MACROBUTTONMTEditEquationSection2SEQMTEqn\r\hSEQMTSec\r1\hSEQMTChap\r1\h北斗系統在電力系統行波法故障定位中的應用研究電力系統中的行波故障定位在電力系統中，輸電線路經常發(fā)生各種故障，由于線路很長，并且很多線路地形復雜，尋找故障地點就非常費時費力費錢。輸電線故障定位早有研究,尤其是隨著計算機技術的應用，微機保護和故障錄波裝置的開發(fā)及大量投運，更加速了故障測距的實用化進程。傳統故障測距方法利用電壓除以電流得到阻抗，然后根據線路參數估計故障距離，由于線路故障大多非金屬短接，過渡阻抗無法確定，因此誤差很大。應用較為成熟的是光纖差動的方法，但光纖法要鋪設光纖通道或租用電信光纖通道，要額外付費且不能自主控制，只能檢測故障但不能定位。輸電線路故障定位按其工作原理分為阻抗法、行波法兩種。故障定位技術可以根據線路故障時的故障特征迅速準確地進行故障定位，不僅有利于線路及時修復，保證可靠供電，大大減輕人工巡線的艱辛勞動，而且對電力系統的安全穩(wěn)定和經濟運行都有十分重要的作用。行波故障定位算法發(fā)展現狀及存在的問題早在20世紀40年代,國外學者就已根據行波理論提出了利用行波進行輸電線路故障定位的思想。現在，行波法已經成為研究熱點。行波法分為A,B,C,E四種方法，此處主要介紹A型和B型定位算法。A型定位方法原理與算法A型定位原理利用故障點產生的行波，根據測量點到故障點往返一次的時間和行波波速確定故障點距離。根據這種原理研制的定位裝置簡單,只需在線路一端裝設，不要求與線路對端通信聯系，隨著現代微電子技術的飛躍發(fā)展和對行波傳播規(guī)律的進一步認識，A型定位原理逐漸引起人們的興趣和關注。基于A型的測距算法即利用單端數據算法目前主要有以下三種：算法一:利用故障點行波的反射波進行測距。該方法利用在檢測點檢測到的兩個相鄰線模波頭之間的時間差進行故障定位。如圖1所示簡單系統，在f點發(fā)生故障后,暫態(tài)行波分別向R，S運動，到達R，S后,暫態(tài)行波將發(fā)生反射,反射波經故障點再到R，S,所以在R，S點將檢測到2個波頭，設在R點測到2個波頭之間的時間差為Δt，行波速度為v1，由此可得到R點到故障點之間的距離。 圖1行波故障測距示意圖但是,在這種方法中,在單相接地故障的情況下,行波的第2個波頭很難測到,原因是線路上的電阻使行波衰減,第2個波頭在故障點和檢測點之間來回2趟,衰減更厲害。算法二:電力系統故障(接地故障)后，線模和零模將以不同的速度向檢測點傳播，而理論分析證明，線模波速和零模波速可以用線路的正序參數和零序參數計算。所以，只要準確找出到達檢測點線模和零模波頭之間的時間差就可以算出故障位置。仍以圖2為例，設v1為線模速度,v0為零模速度,線模分量到達R點的時刻為tR1，到達S點的時刻為tS1；零模分量到達R點的時刻為tR2，到達S點的時刻為tS2，故障時刻為t。則在R點對于線模分量有: 在R點對于零模分量有: 其中:t和x是未知量,消去t得: 此算法利用第一次到達檢測端的零模分量計算,波頭衰減少,易于檢測,結果誤差小。算法三:t1為故障初始行波到達R端的時刻,t2為故障點反射波到達R端的時間，t3為對端母線反射波到達R端時刻,t0為故障發(fā)生的絕對時刻,考慮聯立方程: 其中，，是未知參數，可聯立求解得： 這種算法可以消除波速的影響，理論上計算精度高，但存在各波頭到達時間準確檢測問題。