行波测距和故障录波一体化装置以及实现方法与流程

本申请涉及电力领域，具体而言，涉及一种行波测距和故障录波一体化装置以及实现方法。

背景技术：

随着电网规模日益扩大,以及输电电压等级的提髙和输电距离的增加,电网架构日益复杂化，发生故障的可能性也不可避免的增加。近年来广泛投运的故障录波装置对输电线路故障后快速、准确地进行全面分析，判断出故障类型，定位及排除故障点起到了积极的作用,减少了因停电造成的损失，提高了电力系统运行的安全性、可靠性。同时，常规的故障录波装置也暴露出了一些功能缺陷。

比如，发明人发现故障录波装置的采样频率偏低。在电力系统故障、操作、雷电等扰动过程中，电压电流包含丰富的高频分量，蕴含大量的系统信息，信号频率高达500khz到5mhz。对这些高频信息进行提取、分析，可以实现对系统结构、参数的快速辨识，实现电力系统的高速暂态分析及控制。故障录波器采样速率一般为1至10khz，其主要是用来记录系统大扰动引起的系统工频电流、电压及其导出量的变化，无法记录高频分量丰富的电力系统暂态信号。

又比如，发明人还发现故障录波装置的测距精度不足。故障录波装置通常采用阻抗测距算法，在实际运行中测距误差较大。

此外，为提高行波捕获的准确性，现有的行波测距系统通常采用双端测距方法，需要双端数据通讯和同步对时设备，同时须在线路两侧各安装一套行波测距装置。这也限制了设备的推广和普及，以至在很多110kv及以下变电站没有安装行波测距装置。

针对相关技术中测量精度和采样频率较低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本申请的主要目的在于提供一种行波测距和故障录波一体化装置以及实现方法，以解决测量精度和采样频率较低的问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种行波测距和故障录波一体化装置。

根据本申请的行波测距和故障录波一体化装置包括：

故障录波单元，用于采集电力系统中发生电路故障时电气量、非电气量以及开关量并进行录波，

行波信号处理单元，用于通过对行波信号进行分析判断出故障类型，在通过行波信号到达两端装置的时间差计算出到故障点的距离；

嵌入式系统与所述行波信号处理单元连接，用于计算输电线路故障发生电路故障时的故障点位置；

嵌入式系统与所述故障录波单元连接，用于对故障时录下的波形数据进行存储；

嵌入式系统还包括：预设功能接口，用于提供数据输入或数据输出。其中，通过嵌入式系统可以对故障录波单元和行波信号处理单元内的数据或信号进行整合、存储和显示，提供人机交互接口，方便用户进行查看和操作。

进一步地，所述行波信号处理单元包括：超高速电量隔离变送器和行波整形分析电路，行波信号通过所述超高速电量隔离变送器转换成互相电隔离的电压、电流信号或数字编码信号；并经过所述行波整形分析电路后输入到所述嵌入式系统。

进一步地，在嵌入式系统中预置行波及阻抗测距算法，用于采用单端阻抗测距法初步定位故障点；根据初步定位故障点得到故障点大致范围对采集到行波波头到达时刻进行有选择性的过滤，选出真实的故障行波波头和线路对端反射波头，得出精确故障点位置。

进一步地，所述行波信号处理单元还包括：小型行波传感器，所述小型行波传感器为采用罗氏空心线圈的高性能抗扰动行波传感器。

进一步地，在所述嵌入式系统和所述故障录波单元之间还配置有高速dsp采集板，所述高速dsp采集板用于用于进行14bit，20mhz的高速高精度数据采样。

进一步地，所述故障录波单元包括：直流信号变送器，其用于处理高频直流信号故障的直流信号变送器，其通过采集板与所述嵌入系统连接；

在所述嵌入式系统采集记录高频暂态波形，并记录行波波头波形和到达时刻。

进一步地，其用于110kv及以下的输电线路电力系统。

进一步地，所述故障录波单元包括：电流隔离变送器，其用于处理ct回路故障的信号或数据，并通过采集板与所述嵌入系统连接；电压隔离变送器，其用于处理pt回路故障的信号或数据，并通过采集板与所述嵌入系统连接；开入隔离电路，其用于处理开关量故障的信号或数据，并通过采集板与所述嵌入系统连接；开出隔离电路，其用于处理开出节点故障的信号或数据，并通过采集板与所述嵌入系统连接。

