CN107024639A - 一种用于区域直流配电***的微型故障定位设备及方法 - Google Patents

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王桂栋
周雪松
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Abstract

一种用于区域直流配电***故障微型定位设备，其特征在于它包括DSP/FPGA控制运算模块、注入电压电流信号产生模块、数据采集模块和离线数据存储模块；其优越性在于：①一次测量求得故障区域大致，然后二次测量求得具体故障地点，提高了测距精度；②提高了***运算出信息处理能力；③补零增加数据长度，提高了精度；④阻抗精确度高、抗干扰性强。

Description

一种用于区域直流配电***的微型故障定位设备及方法
(一)技术领域：
本发明涉及一种基于注入法的直流配电***故障定位方法，利用了阻抗测距理论，特别是集硬件技术和软件编程于一体，属于电力***直流配电***故障定位技术领域，尤其是一种用于区域直流配电***的微型故障定位设备及方法。
(二)背景技术：
随着国家智能电网建设步伐的推进，接下来电网投资建设的焦点将转向配电网，直流配电***由于在接纳新能源发电、电动汽车等方面与交流配电***相比有着先天优势，是将来配电***发展的方向之一。当线路发生故障时，如何能快速定位故障，以为后续继电保护提供必要信息成为电力从业人员关注的技术热点之一。而交流配电***领域内的一些故障定位方法在直流配电***中不再适用。交流配电***定位主要用于长距离定位，常用方法是行波法和阻抗法。前者可以在传输线上快速精确定位，但是对数据采集***要求较高，增加了成本。阻抗法主要由单端阻抗法和双端阻抗法两种，后者对双端数据的同步采集有很高的要求，前者主要用于高压输电线路中。在一些采用直流配电***的区域(例如大型电动汽车充电中心，采用直流配电的石油钻采***)这些配电***通常具有配电线路短、故障发生时由于空间狭小、供电可靠性要求高等特点，往往故障排除复杂，需要快速精确定位，以为继电保护或者故障排除提供必要信息。
(三)发明内容：
本发明的目的在于提供一种用于区域直流配电***微型故障定位设备及方法，它硬件采用高性能的DSP、FPGA和频域内阻抗求解方式，大大的提高了故障情况下，阻抗求解定位故障的精确性与时效性。为电力***继电保护提供精确的故障信息，从而提高了供电可靠性，间接减少了停电时间，继而减少了电网短路故障带来的损失，同时，本设备轻便，便于从不同地点测量，灵活使用。
本发明的技术方案：一种用于区域直流配电***故障微型定位设备，包括220V交流电源、自耦变压器和上位机，其特征在于它包括DSP/FPGA控制运算模块、注入电压电流信号产生模块、数据采集模块和离线数据存储模块；其中，所述注入电压电流信号产生模块的交流侧通过自耦变压器与220V交流电源相连接；所述数据采集模块的输入端与DSP/FPGA控制运算模块的输出端连接，其输出端与注入电压电流信号产生模块的输入端连接；所述DSP/FPGA控制运算模块分别与上位机和离线数据存储模块呈双相连接。
所述DSP/FPGA控制运算模块是由DSP芯片和FPGA模块构成；其中，所述DSP芯片选用TMS320C6713芯片。
所述注入电压电流信号产生模块是由整流器、滤波稳压电容器、电压产生单元、接触器和耦合电感构成；其中所述整流器由220V交流电源供电；经过变压器后通过由整流器产生直流电压信号，再经过滤波稳压电容器，由电压产生单元产生电压信号，再通过电感产生电流波信号。
