雷击故障定位监测系统在输电线路上的应用与研究

1、河南四达电力设备股份有限公司科学技术项目计划申请书（可行性研究报告）雷击故障定位监测系统在输电线路上的应用与研究一、项目背景：随着国家经济的高速发展，各行各业对电力的需求量越来越大，对我国输电部门电力供应的质量（稳定性、不间断性及伴随服务）要求也越来越高，因此电网运行的安全性显得尤为重要。我国幅员辽阔，气候条件复杂，雷击导致的跳闸事件频发。既给电力部门造成了直接的经济损失,也给居民用电及工农业生产带来不良影响。一旦线路遭受雷击跳闸，如何尽快的查找到故障点位，快速进行处置，及时恢复送电，降低损失，成为一个重要的课题。同时，通过对雷击故障性质的识别，可以为分析其遭受雷击故障的原因提供依据，从而有针

2、对性地进行技术改进措施，提高全网的安全水平。二、项目的必要性：据电网故障分类统计资料表明，雷击引起的高压输电线路跳闸次数占总跳闸次数的40%、70%。当输电线路因雷击引起闪络接地故障时，迅速发现故障和确定故障点对于及时进行检修和维护，恢复线路正常运行十分重要。目前架空线路雷击防护主要通过加装过电压保护器，过电压保护起为纯硬件装置，无法实现信息上传；线路故障指示器可以实现远程功能。但是目前情况下这两个功能为独立模块，没有能够整合到一起，从而充分有效利用资源。架空线路雷电防护及故障指示系统通过在过电压保护器上加装二次设备实施监测过电压保护器状态以及线路故障信号，再通过GPRS通信方式将数据传到远方

3、监控系统，可实时监测雷击情况以及故障线路指示的情况。此成果推广后，实时监测雷击情况以及对故障支线的定位，可有效减少巡线的工作量，并为雷击分析提供数据支持。三、项目可行性： 随着近年来现代信息处理技术、软件技术和计算机技术等高新技术的快速发展,使得输电线路设备在线监测成为可能，监测雷击活动,从而准确定位故障点位,也变成了一种可行性操作途径。 四、国内外研究概况：我国开展输电线路在线监测起步较晚，输电线路在线监测技术是指直接安装在线路设备上可实时记录表征设备运行状态特征量的测量系统及技术，是实现状态监测、状态检修的重要手段，状态检修的实现与否很大程度取决于在线监测技术的成功与否。国外较早开展了输电

4、线路在线监测技术的研究，并将自己国家成熟或试运行的各类在线监测设备推向中国市场，而国内有能力从事这项技术研发的高等院校及科研院所由于缺乏市场能力和足够的资金，无法将研制的成果批量产业化，导致我国目前成为全球输电线路在线监测与诊断系统需求最大的市场。最近几年，随着高新技术企业的发展，国内出现了一些专业的在线监测技术生产厂家，他们在积极学习国外先进技术的同时，立足我国电力国情，开发了一系列输电线路在线监测技术，有效提高了现有输电线路的运行安全水平。 国外在20 世纪90 年代针对输电线路在线监测技术开展了系统研究，如澳大利亚红相公司开发的绝缘子泄漏电流在线监测系统。国内清华大学、西安交通大学、武汉

5、大学、武汉高压研究所等科研单位陆续开展了输电在线监测技术的研究，并在2000年之后研发了具有完整功能的输电线路在线监测技术，其中， GSM/GPRS的普及应用在很大程度上促进了该技术的迅速发展, 有效解决了远距离数据传输问题。从事在线监测技术研发的厂家迅速增加，进行了输电线路在线监测技术的研究，并逐步在电力系统推广应用，取得了较理想的应用效果。2008年的南方冰灾事故证实了在线监测技术的必要性和紧迫性，也将促进在线监测技术的迅速发展。五、项目主要研究内容：1.输电线路故障检测方法 分布式测量原理是指在输电线路上每隔2030公里安装一组监测终端，把输电线路分成若干段，当输电线路发生故障时，可以就

