位。如图1所示简单系统，在f点发生故障后，暂态行波分别向R，S运动，到达R，S后,暂态行波将发生反射，反射波经故障点再到R，S,所以在R， S点将检测到2个波头，设在R点测到2个波头之间的时间差为 t，行波速度为V1,由此可得到R点到故障点之间的距离。V, AtX =2(1.1)l-x图1行波故

4、障测距示意图但是,在这种方法中，在单相接地故障的情况下，行波的第2个波头很难测到，原因是线路上的电阻使行波衰减，第2个波头在故障点和检测点之间来回2趟,衰减更厉害。算法二：电力系统故障（接地故障）后，线模和零模将以不同的速度向检测点传播，而理论分析证明，线模波速和零模波速可以用线路的正序参数和零序参数计算。所以，只要准确找出到达检测点线模和零模波头之间的时间差就可以算出故障位置。仍以图2为例，设vi为线模速度，V0为零模速度,线模分量到达R点的时刻为tRI，到达S点的时刻为tsi；零模分量到达R点的时刻为tR2，到达S点的时刻为ts2,故障时刻为t。则在R点对于线模分量有：X=Vi(tRi -

5、t )(1.2)在R点对于零模分量有:X=V1(tR2t )(1.3)其中:t和X是未知量，消去t得:V1V0 (tRtR1 )X =-Vo(1.4)此算法利用第一次到达检测端的零模分量计算，波头衰减少，易于检测，结果误差小。算法三：t1为故障初始行波到达R端的时刻，t2为故障点反射波到达R端的时间，t3为对端母线反射波到达R端时刻,to为故障发生的绝对时刻，考虑联立方程：V(t1 -to ) = X v(t2 to )=3xV 讥3 - to ) = 21 - X(1.5)其中V, to，X是未知参数，可联立求解得:t年12)t0=2(t2 11 )(1.6)X =上3 2ti +t2这种算

6、法可以消除波速的影响，理论上计算精度高，但存在各波头到达时间准确检测问题。1.1.2 B型定位方法原理与算法B型定位原理利用故障点产生的行波到达线路两端的时刻并借助通信联系实现故障定位。它利用故障点产生的行波第一次到达两端的信息，不受故障点透射波等因素影响，这种方法要求线路两端测量系统有精确到微秒的同步时钟，要求有通信联系交换对侧数据。全球卫星定位系统（GPS）是一种理想的时间同步技术，利用基于GPS的同步时钟输出，能够实现两端测距装置 ms精确同步。随着GPS技术在电力系统中的应用，线路两端的同步采样已成为现实，并且随着数字光纤通信技术的发展在电力系统中的广泛应用，线路两端的数据交换也已成为

7、可能。基于B型原理的测距算法主要有以下两种：算法一:在线路发生故障后，不管线路的结构、衰减及畸变如何，到达母线处的第一个行波波头都是最强烈和最明显的，因此很容易准确定位。仍以图2为例，在S点对于线模分量有:X =Vl(tR1 -t )I -X =Vi(tsi -t )(1.7)由上式可得X 号 tR1-tS1）+2算法二:利用波速的测距算法的基础是线模波速受各种因素的影响很小，或者(1.8)说线模波速的波动在工程误差的范围之内。 研究认为：无论哪种模波，在线路上传播的速度是不确定的，各模量的波速度受气候和线路的运行条件影响很大。于此，提出了消去波速的测距算法（仍以图1为例）。设A = tR1-

8、tS1,B=tR2-tS2,C =tR2 -tp。由双端测距公式得：A = V1V1(1.9)B亠匕VoVo(1.10)x丨一xC =Vo V1(1.11)由式（1.9）、式（1.10）解出线模和零模波速为：x 丨一xV1 =A Ax丨一xVo =B B(1.12)(1.佝代入式（1.11）得测距公式:Clx =A-B +2C这种方法的优点是完全消除了波速变化对测距的影响，但是仍然使用了零模(1.14)的第1个波头,仍然存在零模衰减的问题，而且也需要双端数据交换通道和同步对时设备。2.2四种行波故障定位算法比较及存在问题2.2.1 A型和B型测距方法比较A型算法的单端测距算法精度高，但反射波波