进一步地，所述预设功能接口包括：输出接口、输入接口、时钟同步接口、储存接口、通信接口。

为了实现上述目的，根据本申请的另一方面，提供了一种行波测距和故障录波一体化的实现方法。

根据本申请的行波测距和故障录波一体化的实现方法包括：采集电力系统中发生电路故障时电气量、非电气量以及开关量并储存故障波数据；测量电压或电流行波在故障点的距离，并处理输电线路故障发生电路故障时的故障点位置；接收输入指令，并输出故障点位置定位结果。

在本申请实施例中，采用故障录波单元，用于采集电力系统中发生电路故障时电气量、非电气量以及开关量的方式，通过行波信号处理单元，用于测量电压或电流行波在故障点的距离，达到了嵌入式系统与所述行波信号处理单元连接，用于处理输电线路故障发生电路故障时的故障点位置；嵌入式系统与所述故障录波单元连接，用于储存故障波数据；嵌入式系统还包括：预设功能接口，用于提供数据输入或数据输出的目的，从而实现了对故障点位置精确定位和高精度故障波采样的技术效果，进而解决了测量精度和采样频率较低的技术问题。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请一实施例中行波测距和故障录波一体化装置；

图2是根据本申请优选实施例中的行波测距和故障录波一体化装置；以及

图3是根据本申请实施例的行波测距和故障录波一体化方法示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本申请中的一体化装置，通过结合故障录波工作原理，对行波测距理论和技术进行系统的阐述和深入的研究，并结合工程实际。本申请一体化装置具备常规故障录波装置和行波测距装置的全部功能，并能采集存储高频暂态波形，在系统线路故障时，从暂态波形中分析提取有效的行波信息，并结合故障录波的系统动态波形进行行波及阻抗测距的综合测距分析，实现输电线路故障精准定位。对非系统线路故障或操作时的高频暂态波形进行分析，开展对雷击定位、绝缘放电、闪络的电力数据积累。

如图1所示，本申请实施例的行波测距和故障录波一体化装置包括：故障录波单元10，用于采集电力系统中发生电路故障时电气量、非电气量以及开关量并进行录波，行波信号处理单元20，用于通过对行波信号进行分析判断出故障类型，在通过行波信号到达两端装置的时间差计算出到故障点的距离；嵌入式系统100与所述行波信号处理单元20连接，用于计算输电线路故障发生电路故障时的故障点位置；嵌入式系统100与所述故障录波单元10连接，用于对故障时录下的波形数据进行存储；嵌入式系统100还包括：预设功能接口30，用于提供数据输入或数据输出。

本申请实施例的故障录波单元10中是在电力系统发生故障时，可自动、准确记录在故障前、后过程中电气量和非电气量以及开关量的自动记录设备。故障录波单元10启动是靠故障特征明显的电气量，有电流、电压突变量；电流、电压越限；频率变化量及开关量的等。

作为本实施例中的优选，所述故障录波单元10包括：用于处理ct回路故障的电流隔离变送器，其通过采集板与所述嵌入系统连接；用于处理pt回路故障的电压隔离变送器，其通过采集板与所述嵌入系统连接；用于处理开关量故障的开入隔离电路，其通过采集板与所述嵌入系统连接；用于处理开出节点故障的开出隔离电路，其通过采集板与所述嵌入系统连接。

作为本实施例中的优选，所述故障录波单元10包括：用于处理高频直流信号故障的直流信号变送器，其通过采集板与所述嵌入系统连接；在所述嵌入式系统采集记录高频暂态波形，并记录行波波头波形和到达时刻。具体地，本申请的一体化装置，不仅能够采集基于工频量的系统动态过程，还能采集记录高频暂态波形，记录行波波头波形和到达时刻。通过对非系统线路故障或操作时的高频暂态波形进行分析，开展对雷击定位、绝缘放电、闪络的数据积累和前期研究。