6、近监测暂态行波电流，完整反映出行波电流的电磁暂态特征，最终根据电磁当发生雷击跳闸故障时，雷击引起的雷电行波会沿着输电线路导线传播，分布安装在输电线路导线上的现场监测装置将会捕获故障电流行波和故障后引起的工频故障电流（如下图所示）。每个现场终端配置有GPS时钟，还可以对故障行波发生的时间准确标定。系统基于捕捉的行波信号、工频信号和发生时间进行故障辨识和故障点精确定位。暂态特征进行输电线路故障原因的识别。当发生雷击跳闸故障时，雷击引起的雷电行波会沿着输电线路导线传播，分布安装在输电线路导线上的现场监测装置将会捕获故障电流行波和故障后引起的工频故障电流（如下图所示）。每个现场终端配置有GPS时钟，还

7、可以对故障行波发生的时间准确标定。系统基于捕捉的行波信号、工频信号和发生时间进行故障辨识和故障点精确定位。图 分布式电网故障辨识系统原理示意图图 系统捕获的雷电行波波形雷击故障辨识技术可以辨识雷击的类型，即绕击还是反击。该技术立足高精度行波采样设备，挖掘雷击故障相电流波形的原始特征，提出基于行波特征的输电线路雷电反击与绕击识别方法。反击故障时，雷击塔顶致使绝缘子串闪络前，雷电流先流过架空地线，会在输电线路各相上感应出一个与雷电流极性相反的脉冲。闪络后，雷电流流过故障相，且非故障相上继续受到雷电流的感应作用。因此，故障相暂态电流波形包含闪络时刻前感应出的反极性脉冲、闪络时刻后的雷电流前

8、行波，非故障相暂态电流波形仅包含与雷电流极性相反的感应电流。相比之下，绕击时故障相暂态电流为闪络前流过故障相的雷电流，闪络后流过经故障点杆塔入地的那部分雷电流，这两者极性相同，叠加后不会出现反极性脉冲。通过细致的理论分析，发现了区分绕击与反击的极易被忽略的特征，即反击致使绝缘子串闪络前，雷电流先流过架空地线，在故障相线路上会感应出一个反极性的脉冲。具体的识别方法如下：1) 当输电线路发生雷击故障时，线路上观测点处高速采集设备启动，采样率为10MHz、采样时间为400µs，记录各相线路电流暂态波形；2) 比较同一观测点各相暂态电流幅值，幅值大的为故障相；3)

9、0;分析故障相电流行波特征，幅值最大、到达时间较早的脉冲为雷电流前行波；4) 观察故障相前行波之前（数微秒内）的波形特征，是否有与前行波极性相反、幅值较小（小于前行波幅值的1/3）的脉冲：若有，判断为反击；若无，判断为绕击。利用EMTP进一步全面计算绕击与反击的情形，通过改变雷电流大小及观测点位置，在不同相闪络、多相闪络情况下，观察故障相电流行波的暂态特征，典型仿真波形如下图所示。(a)绕击波形(b)反击波形图 典型故障相行波波形典型故障相电流行波实测波形如下图所示：（a）绕击波形(b)反击波形 图 典型故障相电流行波实测波形2. 输电线路在线监测终端：（1）4G

10、图像及数据采集主机；（2）数字探测部分：包括云台高速摄像机单元，电流检测单元（3）供电部分：太阳能电池板单元、高性能聚合物电池单元、充放电控制器单元；（4）配件部分：主机防高磁高压箱、云台摄像机屏蔽箱、相关结构配件等。3.输电线路故障信息传输:4G无线公网数据传输技术是第四代移动通信技术的简称是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术，是一项全新的网络技术，可以为治安防控提供视频图像和声音，同步实现数据的远程采集、传输、储存和处理功能，具有传输距离远、速度快、抗干扰能力强、无需铺设电缆、投资成本低等优势。数据传输原理如下图所示，在移动4G信号覆盖区域内，充分利用4G公共网络通信平台，实现中心对多点