9、头很难准确检测到，容易误判,实现起来很复杂，对于检测反射波的问题总结如下：1）当检测母线上接有三回及以上进出线时，初始行波和故障点反射波都比较强烈，测距容易实现；当检测母线上接有两回进出线时，初始行波比较强烈，故障点反射波很微弱；只有故障线路的母线上，反射将明显减弱，单端测距可能失败。2）故障点的过渡电阻越大，反射将越弱。3）当对端母线距故障点较近时，对端母线的反射波将透过故障点先于本端的反射波到达检测母线。4）当相邻母线和检测点之间的距离比故障点到检测点之间的距离近时，相邻母线的反射波将先于故障点的反射波到达检测点。 再加上零模波头必将先于本端反射波到达检测母线以及电力系统本身的噪声等原因，

10、很难准确判断第二个波头到达的时间。算法二中利用线模和零模分量的第一个波头，行波衰减小，易于判断波头到达的准确时间，而且只要线路参数准确，计算精度相当高。但是零模速度是否受天 气因素的影响，影响多大，尚需进一步讨论；另一方面，零模分量在线路上的衰减 情况如何,也需要进一步研究。B型算法利用行波的第一个波头，衰减小,易于检测到。可以不考虑故障的过渡电阻以及母线的反射条件，使我们能够更加准确地判断故障距离。但是,算法利 用双端数据，因此要求测距装置必须有两端数据的交换通道和两端时间同步设备(GPS),这样就增加了装置的生产成本，不利于测距装置的推广应用。算法二虽然 不用考虑速度的影响，但其测距精度并

11、没有明显的提高，而且比算法一要多采集 零模的数据。因此作为双端行波测距方法，算法一应该是优先考虑的方法。2.2.2 C型定位方法原理与算法C型定位原理在故障发生后由装置发射高压高频或直流脉冲信号，根据高频脉冲从装置至故障点往返时间进行定位。C型故障定位方法的优势在于：首先，它不需要在各条线路装设采集装置；其次,该方法在进行故障定位时可以重复地判断 对于某些因素(如其它大的干扰)某一次接收到的信号不能清楚分析出故障点位 置,可以重新发一个行波信号再进行一次定位，而其它实时定位的方法中故障点处 产生的行波是不可重现的；再次，这种方法不需要在每条线路都安装设备，极大地 节省了投资。2.2.3利用重合

12、闸的单端电流行波E型定位方法原理与算法利用单端电流行波的故障测距不仅可由因故障扰动而在故障点产生的暂态 行波构成,也可由线路开关合闸于故障线路所产生的暂态行波构成。这一点对于 装设有重合闸装置的高压输电线路尤为有用，它可以补救因故障发生在电压初始 角为零或很小时造成的测距失败。设线路发生了故障，在继电保护作用下，开关将 跳开故障线路，之后在重合闸作用下，开关将重新闭合。若故障未消失，则由开关 重合所产生的初始行波经延时 T后到达故障点，在故障点行波又反射回检测母线，其时间间隔仍为七显然，此也包含有故障距离信息，同样可用于测距。测 距公式同A型测距原理中算法一的公式。结合 A、B、E测距方法,利

13、用暂态电流行波的输电线路故障测距装置目前已有单位研制成功并投入现场试运行。2.3电力电缆故障定位随着我国经济的飞速发展，城市规模不断扩大，电力电缆获得了越来越广泛的 应用。在运行中，电力电缆也会发生故障，快速切除故障并排除故障对提高电力系 统供电可靠性和稳定性具有决定性作用。电缆故障一般分为：开路故障、低阻故障和高阻故障三种类型。脉冲电压法首先将电缆故障在直流或脉冲高压信号下击穿，然后通过记录放电脉冲在测量点与故障点往返一次所需的时间来测距。 包括直流高压闪络测量法（直闪法）和冲击高压闪络测量法（冲闪法）。脉冲电流法通过记录测量故障点击穿时产生的电流行波信号，在故障点与参考点往返一次所需的时间