B型定位方法原理與算法B型定位原理利用故障點產生的行波到達線路兩端的時刻并借助通信聯系實現故障定位。它利用故障點產生的行波第一次到達兩端的信息,不受故障點透射波等因素影響,這種方法要求線路兩端測量系統有精確到微秒的同步時鐘,要求有通信聯系交換對側數據。全球衛(wèi)星定位系統(GPS)是一種理想的時間同步技術,利用基于GPS的同步時鐘輸出,能夠實現兩端測距裝置1μs精確同步。隨著GPS技術在電力系統中的應用,線路兩端的同步采樣已成為現實,并且隨著數字光纖通信技術的發(fā)展在電力系統中的廣泛應用,線路兩端的數據交換也已成為可能?；贐型原理的測距算法主要有以下兩種:算法一:在線路發(fā)生故障后,不管線路的結構、衰減及畸變如何,到達母線處的第一個行波波頭都是最強烈和最明顯的,因此很容易準確定位。仍以圖2為例,在S點對于線模分量有: 由上式可得 算法二:利用波速的測距算法的基礎是線模波速受各種因素的影響很小,或者說線模波速的波動在工程誤差的范圍之內。研究認為：無論哪種模波，在線路上傳播的速度是不確定的，各模量的波速度受氣候和線路的運行條件影響很大?；诖?，提出了消去波速的測距算法(仍以圖1為例)。設,,。由雙端測距公式得: 由式GOTOBUTTONZEqnNum131513REFZEqnNum131513\*Charformat\!(1.9)、式GOTOBUTTONZEqnNum834346REFZEqnNum834346\*Charformat\!(1.10)解出線模和零模波速為: 代入式GOTOBUTTONZEqnNum611047REFZEqnNum611047\*Charformat\!(1.11)得測距公式： 這種方法的優(yōu)點是完全消除了波速變化對測距的影響,但是仍然使用了零模的第1個波頭,仍然存在零模衰減的問題,而且也需要雙端數據交換通道和同步對時設備。四種行波故障定位算法比較及存在問題A型和B型測距方法比較A型算法的單端測距算法精度高,但反射波波頭很難準確檢測到,容易誤判,實現起來很復雜,對于檢測反射波的問題總結如下:1)當檢測母線上接有三回及以上進出線時,初始行波和故障點反射波都比較強烈，測距容易實現；當檢測母線上接有兩回進出線時,初始行波比較強烈,故障點反射波很微弱；只有故障線路的母線上,反射將明顯減弱,單端測距可能失敗。2)故障點的過渡電阻越大,反射將越弱。3)當對端母線距故障點較近時,對端母線的反射波將透過故障點先于本端的反射波到達檢測母線。4)當相鄰母線和檢測點之間的距離比故障點到檢測點之間的距離近時,相鄰母線的反射波將先于故障點的反射波到達檢測點。再加上零模波頭必將先于本端反射波到達檢測母線以及電力系統本身的噪聲等原因,很難準確判斷第二個波頭到達的時間。算法二中利用線模和零模分量的第一個波頭,行波衰減小,易于判斷波頭到達的準確時間,而且只要線路參數準確,計算精度相當高。但是零模速度是否受天氣因素的影響,影響多大,尚需進一步討論；另一方面,零模分量在線路上的衰減情況如何,也需要進一步研究。B型算法利用行波的第一個波頭,衰減小,易于檢測到?？梢圆豢紤]故障的過渡電阻以及母線的反射條件,使我們能夠更加準確地判斷故障距離。但是,算法利用雙端數據,因此要求測距裝置必須有兩端數據的交換通道和兩端時間同步設備(GPS),這樣就增加了裝置的生產成本,不利于測距裝置的推廣應用。