作为本实施例中的优选，所述故障录波单元10包括：用于处理高频直流信号故障的直流信号变送器，其通过采集板与所述嵌入系统连接；在所述嵌入式系统采集记录高频暂态波形，并记录行波波头波形和到达时刻。本申请的一体化装置通过采集记录高频暂态波形，记录行波波头波形和到达时刻，通过对非系统线路故障或操作时的高频暂态波形进行分析，还可以对雷击定位、绝缘放电、闪络的电力数据积累。

本申请实施例的行波信号处理单元20中行波在线路上传播速度接近光速，通过测量电压、电流行波在故障点及母线之间的传播时间进行测距。

作为本实施例中的优选，所述行波信号处理单元20包括：超高速电量隔离变送器和行波整形分析电路，行波信号通过所述超高速电量隔离变送器转换成互相电隔离的电压、电流信号或数字编码信号；并经过所述行波整形分析电路后输入到所述嵌入式系统。通过所述嵌入式系统中预设的算法计算出距离。

作为本实施例中的优选，在嵌入式系统100中预置行波及阻抗测距算法，用于采用单端阻抗测距法初步定位故障点；根据初步定位故障点得到故障点大致范围对采集到行波波头到达时刻进行有选择性的过滤，选出真实的故障行波波头和线路对端反射波头，得出精确故障点位置。具体地，本申请的一体化装置，装置对系统线路故障的动态过程中高频暂态信号进行全程高精度无死区高速记录，不依赖gps和对端装置的测距方法，使用单端阻抗测距法对故障点进行初步定位，利用得到的故障点大致范围对行波波头到达时刻进行有选择性的过滤，选出真实的故障行波波头和线路对端反射波头，得出精确的故障点位置。

作为本实施例中的优选，所述行波信号处理单元20还包括：小型行波传感器，所述小型行波传感器为采用罗氏空心线圈的高性能抗扰动行波传感器。具体地，采用基于罗氏空心线圈的高性能抗扰动行波传感器技术，制作专用的小型行波传感器，取代目前行波测距装置使用的通过加气隙增加带宽的磁芯变送器。基于罗氏线圈的行波专用传感器能够大幅抑制低频信号、提升包含行波信息的高频分量增益。

本申请实施例的嵌入式系统100中采用的是32位高速嵌入式系统。具体地，在所述嵌入式系统和所述故障录波单元之间还配置有高速dsp采集板，所述高速dsp采集板用于进行14bit，20mhz的高速高精度数据采样。具体地涉及高速数据采样及存储技术，考虑到目前大多数行波测距装置采用1mhz左右的采样速度，采样精度大多也在12bit以下，不能有效采集和识别行波回波信号，而且两次行波采集之间存在死区，当存在较多扰动和故障反射波时很可能丢失真正有效的行波信号。在本申请的实施例中将采用14bit采样精度，最大每通道20mhz的采样速度，即使较弱的行波回波信号也能清晰的展示。同时，采用8gbit的数据传输带宽，256m高速缓冲区，确保行波采集无死区。

作为本实施例中的优选，一体化装置可用于110kv及以下的输电线路电力系统。由于为了在线路故障后准确的进行故障定位，220kv以上的输电线路通常配置了行波测距系统，提高了输电线路的测距精度,对及时修复线路和快速恢复供电非常有利。为提高行波捕获的准确性，现有的行波测距系统通常采用双端测距方法，需要双端数据通讯和同步对时设备，同时须在线路两侧各安装一套行波测距装置。这也限制了设备的推广和普及，以至在很多110kv及以下变电站没有安装行波测距装置。

在本申请的一体化装置可以减少设各投入，将故障录波和行波测距合为一套装置，降低设备成本。同时，对现有录波器和行波测距进行一体化硬件改造，采用单机箱结构设计，取消通常采用的采集机箱、变送器机箱加后台机箱的多机箱设计模式。装置不仅能够采集基于工频量的系统动态过程，还能采集记录高频暂态波形，记录行波波头波形和到达时刻。进一步，使得110kv及以下的输电线路也能大量安装故障录波和行波测距装置，实现故障高精度定位。