11、的数据传输；在无移动信号覆盖区域内，可以借助无线数传电台，通过无线与无线的接力，实现数据传输。远程图像数据采集主机是整个系统的心脏，是开发设计的关键，集图像数据采集压缩编解码技术及4G无线公网数据传输技术等关键技术，本项目采用H.264+优化压缩编码技术、单卡4G通道传输技术、网络编码自适应技术等技术；基于高性能DSP平台,采用ARM嵌入式设计思路,支持多种网络传输协议,支持动态域名解析可与PPPOE上网链路轻松接入；支持双向语音传输,支持高清视频传输，支持图片实时抓拍，解决超远距离无线图像传输的问题。其主要包括： H.264+优化后压缩编码技术；多线程处理等技术；网络编码自适应技术；流媒体转

12、发技术；数字模糊算法模型技术等。4.信息处理系统：包括服务器软件和客户端软件视频和数据采集主机将摄像头视频数据经过数字化、压缩编码后，通过GPRS/EDGE/CDMA1X/3G EVDO/WCDMA/4G无线网络、internet网送到监控中心，在监控中心上对视频流和数据信号进行解码，即可看到摄像头拍摄的现场视频画面，将外力破坏数据等线路数据通过数字和图表形式直观显示在屏幕上。具体为，通过远程数据图像采集器采集模拟视频信号及外力破坏数据然后把图像数据及数据进行数字化压缩编码，最后利用GPRS/EDGE/CDMA1X/3G EVDO/WCDMA/4G无线传输模块将图片及现场数据以IP包的方式发送

13、到数据监控服务器。监控服务器和监控客户端分别是装有远程监控服务端软件和客户端软件的PC机，它们都连接在互连网络上，由于远程图像及数据采集器没有固定的IP地址，所以客户端主动去浏览监控图像和设置监控参数都是通过服务器来中转的。 监控中心通过图像及数据监控客户端实时浏览观测各监控点的现场情况，维护监控人员通过从现场发送来的视频、图片及数据进行分析比对，如出现异常的预警信息，即立刻做出相应的应急处理，以确保高压线路的安全运行。六、拟采取的研究方法和技术路线（一）研究方法1、调研确立需求：组织输电线路管理及维护相关人员调研，整理详细需求；2、研读相关资料：资料收集国内外相关技术研究资料，学习、消化、吸

14、收、借鉴国内外优秀成果；3、确立可行方案：组织讨论项目的可行性，确立可行性方案；4、设备设计实验：组织研发人员设计、开发硬件设备；5、软件设计实验：组织研发人员设计、测试软件设备6、建立试验点：最重要建立试验点，在实际环境中测试数据，不断修正改良，直至稳定。7、时时跟踪，实施完善。8、项目总结与验收。（二）技术路线输电线路在线监测系统是在传统监测监控系统的基础上，结合当前无线数据通信技术和信息处理技术而发展起来的新型监控系统。一般而言，现有的无线远程监控系统，大都符合“控制中心监测站”的构建模式。控制中心是整个系统运作的核心，负责收集各监测站上传的监测信息，发送各种操作命令以控制监测站的行业。

15、监测站被布放于远离控制中心的各监测点处，负责完成信息的采集和响应控制中心发出的控制命令。控制中心可用普通微机、工作站或工控机实现，软件开发可靠基于现有的Windows或Unix操作系统。监测站的设计实现可根据不同的应用目的和应用环境，采用特定的技术形式，比如单片机、DSP或者Intel X86系列的微处理器等。无线远程监控系统的组网方式也很灵活，可利用现有的无线通信网，如GSM/GPRS网络、CDMA移动网络等，也可单独搭建专门的无线局域网。下面系统地讨论无线远程监控系统设计开发时涉及到的一些核心技术，主要包括三个方面：监测站的设计开发、无线网络的组建和控制中心的软件设计。1、远端站的设计实现