算法二雖然不用考慮速度的影響,但其測距精度并沒有明顯的提高,而且比算法一要多采集零模的數據。因此作為雙端行波測距方法,算法一應該是優(yōu)先考慮的方法。C型定位方法原理與算法C型定位原理在故障發(fā)生后由裝置發(fā)射高壓高頻或直流脈沖信號,根據高頻脈沖從裝置至故障點往返時間進行定位。C型故障定位方法的優(yōu)勢在于:首先,它不需要在各條線路裝設采集裝置;其次,該方法在進行故障定位時可以重復地判斷,對于某些因素(如其它大的干擾)某一次接收到的信號不能清楚分析出故障點位置,可以重新發(fā)一個行波信號再進行一次定位,而其它實時定位的方法中故障點處產生的行波是不可重現的;再次,這種方法不需要在每條線路都安裝設備,極大地節(jié)省了投資。利用重合閘的單端電流行波E型定位方法原理與算法利用單端電流行波的故障測距不僅可由因故障擾動而在故障點產生的暫態(tài)行波構成,也可由線路開關合閘于故障線路所產生的暫態(tài)行波構成。這一點對于裝設有重合閘裝置的高壓輸電線路尤為有用,它可以補救因故障發(fā)生在電壓初始角為零或很小時造成的測距失敗。設線路發(fā)生了故障,在繼電保護作用下,開關將跳開故障線路,之后在重合閘作用下,開關將重新閉合。若故障未消失,則由開關重合所產生的初始行波經延時τ后到達故障點,在故障點行波又反射回檢測母線,其時間間隔仍為Δt。顯然，此Δt也包含有故障距離信息，同樣可用于測距。測距公式同A型測距原理中算法一的公式。結合A、B、E測距方法,利用暫態(tài)電流行波的輸電線路故障測距裝置目前已有單位研制成功并投入現場試運行。電力電纜故障定位隨著我國經濟的飛速發(fā)展,城市規(guī)模不斷擴大,電力電纜獲得了越來越廣泛的應用。在運行中,電力電纜也會發(fā)生故障,快速切除故障并排除故障對提高電力系統供電可靠性和穩(wěn)定性具有決定性作用。電纜故障一般分為:開路故障、低阻故障和高阻故障三種類型。脈沖電壓法首先將電纜故障在直流或脈沖高壓信號下擊穿,然后通過記錄放電脈沖在測量點與故障點往返一次所需的時間來測距。包括直流高壓閃絡測量法(直閃法)和沖擊高壓閃絡測量法(沖閃法)。脈沖電流法通過記錄測量故障點擊穿時產生的電流行波信號,在故障點與參考點往返一次所需的時間來測距。這種方法用互感器將脈沖電流耦合出來,波形較簡單,較安全。也包括直閃法及沖閃法兩種類型。一種基于小波重構的電力電纜故障測距方法把脈沖電源作用下故障相與健全相的電流差作為測量信號,利用小波變換對其作多尺度分解,然后對信號在高頻下進行單支重構。與傳統的行波測距方法相比,該方法不受電纜分支接頭或其他阻抗不匹配點反射波的干擾,不受故障類型的影響,在近區(qū)也不存在無法識別反射波的問題,同時也減少了波速不確定性對測距精度的影響。美國學者為克服高壓脈沖法有可能對電纜的健全部分進一步造成危害的缺陷,也提出了在線故障測距方法。但其出發(fā)點是將環(huán)形線路開路或在線路末端設置開路點,利用故障時產生的浪涌電壓或電流在開路點發(fā)生正或負的全反射,通過設于開路點附近的傳感器得到脈沖信號,測出其脈沖間隔時間實現測距。但這種方法在實際電網中存在局限性。另外,日本學者還提出了利用分布式光纖溫度傳感器(FODT),通過檢測故障點附近溫度變化情況來實現電纜故障定位的新方法。