0　引言 　　目前，高壓輸電線路故障定位主要基于阻抗算法［1］，這種算法對(duì)于高阻接地、多端電源線路等情況下的故障定位精度在實(shí)用中通常不優(yōu)于3%，對(duì)于長(zhǎng)線路（>100 km）難以滿足尋線要求。 　　現(xiàn)代行波定位是利用故障發(fā)生后線路上出現(xiàn)的電壓行波和電流行波進(jìn)行精確故障定位，其測(cè)量誤差小于1 km，且受線路類型、接地阻抗等因素的影響?。?］，因此越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外已有部分產(chǎn)品在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行［3］。 　　行波定位可分為單端定位和雙端定位。單端定位是利用故障點(diǎn)傳向母線第一行波與故障點(diǎn)的反射行波之間的時(shí)間差計(jì)算故障位置［4］。由于行波在各個(gè)一次設(shè)備、各條線路的連接處的反射、折射和衰減，使得故障點(diǎn)反射行波波頭的辨識(shí)變得復(fù)雜。雙端定位則只利用行波第一波頭到達(dá)線路兩端的時(shí)刻進(jìn)行計(jì)算，只需捕捉行波第一個(gè)波頭，不用考慮行波的反射與折射，行波幅值大，易于辨識(shí)。同時(shí)由于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）的出現(xiàn)［5，6］，把時(shí)間的測(cè)量精度提高到納秒級(jí)，從而提高了雙端定位的精度（可達(dá)±150 m）。因此，國(guó)內(nèi)外普遍采用GPS雙端定位系統(tǒng)。 　　但在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中，GPS雙端定位系統(tǒng)也存在一些不足： 　　a.采樣頻率較高：1 MHz～5 MHz，故障信息存儲(chǔ)量太大。 　　b.受采樣頻率的限制，無(wú)法辨識(shí)近距離故障行波［2］。由行波特性可知： 　　（1） 　　式中　L為故障處到母線的距離；v為行波傳播速度，接近光速，v≈3.0×108 m/s；f為定位系統(tǒng)能測(cè)量的最高行波頻率。 　　設(shè)f=150 kHz，則L=1 km，即能判斷的最近故障點(diǎn)距離母線為1 km。 　　c.無(wú)法檢測(cè)發(fā)生在電壓過(guò)零附近時(shí)刻接地的故障［2］。 　　d.由于GPS短時(shí)失步、衛(wèi)星信號(hào)調(diào)整、天線干擾等導(dǎo)致時(shí)鐘信號(hào)失真［7］，可導(dǎo)致定位失敗。 　　針對(duì)傳統(tǒng)裝置的上述缺陷，本文提出一種新型的輸電網(wǎng)行波定位系統(tǒng)。它采用一種特殊的行波傳感器和具有守時(shí)鐘的高精度GPS時(shí)鐘。如果在整個(gè)輸電網(wǎng)中每一個(gè)變電站安裝一臺(tái)這樣的GPS行波記錄儀，就可形成GPS行波測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種故障的準(zhǔn)確記錄和定位。 [b]1　行波特性分析 [/b]　　以某500 kV線路（如圖1）為例，采用EMTP/ATP進(jìn)行了多種故障仿真，其中距M端306 km處在1 ms時(shí)刻A相接地故障的仿真結(jié)果示于圖2～圖5。 　　 圖2　M端電壓行波 　 　Fig.2　Travelling wave of voltage on the busbar M 　　 圖3　N端電壓行波 　　 Fig.3　Travelling wave of voltage on the busbar N 　　 圖4　M端電流行波 　　 Fig.4　Travelling wave of current on the busbar M 　　 圖5　N端電流行波 　　 Fig.5　Travelling wave of current on the busbar N 　　由圖2～圖5可以明顯看出： 　　a. A相發(fā)生單相接地時(shí)，在線路兩端每相都有電流行波和電壓行波產(chǎn)生，行波波頭幅值大，頻率高。 　　b.行波第一波頭到達(dá)時(shí)刻較為明顯，以后在母線、變壓器、故障點(diǎn)等多處反射和折射，幅值有明顯的衰減。 　　c.電壓行波比電流行波相對(duì)幅值大，理論上較易測(cè)量。在實(shí)際運(yùn)行中，500 kV線路電容式電壓互感器高頻特性差，截止頻率太低，因此需要制作專用的電壓行波傳感器。 　　d.在M端、N端、B端分別安裝電壓行波傳感器，N端近距離故障時(shí)，可采用M端、B端的記錄定位。具有N—1容錯(cuò)性。 [b]2　總體方案設(shè)計(jì) [/b]　　如圖6，采用專用的電壓行波傳感器檢測(cè)行波波頭，采用硬件電路啟動(dòng)，記錄行波波頭到達(dá)的準(zhǔn)確時(shí)刻，由高精度晶振驅(qū)動(dòng)累加器產(chǎn)生高精度時(shí)鐘信號(hào)，利用行波第一波頭到達(dá)線路兩端的時(shí)間差（TM-TN）進(jìn)行故障定位。故障點(diǎn)距M端的距離為L(zhǎng)M： 　　LM=0.5［v（TM-TN）+L］ 　　其中　L為輸電線路長(zhǎng)度。 　　 圖6 GPS行波定位模型總框圖 　　 Fig.6 Block diagram of GPS travelling wave fault location model 　　2.1　行波波頭的提取 　　每個(gè)變電站只需安裝一個(gè)專用電壓行波傳感器。采用硬件檢測(cè)電壓行波波頭，產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)，直接記錄啟動(dòng)時(shí)刻，無(wú)需高速A/D采集，無(wú)需倍頻電路，這樣可以簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，減少存儲(chǔ)量，便于計(jì)算處理。 　　2.2　GPS精確時(shí)間的產(chǎn)生 　　采用單片機(jī)接收GPS串行時(shí)鐘，產(chǎn)生年、月、日、時(shí)、分、秒信號(hào)，并采用高精度恒溫晶振（5 MHz，誤差小于10-9 s）驅(qū)動(dòng)24位累加器。由GPS產(chǎn)生的每秒1個(gè)脈沖的脈沖信號(hào)定時(shí)對(duì)累加器清零，產(chǎn)生0.2 μs精度的時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)GPS不同步或故障時(shí)，可臨時(shí)由高精度晶振產(chǎn)生脈沖信號(hào)，定時(shí)對(duì)累加器清零，保證1 h內(nèi)誤差小于3.6 μs，即定位誤差小于1.18 km。 　　2.3　信號(hào)的存儲(chǔ) 　　只需存儲(chǔ)行波波頭到達(dá)時(shí)刻的時(shí)間信息，共10個(gè)字節(jié)，這樣一塊28256芯片就可記錄3276次行波時(shí)間信息，按每次事故或操作記錄10次反射、折射行波計(jì)算，可記錄327次事故或操作，因此完全可以記錄發(fā)展性故障。對(duì)于電壓過(guò)零附近時(shí)刻故障，其一般為永久性故障，可以采用重合閘后故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波計(jì)算。 　　2.4　測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的形成 　　對(duì)于某一電壓等級(jí)的電網(wǎng)，在每個(gè)變電站安裝一套行波記錄裝置，電網(wǎng)中任一點(diǎn)故障或雷擊時(shí)，則在整個(gè)電網(wǎng)中都有行波產(chǎn)生，因此每個(gè)變電站的記錄裝置都將有行波啟動(dòng)記錄。由式（1）可知，對(duì)于變電站近距離故障，在該變電站將產(chǎn)生高頻行波，傳感器難以啟動(dòng)記錄，但在其它變電站，行波頻率下降，則易于記錄。這樣，可以由其它變電站的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行近距離故障計(jì)算。同樣，在整個(gè)行波測(cè)量網(wǎng)絡(luò)中，任意一臺(tái)裝置發(fā)生故障或啟動(dòng)失靈，都可根據(jù)其它裝置的記錄進(jìn)行故障定位，從而提高故障定位的可靠性。 [b]3　行波記錄儀設(shè)計(jì) [/b]　　3.1　傳感器的連接 　　以某220 kV電網(wǎng)為例，電壓行波傳感器為一分壓器，其并聯(lián)于電壓抽能裝置內(nèi)部避雷器上（如圖7所示，接于A點(diǎn)至地之間）。 　　 圖7　220 kV耦合電容器和載波裝置接線 　　 Fig.7　Scheme of the metrical signal coupling 　　當(dāng)線路中沒(méi)有故障時(shí)，分壓器輸出信號(hào)為工頻信號(hào)，反映A點(diǎn)的電壓（有效值為100 V）；當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，故障行波自線路進(jìn)入，避雷器1動(dòng)作，A點(diǎn)至地間的電壓為避雷器1兩端的電壓。