基于电压行波的配电网单相接地和断线故障的定位装置

　　弁言

　　当线路产生单相接地故障时，应用故障发生的行波旌旗灯号可以或许定位故障点。当绝缘线路因为外力导致断裂时，暂态行波的产生进程受负荷电流影响，假如线路负荷较小，暂态行波也将难以在故障点两侧测得。是以单纯使用行波法难以肯定故障点的规模。当产生单相断线时，电源侧的电压根本坚持故障前的对称状况，而负荷侧电压不再对称，是以可以经由过程电源侧和负荷侧的电压序量来鉴定断线故障产生的区间，可以在线路小负荷时作为双端行波法断定故障产生规模的有用弥补。

　　本文基于双端电压行波法和电压序量法联合，提出一种可高速采集配电线路上电压旌旗灯号的定位装配，采样数据同时包括高频暂态行波旌旗灯号和工频电压旌旗灯号，应用GPS/斗极卫星旌旗灯号进行同步采样，每个采样点具有绝对时标，对定位装配的GPS/斗极采样同步、数据采集、处置分别提取工频序量和暂态行波旌旗灯号等症结技术进行阐述。

　　1 总体计划设计

　　本计划使用散布式安装方式，在线路的首侧，中央和末尾进行安装，将装配散布在配电线路上。当产生单相接地和短路故障时，可应用行波波头达到装配的光阴先后次序肯定产生故障的区间，再使用区间内两台装配采集的数据进行双端行波定位准确定位故障点地位。产生断线故障时，假如没有丈量到行波旌旗灯号，则使用装配采集的电压，应用电压序量法肯定故障点的供电侧和负荷侧，即可经由过程两台装配肯定故障产生的区间。

　　线路产生故障时发生的行波旌旗灯号为高频暂态旌旗灯号，计算电压序量必要50Hz工频电压旌旗灯号，传统提取行波旌旗灯号的装配一样平常采纳模拟高通滤波电路和高速ADC提取10kHz以上的高频暂态旌旗灯号，采样数据只保存高频暂态旌旗灯号，不含工频旌旗灯号。假如必要采集工频电压旌旗灯号，则必要零丁的低速ADC对单相电压旌旗灯号进行处置，这增长了体系的繁杂度和本钱。本计划使用单个高速ADC采集全频电压旌旗灯号，应用FPGA实现均值滤波器和FIR数字旌旗灯号滤波器以及傅里叶变换计算工频有用值，从高速采样值中分别工频电压旌旗灯号并计算有用值完成工频旌旗灯号和高频暂态旌旗灯号的分别，由DSP鉴定故障，计算行波波头达到时候和电压序量年夜幅度简化了体系的硬件设计。

　　本计划的采集装配功效的症结功效在于高速采集全频电压旌旗灯号，应用FPGA实现均值滤波器、FIR数字旌旗灯号滤波器以及傅里叶变换，及时对高速采集的全频电压旌旗灯号分别工频旌旗灯号和高频暂态旌旗灯号，并计算工频有用值，以便DSP进行后续鉴定故障、计算电压序量、提取行波波头达到时候。

　　2 装配硬件设计

　　行波装配硬件由一块高速旌旗灯号采集板构成。采集板上包含3路高速ADC、GPS/斗极旌旗灯号接管器、4G无线通信模块、FPGA和DSP。FPGA为IntelCycloneIVE，用于实现节制3路高速ADC同步采样，并在采样点上打上时标。同时实现3通道的及时FIR数字滤波器，用于分别提取工频电压旌旗灯号。DSP为TITMS320C6748，卖力工频相电压的故障及时断定、电压序量计算、行波波头达到时候计算、高速采集数据的存储和传输。DSP和FPGA间经由过程u PP高速接口进行衔接，采样数据经由过程uPP接口在DSP的SDRAM中轮回存储。

　　2.1 FPGA高速采样和滤波器设计

　　FPGA节制高速ADC进行采样，本计划的ADC使用TITHS1408，以8MSPS的采样速度、14位采样精度将暂态行波旌旗灯号和工频电压旌旗灯号均被记载在采样值中，工频电压旌旗灯号必要用于断定故障触发记载、计算序量。高速采样数据的数据量较年夜，直接进行工频计算运算量过年夜，是以在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均匀：，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。

　　本计划中将采样率由8MHz低落到10kHz，是以len为800。每800个高速采样值进行加权均匀降采样。颠末均值滤波器抽样后，采样率低落到采样率为10kHz的低速采样值，为了低落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布局和串行布局两种，并行布局速率快，但需耗费年夜量的乘累加器资本。串行布局每个时钟仅输入一个采样值，只耗费少量乘累加器资本，然则计算光阴较长，速率较慢，应依据设计需求合理选择FIR滤波器的布局。本设计使用耗费资本较少的串行布局，每个时钟周期处置一个系数的乘累加；使用matlab计算一个256抽头，截止频率为150Hz的低通滤波器，使用串行布局，事情在30MHz频率，完成计算一次约必要10us，低于低速采样值的采样距离100us，满意设计要求。

　　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门开计算：，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低通滤波器实现相似，傅里叶变换使用串行布局，N长度为200计算50Hz工频有用值。实部和虚部的运算分离使用两个乘累加器进行计算，事情在30MHz时每个采样点耗费约7us，低于低速采样值的采样距离100us，满意设计要求。

　　傅里叶变换后计算的电压有用值、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进行后续处置。打包后的数据包包括高频暂态电压旌旗灯号和工频电压有用值，工频电压有用值以复数情势保留，可在DSP顶用于断定故障，计算序量并进一步提取行波波头达到光阴。

　　2.2 DSP触发启动和数据处置设计

　　DSP及时接管到来自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用值，颠末启动元件断定是否有故障产生，一旦启动元件断定动作，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

　　本计划的装配内置4G无线通信器，DSP完成故障检测并发生记载数据后，直接将记载数据经由过程4G无线通信，使用物联网MQTT(MessageQueuing TelemetryTransport，新闻行列步队遥测传输协定）协定发送至服务器，MQTT协定是一种基于宣布/订阅模式的轻量级通信协定，构建于TCP/IP协定之上，被普遍运用于物联网，有较多开源的中央件实现，可以轻松接入如阿里云IoT等开放平台。

　　本计划使用的4G无线通信器的上下行速度高达50Mbps/150Mbps，单次故障数据经紧缩后不跨越2MB，传输至服务器所需光阴不敷1秒，可以实现较快的故障反响速率。

　　2.4 服务器端行波定位和断线辨认

　　服务器依据接管数据的次序逐个处置，收到数据后起首匹配供电侧和负荷侧装配在统一故障时候的数据，假如未能匹配胜利则先将数据存入数据库期待匹配。故障点计算成果分为断线故障，区内故障，区外故障三种，断线故障和区内故障被辨认后将断定成果发送给用户，区外故障无需关照用户，是以做疏忽处置。

　　3 定位装配现场运行环境

　　为验证本故障定位装配的故障定位才能和电压序量计算的功效，我局在贵安10kV昆马线的#10、#80、#140杆上安装了三套装配，投入试运行，运行环境优越，多次胜利捕捉故障数据。如2018年1月11日在昆马线上产生一次CN单相接地故障，定位体系精确申报故障点位于间隔#140杆1.8公里处。并记载了电压波形。从电压波形上可以看出，故障产生时A、B两相电压升高，C相电压降落。计算各相电压成果如表1所示，所记载的行波波形如图7所示。应用所记载的电压和行波旌旗灯号可精确计算故障行波的达到光阴和电压的序量。