英國學者則提出了利用基于脈沖電流法的實時專家系統來實現電纜故障定位。此外，近些年發(fā)展起來的行波法可以對故障進行檢測和定位，速度稍快些，分單端和雙端，單端定位是利用故障點傳向母線第一行波與故障點的反射行波之間的時間差計算故障位置，由于行波在各個一次設備、各條線路的連接處的反射、折射和衰減，使得故障點反射行波波頭的辨識變得復雜；雙端定位則只利用行波第一波頭達到線路兩端的時刻進行計算，只需捕捉行波第一波頭，不用考慮行波的反射與折射，行波幅值大，易于辨識，提高了定位精度，但這種方法現場存在采樣率較高、無法辨識近距離故障行波、無法檢測發(fā)生在電壓過零附近時刻接地的故障等問題，以及由于GPS短時失步、衛(wèi)星信號調整、天線干擾等導致時鐘信號失真而引起定位失敗。因而，目前這種方法還不太成熟，有待進一步完善。北斗系統相對于GPS的定位功能來說，GPS的定時功能在電力系統中的應用更加重要和普遍。電力系統中如微機保護及安全自動化系統、遠動及微機監(jiān)控系統、調度自動化系統、故障錄波器、事故記錄儀等許多自動化裝置，都需要一個精確的時間標準，而且隨著電力系統的發(fā)展，對時間標準的精確度也提出了更高的要求。傳統的定時方式有兩種：（1）電網調度中心通過通信通道同步系統內各個電站的時鐘，這種方式需要專用的通信通道，由于從調度中心到達各個電站的距離不一樣，通信延時也不一樣，因此只能保證系統時鐘在毫秒級誤差的水平；（2）利用廣播、電視、天文臺等的無線報時信號，這種方式一般一個小時報送一次，一個小時內會積累較大的誤差，同樣還由于信號傳播延時，時間誤差較大，很難達到毫秒級，此外還容易受到電站內的電磁干擾影響。GPS為電力系統時鐘同步提供了新的技術保證。就算廣泛應用于民用的GPS粗碼，理論上定時精度可以達到0.1微秒，現在市場上銷售的接收機的定時精度都可以達到1微秒，遠遠超過了傳統的定時方式。利用GPS同步電力系統的時鐘，必將是電力系統主要的定時方式，同時也為電力系統的發(fā)展奠定了堅實的基礎。北斗系統簡介北斗系統是中國自主知識產權的全天候全天時提供衛(wèi)星導航定位信息的區(qū)域導航系統,具有快速定位、簡短通信和精密授時三大主要功能。衛(wèi)星導航系統通常由三部分組成：導航授時衛(wèi)星、地面檢測校正維護系統和用戶接收機。對于北斗一號局域衛(wèi)星系統，地面檢測中心要幫助用戶一起完成定位授時同步。其中水平定位精度100m,差分定位精度小于20m。簡短通信功能有用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間雙向報文通信能力,一次可傳輸36個漢字。精密授時有單向和雙向兩種功能,時間同步精度分別為100ns和20ns。北斗系統是由太空的導航通信衛(wèi)星、地面控制中心和客戶端3部分組成:太空部分有2顆地球同步軌道衛(wèi)星,執(zhí)行地面控制中心與客戶端的雙向無線電信號的中繼任務;地面控制中心包括民用網管中心,主要負責無線電信號的發(fā)送接收,及整個系統的監(jiān)控管,其中,民用網管中心負責系統內民用用戶的標記、識別和運行管理;客戶端是直接由用戶使用的設備,即用戶機,主要用于接收地面控制中心經衛(wèi)星轉發(fā)的測距信號。北斗與GPS的比較覆蓋范圍。北斗系統覆蓋了中國及周邊國家和地區(qū),不僅可為中國、也可為周邊國家服務,沒有通訊盲區(qū)。