由于避雷器動(dòng)作電壓低（2 kV～4 kV）、響應(yīng)速度快，行波波頭到達(dá)時(shí)，在分壓器上將產(chǎn)生一個(gè)快速上升或下降的跳變信號(hào)，可以通過(guò)這個(gè)跳變信號(hào)啟動(dòng)行波記錄裝置進(jìn)行記錄。 　　3.2　硬件和軟件設(shè)計(jì) 　　行波記錄儀的硬件結(jié)構(gòu)如圖8所示。 　　 圖8　硬件原理圖 　　 Fig.8　Block diagram of hardware 　　a. GPS接收機(jī)采用日產(chǎn)KODEN GSU—25型，其定時(shí)精度達(dá)0.5 μs。 　　b.邏輯器件采用ISP（超大規(guī)?？删幊唐骷?，實(shí)現(xiàn)了在線可編程，方便邏輯電路功能修改，基本上達(dá)到了邏輯電路硬件的“軟化”。 　　c. 24位累加器由晶振驅(qū)動(dòng)。GPS時(shí)鐘接收準(zhǔn)確時(shí)，由GPS產(chǎn)生的脈沖信號(hào)對(duì)累加器清零；當(dāng)GPS時(shí)鐘接收失敗或時(shí)鐘失穩(wěn)時(shí)，則由累加器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)定時(shí)對(duì)累加器清零，使累加器在1 s內(nèi)循環(huán)計(jì)數(shù)，并由其啟動(dòng)CPU進(jìn)行秒計(jì)時(shí)。 　　d.行波波頭到達(dá)時(shí)刻的鎖定由啟動(dòng)信號(hào)啟動(dòng)鎖存器完成，并由啟動(dòng)信號(hào)中斷CPU記錄啟動(dòng)時(shí)刻。 　　e.由保護(hù)跳閘信號(hào)啟動(dòng)通信，讀取整個(gè)電網(wǎng)中其它行波記錄儀記錄的時(shí)間后，進(jìn)行計(jì)算處理，顯示故障位置；也可由調(diào)度讀取各行波記錄儀的記錄時(shí)間，進(jìn)行故障計(jì)算。 [b]4　結(jié)論 [/b]　　綜上所述，該輸電網(wǎng)GPS行波故障定位系統(tǒng)基于專用的電壓行波傳感器及具有守時(shí)鐘的高精度GPS時(shí)鐘，具有以下特點(diǎn)： 　　a.采用專用傳感器，只需記錄行波波頭到達(dá)時(shí)刻，記錄信息量小，記錄次數(shù)多，可記錄發(fā)展性故障。 　　b.采用高精度晶振同步GPS計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)精度高，在GPS時(shí)鐘失真或故障時(shí)能維持時(shí)鐘的準(zhǔn)確性。 　　c.形成基于整個(gè)輸電網(wǎng)的行波測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同測(cè)量，對(duì)近距離故障或某臺(tái)設(shè)備故障等具有N—1容錯(cuò)處理能力。 　　d.每個(gè)變電站只需一套設(shè)備，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少。 　　輸電網(wǎng)GPS行波故障定位系統(tǒng)正在研制、調(diào)試中，各部分硬件電路、計(jì)算方法已通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)及仿真分析，效果良好。 [b]參 考 文 獻(xiàn) [/b]　　［1］Ye Ping, Zhang Zhe, Chen Deshu. Theory and Application Experience of a New Algorithm for HV Transmission Line Fault Location. Power System Technology, 1995, 19（7） 　?。?］徐丙垠.利用暫態(tài)行波輸電線路故障測(cè)距技術(shù)：〔博士學(xué)位論文〕.西安：西安交通大學(xué)，1991 　　［3］董新洲，葛耀中，徐丙垠.新型輸電線路故障測(cè)距裝置的研制.電網(wǎng)技術(shù)，1998，22（1） 　?。?］葛耀中.新型繼電保護(hù)與故障測(cè)距原理與技術(shù).西安：西安交通大學(xué)出版社，1996 　　［5］高厚磊，賀家李.基于GPS的同步采樣及在保護(hù)與控制中的應(yīng)用.電網(wǎng)技術(shù)，1995，19（7） 　?。?］高厚磊，厲吉文，文　鋒，等.GPS及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1995，19（9） 　?。?］王元虎，周東明.衛(wèi)星時(shí)鐘在電網(wǎng)中應(yīng)用的若干技術(shù)問(wèn)題.中國(guó)電力，1998，31（2）