作为本实施例中的优选，所述预设功能接口包括：输出接口、输入接口、时钟同步接口、储存接口、通信接口。

具体地，所述输出接口包括，工业显示屏，用于实时显示故障点位置。打印接口，用于实时输出数据打印结果。

所述输入接口包括，面板按键，用于通过控制面板接口进行输入；键盘鼠标，用于通过鼠标或键盘接口进行输入。

所述时钟同步接口包括，gps同步时钟，用于提供gps同步时钟信号。

所述储存接口包括，固态硬盘，用于存放电路故障数据以及相关处理结果。

所述通信接口包括，高速以太网口，串行通信接口用于提供与外部通信的接口。

从以上的描述中，可以看出，本申请实现了如下技术效果：

在本申请实施例中，采用故障录波单元，用于采集电力系统中发生电路故障时电气量、非电气量以及开关量的方式，通过行波信号处理单元，用于测量电压或电流行波在故障点的距离，达到了嵌入式系统与所述行波信号处理单元连接，用于处理输电线路故障发生电路故障时的故障点位置；嵌入式系统与所述故障录波单元连接，用于储存故障波数据；嵌入式系统还包括：预设功能接口，用于提供数据输入或数据输出的目的，从而实现了对故障点位置精确定位和高精度故障波采样的技术效果，进而解决了测量精度和采样频率较低的技术问题。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

根据本申请实施例，还提供了一种用于实施上述装置的行波测距和故障录波一体化的实现方法，如图3所示，该方法包括：

步骤s101，采集电力系统中发生电路故障时电气量、非电气量以及开关量并储存故障波数据并进行录波；

在故障录波单元中是在电力系统发生故障时，可自动、准确记录在故障前、后过程中电气量和非电气量以及开关量的自动记录设备。故障录波单元10启动是靠故障特征明显的电气量，有电流、电压突变量；电流、电压越限；频率变化量及开关量的等。

作为本实施例中的优选，所述故障录波单元包括：用于处理ct回路故障的电流隔离变送器，其通过采集板与所述嵌入系统连接；用于处理pt回路故障的电压隔离变送器，其通过采集板与所述嵌入系统连接；用于处理开关量故障的开入隔离电路，其通过采集板与所述嵌入系统连接；用于处理开出节点故障的开出隔离电路，其通过采集板与所述嵌入系统连接。

作为本实施例中的优选，所述故障录波单元包括：直流信号变送器，其用于处理高频直流信号故障的其通过采集板与所述嵌入系统连接；在所述嵌入式系统采集记录高频暂态波形，并记录行波波头波形和到达时刻。具体地，本申请的一体化装置，不仅能够采集基于工频量的系统动态过程，还能采集记录高频暂态波形，记录行波波头波形和到达时刻。通过对非系统线路故障或操作时的高频暂态波形进行分析，开展对雷击定位、绝缘放电、闪络的数据积累和前期研究。

作为本实施例中的优选，所述故障录波单元包括：用电流隔离变送器，其用于处理ct回路故障的信号或数据，并通过采集板与所述嵌入系统连接；电压隔离变送器，其用于处理pt回路故障的信号或数据，并通过采集板与所述嵌入系统连接；开入隔离电路，其用于处理开关量故障的信号或数据，并通过采集板与所述嵌入系统连接；开出隔离电路，其用于处理开出节点故障的信号或数据，并通过采集板与所述嵌入系统连接。本申请的一体化装置通过采集记录高频暂态波形，记录行波波头波形和到达时刻，通过对非系统线路故障或操作时的高频暂态波形进行分析，还可以对雷击定位、绝缘放电、闪络的电力数据积累。

步骤s102，通过对行波信号进行分析判断出故障类型，在通过行波信号到达两端装置的时间差计算出到故障点的距离；

在行波信号处理单元中行波在线路上传播速度接近光速，通过测量电压、电流行波在故障点及母线之间的传播时间进行测距。

作为本实施例中的优选，所述行波信号处理单元包括：超高速电量隔离变送器和行波整形分析电路，行波信号通过所述超高速电量隔离变送器转换成互相电隔离的电压、电流信号或数字编码信号；并经过所述行波整形分析电路后输入到所述嵌入式系统。通过所述嵌入式系统中预设的算法计算出距离。