GPS是覆蓋全球的全天候導航系統,能夠確保地球上任何地點、任何時間能同時觀測到4~11顆衛(wèi)星。由于衛(wèi)星信號和周圍環(huán)境對GPS的使用影響較大,在某些地區(qū),特別是市區(qū)內高樓密集地區(qū),GPS信號接收很差,有些根本沒有信號。授時脈沖的同步性能。授時脈沖的同步性能體現在上升沿同步精度和上升沿斜率兩方面。北斗系統的授時工作方式與GPS不同,GPS每秒可獲得一次衛(wèi)星星歷電文,秒脈沖的誤差服從正態(tài)分布,鎖住的可用衛(wèi)星達到四顆以上時,授時脈沖的1σ精度在100ns以內;當鎖住的可用衛(wèi)星少于四顆時,解算方程組的信息不夠充分,授時精度將有所降低;北斗系統單向無源授時只要鎖住一顆可用衛(wèi)星,即可獲得授時信息,北斗星歷電文的更新率1次/min,分脈沖的授時精度服從正態(tài)分布,授時脈沖的精度在100ns以內,秒脈沖由授時卡根據星歷信息再處理獲得,精度在300ns以內。通訊功能。北斗系統同時具備定位與雙向通信能力,可以獨立完成移動目標的定位與調度功能,不需要其他通訊系統支持。而GPS只能定位。用戶容量。北斗系統由于是主動雙向測距的詢問-應答系統,用戶設備與地球同步衛(wèi)星之間不僅要接收地面中心控制系統的詢問信號,還要求用戶設備向同步衛(wèi)星發(fā)射應答信號,這樣,系統的用戶容量取決于用戶允許的信道阻塞率、詢問信號速率和用戶的響應頻率。因此,北斗導航系統的用戶設備容量是有限的。GPS是單向測距系統,用戶設備只要接收導航衛(wèi)星發(fā)出的導航電文即可進行測距定位,因此GPS的用戶設備容量是無限的。生存能力。和所有導航定位衛(wèi)星系統一樣,北斗系統對中心控制系統的依賴性明顯要大,因為定位解算在地面控制中心,而不是由用戶設備完成的。為了彌補這種系統易損性,GPS正在發(fā)展星際橫向數據鏈技術,使萬一主控站被毀后GPS衛(wèi)星可以獨立運行。而北斗系統從原理上排除了這種可能性,一旦中心控制系統受損,系統就不能繼續(xù)工作了。數據的共享性。由于北斗系統是雙星系統,因此,用戶接收器只能測得二維(平面)的定位數據。地面中心制系統根據地圖數據庫提供的高度數據解算,供用戶三維(平面和高度)定位數據。若控制中心的數值地圖數據庫數據不夠準確,定位出的位置數據就會有問題。而GPS采用的是地心坐標系,數據的共享程度比較高。自主性。北斗導航系統由中國自主控制,安全、可靠、穩(wěn)定,保密性強,適合關鍵部門應用。GPS系統則由美國軍方控制。性能價格比。北斗系統使用的衛(wèi)星是同步軌道衛(wèi)星,其落地信號功率很小,因此,用戶機需要有較大天線(直徑達20cm)才能接收信號,而且因“有源應答”運作方式,所以,用戶機還要包含發(fā)射機,因此在體積、重量、耗電量,甚至價格都遠比GPS接收機大。北斗系統授時原理北斗一號系統授時原理：授時是指接收機通過某種方式獲得本地時間與北斗標準時間的鐘差，然后調整本地時鐘使時差控制在一定的精度范圍內。北斗授時系統圖示2。圖2北斗一號授時系統工作示意圖在北斗導航系統中，授時用戶根據衛(wèi)星的廣播或定位信息不斷的核準其時鐘鐘差，可以得到很高的時鐘精度；根據通播或導航電文的時序特征，通過計數器，可以得到高精度的同步秒脈沖1pps信號，用于同/異地多通道數據采集與控制的同步操作?！