14、来测距。这种方法用互感器将脉冲电流耦合出来，波形较简单，较安全。也包括直闪法及冲闪法两种类型。一种基于小波重构的电力电缆故障测距方法把脉冲电源作用下故障相与健 全相的电流差作为测量信号，利用小波变换对其作多尺度分解，然后对信号在高频 下进行单支重构。与传统的行波测距方法相比 ，该方法不受电缆分支接头或其他阻抗不匹配点反射波的干扰，不受故障类型的影响，在近区也不存在无法识别反射 波的问题，同时也减少了波速不确定性对测距精度的影响。美国学者为克服高压脉冲法有可能对电缆的健全部分进一步造成危害的缺陷，也提出了在线故障测距方法。但其出发点是将环形线路开路或在线路末端设置开路点，利用故障时产生的浪涌电压

15、或电流在开路点发生正或负的全反射，通过设于开路点附近的传感器得到脉冲信号，测出其脉冲间隔时间实现测距。但这种方法在实际电网中存在局 限性。另外，日本学者还提出了利用分布式光纤温度传感器 （FODT）,通过检测故障点附近温度变化情况来实现电缆故障定位的新方法。 英国学者则提出了利用基于 脉冲电流法的实时专家系统来实现电缆故障定位。此外，近些年发展起来的行波法可以对故障进行检测和定位，速度稍快些, 分单端和双端，单端定位是利用故障点传向母线第一行波与故障点的反射行波之 间的时间差计算故障位置，由于行波在各个一次设备、各条线路的连接处的反射、 折射和衰减，使得故障点反射行波波头的辨识变得复杂； 双端

16、定位则只利用行波 第一波头达到线路两端的时刻进行计算， 只需捕捉行波第一波头，不用考虑行波 的反射与折射，行波幅值大，易于辨识，提高了定位精度，但这种方法现场存在采样率较高、无法辨识近距离故障行波、无法检测发生在电压过零附近时刻接地的故障等问题，以及由于GPS短时失步、卫星信号调整、天线干扰等导致时钟信号失真而引起定位失败。因而，目前这种方法还不太成熟，有待进一步完善。2.北斗系统相对于GPS的定位功能来说，GPS的定时功能在电力系统中的应用更加重要和普遍。电力系统中如微机保护及安全自动化系统、远动及微机监控系统、调度自动化系统、故障录波器、事故记录仪等许多自动化装置，都需要一个精确的时间标准

17、，而且随着电力系统的发展，对时间标准的精确度也提出了更高的要求。传统的定时方式有两种：（1）电网调度中心通过通信通道同步系统内各个电站的时钟，这种方式需要专用的通信通道，由于从调度中心到达各个电站的距离不一样，通信延时也不一样，因此只能保证系统时钟在毫秒级误差的水平;利用广播、电视、天文台等的无线报时信号，这种方式一般一个小时报送一次,一个小时内会积累较大的误差，同样还由于信号传播延时，时间误差较大,很难达到毫秒级，此外还容易受到电站内的电磁干扰影响。GPS为电力系统时钟同步提供了新的技术保证。就算广泛应用于民用的GPS粗码，理论上定时精度可以达到0.1微秒，现在市场上销售的接收机的定时精度都

18、可以达到1微秒，远远超过了传统的定时方式。利用 GPS同步电力系统的时钟，必将是电力系统主要的定时方式，同时也为电力系统的发展奠定了坚实的基础。2.1北斗系统简介北斗系统是中国自主知识产权的全天候全天时提供卫星导航定位信息的区域导航系统，具有快速定位、简短通信和精密授时三大主要功能。卫星导航系统通常由三部分组成：导航授时卫星、地面检测校正维护系统和用户接收机。对于北斗一号局域卫星系统，地面检测中心要帮助用户一起完成定位授时同步。其中水平定位精度100 m,差分定位精度小于20m。简短通信功能有用户与用户、用户与地面控制中心之间双向报文通信能力，一次可传输36个汉字。精密授时有单向和双向两种功能

