基于电压行波的配电网单相接地和断线故障的定位装置

　　引言

　　当线路发生单相接地故障时，利用故障产生的行波信号能够定位故障点。当绝缘线路由于外力导致断裂时，暂态行波的发生过程受负荷电流影响，如果线路负荷较小，暂态行波也将难以在故障点两侧测得。因此单纯使用行波法难以确定故障点的范围。当发生单相断线时，电源侧的电压基本保持故障前的对称状态，而负荷侧电压不再对称，因此可以通过电源侧和负荷侧的电压序量来判定断线故障发生的区间，可以在线路小负荷时作为双端行波法判断故障发生范围的有效补充。

　　本文基于双端电压行波法和电压序量法结合，提出一种可高速采集配电线路上电压信号的定位装置，采样数据同时包含高频暂态行波信号和工频电压信号，利用GPS/北斗卫星信号进行同步采样，每个采样点具有绝对时标，对定位装置的GPS/北斗采样同步、数据采集、处理分离提取工频序量和暂态行波信号等关键技术进行论述。

　　1 总体方案设计

　　本方案使用分布式安装方式，在线路的首侧，中间和末端进行安装，将装置分布在配电线路上。当发生单相接地和短路故障时，可利用行波波头到达装置的时间先后顺序确定发生故障的区间，再使用区间内两台装置采集的数据进行双端行波定位精确定位故障点位置。发生断线故障时，如果没有测量到行波信号，则使用装置采集的电压，利用电压序量法确定故障点的供电侧和负荷侧，即可通过两台装置确定故障发生的区间。

　　线路发生故障时产生的行波信号为高频暂态信号，计算电压序量需要50Hz工频电压信号，传统提取行波信号的装置一般采用模拟高通滤波电路和高速ADC提取10kHz以上的高频暂态信号，采样数据只保留高频暂态信号，不含工频信号。如果需要采集工频电压信号，则需要单独的低速ADC对单相电压信号进行处理，这增加了系统的复杂度和成本。本方案使用单个高速ADC采集全频电压信号，利用FPGA实现均值滤波器和FIR数字信号滤波器以及傅里叶变换计算工频有效值，从高速采样值中分离工频电压信号并计算有效值完成工频信号和高频暂态信号的分离，由DSP判定故障，计算行波波头到达时刻和电压序量大幅度简化了系统的硬件设计。

　　本方案的采集装置功能的关键功能在于高速采集全频电压信号，利用FPGA实现均值滤波器、FIR数字信号滤波器以及傅里叶变换，实时对高速采集的全频电压信号分离工频信号和高频暂态信号，并计算工频有效值，以便DSP进行后续判定故障、计算电压序量、提取行波波头到达时刻。

　　2 装置硬件设计

　　行波装置硬件由一块高速信号采集板组成。采集板上包括3路高速ADC、GPS/北斗信号接收器、4G无线通讯模块、FPGA和DSP。FPGA为IntelCycloneIVE，用于实现控制3路高速ADC同步采样，并在采样点上打上时标。同时实现3通道的实时FIR数字滤波器，用于分离提取工频电压信号。DSP为TITMS320C6748，负责工频相电压的故障实时判断、电压序量计算、行波波头到达时刻计算、高速采集数据的存储和传输。DSP和FPGA间通过u PP高速接口进行连接，采样数据通过uPP接口在DSP的SDRAM中循环存储。

　　2.1 FPGA高速采样和滤波器设计

　　FPGA控制高速ADC进行采样，本方案的ADC使用TITHS1408，以8MSPS的采样速率、14位采样精度将暂态行波信号和工频电压信号均被记录在采样值中，工频电压信号需要用于判断故障触发记录、计算序量。高速采样数据的数据量较大，直接进行工频计算运算量过大，因此在FPGA内设计均值滤波器进行降采样。均值滤波器由高速采样值进行加权平均：，式中y[n]为滤波器输出，x为高速采样值输入，len为均值滤波长度。