氨倍芬惶枴睘橛脩魴C提供兩種授時方式：單向授時和雙向授時。單向授時的精度為100ns，雙向授時的精度為20ns。在單向授時模式下，用戶機不需要與地面中心站進行交互信息，只需接收北斗廣播電文信號，自主獲得本地時間與北斗標準時間的鐘差，實現時間同步；雙向授時模式下，用戶機與中心站進行交互信息，向中心站發(fā)射授時申請信號，由中心站來計算用戶機的時差，再通過出站信號經衛(wèi)星轉發(fā)給用戶，用戶按此時間調整本地時鐘與標準時間信號對齊。單向授時北斗時間為中心控制站精確保持的標準北斗時間，用戶鐘時間為用戶鐘的鐘面時間，若兩者不同步存在鐘差，則北斗時間和用戶鐘時間雖然讀數相同其出現時刻卻是不同的。地面中心站在出站廣播信號的每一超幀單向授時就是用戶機通過接收北斗通播電文信息，由用戶機自主計算出鐘差并修正本地時間，使本地時間和北斗時間同步。周期內的第一幀數據段發(fā)送標準北斗時間（天、時、分信號與時間修正數據）和衛(wèi)星的位置信息，同時把時標信息通過一種特殊的方式調制在出站信號中，經過中心站到衛(wèi)星的傳輸延遲、衛(wèi)星到用戶機的延遲以及其它各種延遲（如對流層、電離層、sagnac效應等）之后傳送到用戶機，也就是說用戶機在本地鐘面時間為觀測到衛(wèi)星的時間，由用戶機測量接收信號和本地信號的時標之間的時延獲得，后則根據導航電文中的衛(wèi)星位置信息、延遲修正信息以及接收機事先獲取的自身位置信息計算。一般來說，對已知精密坐標的固定用戶，觀測1顆衛(wèi)星，就可以實現精密的時間測量或者同步。若觀測2顆衛(wèi)星或者更多衛(wèi)星，則提供了更多的觀測量，提高了定時的穩(wěn)健性。圖3

北斗一號單向授時機原理框圖雙向授時雙向授時的所有信息處理都在中心控制站進行，用戶機只需把接收的時標信號返回即可。為了說明方便，給出簡化模型：中心站系統在T0時刻發(fā)送時標信號ST0，該時標信號經過延遲后到達衛(wèi)星，經衛(wèi)星轉發(fā)器轉發(fā)后經到達授時用戶機，用戶機對接收到的信號進行的處理也可看做信號轉發(fā)，經過空間的傳播時延到達衛(wèi)星，衛(wèi)星把接收的信號轉發(fā)，經過空間的傳播時延傳送回中心站系統。也即表示時間T0的時標信號ST0，最終在T0++++時刻重新回到中心站系統。中心站系統把接收時標信號的時間與發(fā)射時刻相差，得到雙向傳播時延+++，除以2得到從中心站到用戶機的單向傳播時延。中心站把這個單向傳播時延發(fā)送給用戶機，定時用戶機接收到的時標信號及單向傳播時延計算出本地鐘與中心控制系統時間的差值修正本地鐘，使之與中心控制系統的時間同步。圖4

北斗一號雙向授時機原理框圖雙向授時和單向授時的對比（1）從雙向授時和單向授時的原理：介紹中可以看出，雙向授時和單向授時的主要差別在于從中心站系統到用戶機傳播時延的獲取方式：單向授時用系統廣播的衛(wèi)星位置信息按照一定的計算模型由用戶機自主計算單向傳播時延，衛(wèi)星位置誤差、建模誤差（對流層模型、電離層模型等）都會影響該時延的估計精度，從而影響最終的定時精度；雙向授時無需知道用戶機位置和衛(wèi)星位置，通過來回雙向傳播時間除以2的方式獲取，更精確的反映了各種延遲信息，因此其估計精度較高。在北斗系統中單向授時精度的系統設計值為100ns，雙向授時為20ns，實際授時用戶機的性能通常優(yōu)于該指標