步骤s103，对故障时录下的波形数据进行存储，并在接收输入指令后输出故障点位置定位结果。

在嵌入式系统100中预置行波及阻抗测距算法，用于采用单端阻抗测距法初步定位故障点；根据初步定位故障点得到故障点大致范围对采集到行波波头到达时刻进行有选择性的过滤，选出真实的故障行波波头和线路对端反射波头，得出精确故障点位置。具体地，本申请的一体化实现方法，装置对系统线路故障的动态过程中高频暂态信号进行全程高精度无死区高速记录，不依赖gps和对端装置的测距方法，使用单端阻抗测距法对故障点进行初步定位，利用得到的故障点大致范围对行波波头到达时刻进行有选择性的过滤，选出真实的故障行波波头和线路对端反射波头，得出精确的故障点位置。

作为本实施例中的优选，在行波信号处理单元还包括：小型行波传感器，所述小型行波传感器为采用罗氏空心线圈的高性能抗扰动行波传感器。具体地，采用基于罗氏空心线圈的高性能抗扰动行波传感器技术，制作专用的小型行波传感器，取代目前行波测距装置使用的通过加气隙增加带宽的磁芯变送器。基于罗氏线圈的行波专用传感器能够大幅抑制低频信号、提升包含行波信息的高频分量增益。

本申请实施例的嵌入式系统100中采用的是32位高速嵌入式系统。具体地，在所述嵌入式系统和所述故障录波单元之间还配置有高速dsp采集板，所述高速dsp采集板用于采用14bit采样精度，最大每通道20mhz的采样速度。具体地涉及高速数据采样及存储技术，考虑到目前大多数行波测距装置采用1mhz左右的采样速度，采样精度大多也在12bit以下，不能有效采集和识别行波回波信号，而且两次行波采集之间存在死区，当存在较多扰动和故障反射波时很可能丢失真正有效的行波信号。在本申请的实施例中将采用14bit采样精度，最大每通道20mhz的采样速度，即使较弱的行波回波信号也能清晰的展示。同时，采用8gbit的数据传输带宽，256m高速缓冲区，确保行波采集无死区。

作为本实施例中的优选，一体化实现方法，可用于110kv及以下的输电线路电力系统。由于为了在线路故障后准确的进行故障定位，220kv以上的输电线路通常配置了行波测距系统，提高了输电线路的测距精度,对及时修复线路和快速恢复供电非常有利。为提高行波捕获的准确性，现有的行波测距系统通常采用双端测距方法，需要双端数据通讯和同步对时设备，同时须在线路两侧各安装一套行波测距装置。这也限制了设备的推广和普及，以至在很多110kv及以下变电站没有安装行波测距装置。

在本申请的一体化实现方法可以减少设各投入，将故障录波和行波测距合为一套装置，降低设备成本。同时，对现有录波器和行波测距进行一体化硬件改造，采用单机箱结构设计，取消通常采用的采集机箱、变送器机箱加后台机箱的多机箱设计模式。装置不仅能够采集基于工频量的系统动态过程，还能采集记录高频暂态波形，记录行波波头波形和到达时刻。进一步，使得110kv及以下的输电线路也能大量安装故障录波和行波测距装置，实现故障高精度定位。

作为本实施例中的优选，所述预设功能接口包括：输出接口、输入接口、时钟同步接口、储存接口、通信接口。嵌入式系统通过所述预设功能接口可以对故障录波单元和行波信号处理单元内的数据或信号进行整合、存储和显示，提供人机交互接口，方便用户进行查看和操作。

具体地，所述输出接口包括，工业显示屏，用于实时显示故障点位置。打印接口，用于实时输出数据打印结果。

所述输入接口包括，面板按键，用于通过控制面板接口进行输入；键盘鼠标，用于通过鼠标或键盘接口进行输入。

所述时钟同步接口包括，gps同步时钟，用于提供gps同步时钟信号。

所述储存接口包括，固态硬盘，用于存放电路故障数据以及相关处理结果。

所述通信接口包括，高速以太网口，串行通信接口用于提供与外部通信的接口。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本申请的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本申请不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。