　　本方案中将采样率由8MHz降低到10kHz，因此len为800。每800个高速采样值进行加权平均降采样。经过均值滤波器抽样后，采样率降低到采样率为10kHz的低速采样值，为了降低高次谐波和混叠的影响，使用FIR低通滤波器对低速采样值进行低通滤波：y[n]=Σkk-1=x[n+1-k]×h[k]，式中y[n]为FIR滤波器输出，x为输入序列，k为FIR滤波器系数长度，h为FIR滤波器系数。

　　FPGA的FIR滤波器设计主要有并行结构和串行结构两种，并行结构速度快，但需消耗大量的乘累加器资源。串行结构每个时钟仅输入一个采样值，只消耗少量乘累加器资源，但是计算时间较长，速度较慢，应根据设计需求合理选择FIR滤波器的结构。本设计使用消耗资源较少的串行结构，每个时钟周期处理一个系数的乘累加；使用matlab计算一个256抽头，截止频率为150Hz的低通滤波器，使用串行结构，工作在30MHz频率，完成计算一次约需要10us，低于低速采样值的采样间隔100us，满足设计要求。

　　经FIR低通滤波后，在FPGA内对采样值进行傅里叶变换，在FPGA中将傅里叶变换的实部和虚部分开计算：，式中real(k)为傅里叶变换实部，imag(k)为傅里叶变换虚部，x(n)为采样值序列，N为基波点数。

　　和FIR低通滤波器实现类似，傅里叶变换使用串行结构，N长度为200计算50Hz工频有效值。实部和虚部的运算分别使用两个乘累加器进行计算，工作在30MHz时每个采样点消耗约7us，低于低速采样值的采样间隔100us，满足设计要求。

　　傅里叶变换后计算的电压有效值、GPS时标、高速采样值一同打包成数据包，写入FIFO，经由uPP钟祥送入DSP进行后续处理。打包后的数据包包含高频暂态电压信号和工频电压有效值，工频电压有效值以复数形式保存，可在DSP中用于判断故障，计算序量并进一步提取行波波头到达时间。

　　2.2 DSP触发启动和数据处理设计

　　DSP实时接收到来自FPGA的采样数据包，从中提取工频采样值数据，对其进行傅里叶变换计算工频有效值，经过启动元件判断是否有故障发生，一旦启动元件判断动作，便将故障前3个周波和后3个周波的高速采样值数据和时标存储成文件。

　　2.3 无线数据传输和存储

　　本方案的装置内置4G无线通讯器，DSP完成故障检测并产生记录数据后，直接将记录数据通过4G无线通讯，使用物联网MQTT(MessageQueuing TelemetryTransport，消息队列遥测传输协议）协议发送至服务器，MQTT协议是一种基于发布/订阅模式的轻量级通讯协议，构建于TCP/IP协议之上，被广泛运用于物联网，有较多开源的中间件实现，可以轻松接入如阿里云IoT等开放平台。

　　本方案使用的4G无线通讯器的上下行速率高达50Mbps/150Mbps，单次故障数据经压缩后不超过2MB，传输至服务器所需时间不足1秒，可以实现较快的故障反应速度。

　　2.4 服务器端行波定位和断线识别

　　服务器根据接收数据的顺序逐个处理，收到数据后首先匹配供电侧和负荷侧装置在同一故障时刻的数据，如果未能匹配成功则先将数据存入数据库等待匹配。故障点计算结果分为断线故障，区内故障，区外故障三种，断线故障和区内故障被识别后将判断结果发送给用户，区外故障无需通知用户，因此做忽略处理。

　　3 定位装置现场运行情况

　　为验证本故障定位装置的故障定位能力和电压序量计算的功能，我局在贵安10kV昆马线的#10、#80、#140杆上安装了三套装置，投入试运行，运行情况良好，多次成功捕获故障数据。如2018年1月11日在昆马线上发生一次CN单相接地故障，定位系统准确报告故障点位于距离#140杆1.8公里处。并记录了电压波形。从电压波形上可以看出，故障发生时A、B两相电压升高，C相电压下降。计算各相电压结果如表1所示，所记录的行波波形如图7所示。利用所记录的电压和行波信号可准确计算故障行波的到达时间和电压的序量。