19、，时间同步精度分别为100 ns和20 ns。北斗系统是由太空的导航通信卫星、地面控制中心和客户端 3部分组成：太空部分有2颗地球同步轨道卫星，执行地面控制中心与客户端的双向无线电信号的中继任务；地面控制中心包括民用网管中心，主要负责无线电信号的发送接收，及整个系统的监控管，其中，民用网管中心负责系统内民用用户的标记、识别和运行管理；客户端是直接由用户使用的设备，即用户机，主要用于接收地面控制中心经卫星转发的测距信号。2.2北斗与GPS的比较(1) 覆盖范围。北斗系统覆盖了中国及周边国家和地区，不仅可为中国、也可为周边国家服务，没有通讯盲区。GPS是覆盖全球的全天候导航系统，能够确保地球上任何

20、地点、任何时间能同时观测到4-11颗卫星。由于卫星信号和周围环境对GPS的使用影响较大，在某些地区，特别是市区内高楼密集地区，GPS信号接收 很差,有些根本没有信号。(2) 授时脉冲的同步性能。授时脉冲的同步性能体现在上升沿同步精度和上 升沿斜率两方面。北斗系统的授时工作方式与 GPS不同,GPS每秒可获得一次卫星星历电文，秒脉冲的误差服从正态分布，锁住的可用卫星达到四颗以上时，授时 脉冲的1c精度在100 ns以内;当锁住的可用卫星少于四颗时，解算方程组的信息不够充分，授时精度将有所降低；北斗系统单向无源授时只要锁住一颗可用卫星 即可获得授时信息，北斗星历电文的更新率1次/min,分脉冲的授

21、时精度服从正态 分布，授时脉冲的精度在100 ns以内,秒脉冲由授时卡根据星历信息再处理获得，精度在300 ns以内。(3) 通讯功能。北斗系统同时具备定位与双向通信能力，可以独立完成移动目标的定位与调度功能，不需要其他通讯系统支持。而 GPS只能定位。(4) 用户容量。北斗系统由于是主动双向测距的询问-应答系统,用户设备与地 球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号，还要求用户设备向同 步卫星发射应答信号，这样，系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问 信号速率和用户的响应频率。因此,北斗导航系统的用户设备容量是有限的。GPS 是单向测距系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导

22、航电文即可进行测距定位 因此GPS的用户设备容量是无限的。(5) 生存能力。和所有导航定位卫星系统一样，北斗系统对中心控制系统的依 赖性明显要大，因为定位解算在地面控制中心，而不是由用户设备完成的。为了弥 补这种系统易损性，GPS正在发展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而北斗系统从原理上排除了这种可能性，一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。(6) 数据的共享性。由于北斗系统是双星系统，因此，用户接收器只能测得二维 (平面)的定位数据。地面中心制系统根据地图数据库提供的高度数据解算 ，供用户 三维(平面和高度)定位数据。若控制中心的数值地图数据库数据不够准确

23、，定位出 的位置数据就会有问题。而 GPS采用的是地心坐标系，数据的共享程度比较高。(7) 自主性。北斗导航系统由中国自主控制，安全、可靠、稳定，保密性强，适 合关键部门应用。GPS系统则由美国军方控制。(8)性能价格比。北斗系统使用的卫星是同步轨道卫星，其落地信号功率很小， 因此，用户机需要有较大天线(直径达20 cm)才能接收信号，而且因“有源应答”运作方式，所以,用户机还要包含发射机，因此在体积、重量、耗电量，甚至价格都远比GPS接收机大。2.3北斗系统授时原理北斗一号系统授时原理：授时是指接收机通过某种方式获得本地时间与北斗标准时间的钟差，然后调整本地时钟使时差控制在一定的精度范围内。

24、北斗授时系统图示2。图2北斗一号授时系统工作示意图在北斗导航系统中，授时用户根据卫星的广播或定位信息不断的核准其时钟 钟差，可以得到很高的时钟精度；根据通播或导航电文的时序特征，通过计数器, 可以得到高精度的同步秒脉冲1pps信号，用于同/异地多通道数据采集与控制的 同步操作。“北斗一号”为用户机提供两种授时方式：单向授时和双向授时。单向授时 的精度为100ns,双向授时的精度为20ns。在单向授时模式下，用户机不需要与 地面中心站进行交互信息，只需接收北斗广播电文信号，自主获得本地时间与北 斗标准时间的钟差，实现时间同步；双向授时模式下，用户机与中心站进行交互信息，向中心站发射授时申请信号，