16、 远端站的设计与实现是整个无线远程监控系统研制开发的重点，远端站对信息数据处理的能力和精度将影响整个系统的最终性能。在整个开发过程中，远端站的设计是工作量最大、所需时间最长的一部分。监测站处于工作现场，只完成数据的采集、处理和控制，任务相对单一、固定，无须用詙大的台式机来完成；考虑到节能和布放方便，远端站为嵌入式系统。根据整个无线远程监控系统所要实现的功能，和对数据处理与对传感器控制能力的要求，远端站设计的复杂程度和采用的具体技术是不一样的。基于DSP的设计实现方式：众所周知，DSP的数字处理方面能力较强，技术已经很成熟，能处理各种运算的通用、专用芯片也很多。以DSP为核心设计开发的监测站，可

17、以完成高速率数据处理，保证系统实时性方面的要求。这类设计方案一般适用于数据处理运算量比较大，实时性要求高而对控制能力要求相对较低的监控系统。与以单片机为基础的监控系统不同的是，DSP除了作控制器以外，还可兼作数据计算、编/解码之用。对于较复杂的编/解码以及压缩解压运算（比如对图像视频数据的处理等）是否仍由DSP完成，须综合考虑。若DSP在系统控制和实现传输协议方面负担太重，则这部分运算需要由专门的处理芯片完成；若系统控制和传输协议较简单，或根本没有到上层协议栈，则这部分复杂的运算可由DSP完成。2、无线通信的设计实现无线通信的设计相对于监测站而言较简单，有许多现有的产品和通信系统可以利用，重点

18、只是在于从多种实现方式中作出最优的选择。常用的实现方式有：利用现有的通信网络（GSM/GPRS、CDMA移动网等）和相应的无线通信产品；通过无线收发设备，如无线Modem，无线网桥等专门的无线局域网；利用收发集成芯片在监测站端实现电路板级与监控中心的无线通信。利用现有网络实现监测站与监控中心的无线通信现有的通信网络较多，按业务建网是3G以前通信网络的特点，无线网络也不例外。设计无线远程监控系统可以借用的无线网络主要有：全球数字移动电话系统（GSM）、通用分组无线业务（GPRS）、采用码分多址（CDMA）技术的移动网、蜂窝式数字分组数据（CDPD）系统。GSM（Global System for

19、 Mobile）是全球最主要的2G标准，能够在低服务成本、低终端成本条件下提供较高的通信质量。就其业务而言，GSM是一个能够提供多种业务的移动ISDN（Integrated Services Digital Network，综合业务数字网络）。GPRS（General Packet Packet Radio Service）在现有的GSM网络基础上增加一些硬件设备和软件升级，形成一个新的网络逻辑实体。它以分组交换技术为基础，采用IP数据网络协议，提高了现有的GSM网的数据业务传输速率，最高可达170kb/s。GPRS把分组交换技术引入现有GSM系统，使得移动通信和数据网络合二为一，具有“极速传

20、送”、“永远在线”、“价格实惠”等特点。CDMA（Code Division Multiple Access）网络采用扩展频谱技术，使用多种分集接收方式，使其具有容量大、通信质量好、保密性高和抗干扰能力强等特点。3、控制中心的设计实现控制中心的设计相对于监测站的设计开发来讲较为简单，硬件设计少，除了普通微机（或工作站、工控机）外，还需要网络接入设备（若无线通信采用自行设计的模块实现，则须开发专用的无线网卡插入微机主板的预留总线插槽中）。控制中心的设计开发主要集中在应用软件的设计开发上，一般是基于Windows和Unix等常用操作系统的。当前用于此类软件开始、调试的工具较多，且功能强大，给控制中心软件的设计带来便利。就软件的实现形式而言，一般除了界面模块外，其余各个功能模块均可设计成动态连接库文件(.DLL)。人机接口界面模块可以为该无线远程监控系统的实际应用进行定制，以满足用户在界面美观、操作方便等方面的特殊要求。采用C/C 语言在VC 开发环境下设计这样的系统软件涉及到的技术较多，包括内存管理、网络通信、多线程管理和数据库编程，甚至Active.X等。七、本项目已具备的条件1、项目组人员（1）项目负责人_，具有多年的运行、管理和维护方面的经验。（2）项目组成员_，曾在综合管理处工作，具有多年