25、由中心站来计算用户机的时差，再通过出站 信号经卫星转发给用户，用户按此时间调整本地时钟与标准时间信号对齐。2.2.1 单向授时北斗时间为中心控制站精确保持的标准北斗时间， 用户钟时间为用户钟的钟面时间，若两者不同步存在钟差，则北斗时间和用户钟时间虽然读数相同其出 现时刻却是不同的。地面中心站在出站广播信号的每一超帧单向授时就是用户机通过接收北斗 通播电文信息，由用户机自主计算出钟差并修正本地时间， 使本地时间和北斗时 间同步。周期内的第一帧数据段发送标准北斗时间（天、时、分信号与时间修正 数据）和卫星的位置信息，同时把时标信息通过一种特殊的方式调制在出站信号 中，经过中心站到卫星的传输延迟、卫

26、星到用户机的延迟以及其它各种延迟（如 对流层、电离层、sagnac效应等）之后传送到用户机，也就是说用户机在本地钟面时间为观测到卫星的时间，由用户机测量接收信号和本地信号的时标之间 的时延获得，后则根据导航电文中的卫星位置信息、 延迟修正信息以及接收机事 先获取的自身位置信息计算。一般来说，对已知精密坐标的固定用户，观测1颗卫星，就可以实现精密的时间测量或者同步。若观测2颗卫星或者更多卫星，则提供了更多的观测量，提高了定时的稳健性。(irrs I PPM图3北斗一号单向授时机原理框图2.2.2 双向授时双向授时的所有信息处理都在中心控制站进行， 用户机只需把接收的时标信号返回即可。为了说明方便

27、，给出简化模型：中心站系统在TO时刻发送时标信号STO,该时标信号经过延迟后到达卫星，经卫星转发器转发后经到达授时用户机，用户机对接收到的信号进行的处理也可看做信号转发，经过空间的传播时延 到达卫星，卫星把接收的信号转发，经过空间的传播时延传送回中心站系统。 也 即表示时间TO的时标信号STO,最终在TO + + + + 时刻重新回到中心站系统。中心站系统把接收时标信号的时间与发射时刻相差，得到双向传播时延+ + +除以2得到从中心站到用户机的单向传播时延。 中心站把这个单向传播时延发送 给用户机，定时用户机接收到的时标信号及单向传播时延计算出本地钟与中心控 制系统时间的差值修正本地钟，使之与

28、中心控制系统的时间同步。irPM tris图4北斗一号双向授时机原理框图2.2.3双向授时和单向授时的对比(1) 从双向授时和单向授时的原理：介绍中可以看出，双向授时和单向授时的主要差别在于从中心站系统到用户机传播时延的获取方式：单向授时用系统广播的卫星位置信息按照一定的计算模型由用户机自主计算单向传播时延，卫星 位置误差、建模误差(对流层模型、电离层模型等)都会影响该时延的估计精度, 从而影响最终的定时精度；双向授时无需知道用户机位置和卫星位置，通过来回 双向传播时间除以2的方式获取，更精确的反映了各种延迟信息，因此其估计精度较高。在北斗系统中单向授时精度的系统设计值为100ns,双向授时为20ns,实际授时用户机的性能通常优于该指标。(2) 单向授时需要事先计算用户机的位置，若位置未知，则需先发送定位请求来获得位置信息。双向授时无需知道用户机的位置， 所有处理都由中心站系 统完成。(3) 单向授时由于采用被动方式进行，不占用系统容量(需要获取定位位置信息)。而双向授时是通过与中心站交互的方式来进行定时，因此会占用系统 容量，受到一定的限制。2.2.4北斗授时的特点北斗授时精度优于20100ns,精确程度高;(2) 授时系统及设备工作稳定可靠，干扰小;(3) 多种输出方式；(4) 便携低耗；(5) 应用范围：航空航海、陆上交通、科学考察、设备巡检、系统监控等。3