所述整流器是由二极管组成的不可控整流装置；所述电压产生单元是由IGBT组成的H桥电路单元；所述H桥电路单元产生矩形波电压波形信号；所述电感是耦合电感，产生三角波的电流波信号。
所述数据采集模块是电压电流采集模块由信号放大器电路、A/D转换电路、数据缓存电路、时序逻辑控制电路和接口电路组成；其为常规连接。
一种用于区域直流配电***的微型故障定位方法，其特征在于它包括以下步骤：
步骤A、当***检测到故障时，此微型故障定位设备通过公共连接点往电缆注入三角波电流；
步骤B、采集响应电流电压，为消除采集数据始末噪声影响，对采集的电压电流值用长度为N的布莱克曼窗函数w(n)来截断电压电流x(n)，得到N点序列，即
xn(n)＝x(n)·w(n)
并对原始数据补零处理，增加数据长度，提高精确度；
步骤C、将电压电流数据通过傅里叶变换(FFT)转换到频域
Δt为采样的步长，L为采样数据长度。由电压电流比值得到估计阻抗值：
步骤D、由于***中存在稳态畸变和测量噪音，估计阻抗波形在频域会有震荡，通过最小二乘曲线拟合以提高精确度；
步骤E、将需要定位的区域按照距离长度平均分成n段，再由测量得到的电压电流比值得到估计阻抗，将测量计算得到的阻抗值与预先校订的阻抗值粗略估计故障区域在nj与nj+1之间(0＜nj,nj+1＜n)；
步骤F、***通过以上步骤，在不同地点和不同频率下，得到阻抗值和波形。形成数据库离线存储保存；通过不断的重复学习，丰富数据库，定位精确度也随着数据库丰富提高；
步骤G、故障情况下，通过步骤A—F，可以得到响应的阻抗，与离线数据库中的阻抗值、波形等特征比较，得到故障位置。
步骤H、利用步骤A—G即可得到故障位置。如果为追求精度，可以把故障区域按距离平均分成n段，如果经过步骤A—G得出故障区域落在ni(0<ni<n)段，此时可以把测量点移到ni段起始位置，再次测量得到阻抗值；此时的阻抗值与预先标定的更精确的阻抗值对照得到精确位置。
本发明的工作原理：不可控整流装置从隔离变压器得到交流电，经过整流后给直流侧电容充电，控制IGBT输出电压矩形波，由于电感的存在，三角波电流注入直流配电***电缆中。而FPGA用来采集***中的响应电压电流信息，其采集到的电压电流信息送到DSP进行傅里叶变换处理，在频域内求阻抗。DSP与上位机通讯在电脑上显示。求得的阻抗与预先标定值对比，定性确定故障大小和定量计算故障距离。DSP主要用于FFT变换等复杂算法的运算实现、阻抗计算以及测量阻抗与离线存储数据的分析对比；FPGA主要用于控制时序，FPGA在这里起到为DSP提供输入输出信号的作用。它可以提供一个50KHZ的采样频率，这个采样频率可以在响应的频率范围和DSP的数据处理能力范围内，有良好的信噪比。
本发明的优越性在于：①针对本设备用于区域直流配电***的特点，本方法根据区域尺寸大小将配电区域相隔一定间距分成不同的区域，首先通过一次测量求得故障区域大致，然后二次测量与更精确的预先标定值对照再求得具体故障地点，如此一来提高了测距精度；②硬件装置采用DSP与FPGA相结合，提高了***运算出信息处理能力，从硬件上保证计算更加精确；③采样数据始末易含有高频信息，经傅里叶变换后引起的波形失真，需要对采样加窗处理，本方案采用布莱克曼加窗处理并对原始数据补零增加数据长度，提高了精度；④由于***中存在稳态畸变和测量噪音，估计阻抗波形在频域会有抖动，通过最小二乘曲线拟合的方法，提高了所得阻抗精确度；⑤采用数字测量技术，充分利用计算机的处理能力，充分利用数字信号处理的方法，通过对数字芯片进行简单的硬件连接，用软件编程的方法进行数字滤波和阻抗值的计算，避免了用模拟电路测量阻抗连接电路繁琐，抗干扰性差的缺点。
(四)附图说明：
图1为本发明所涉一种用于区域直流配电***的微型故障定位设备的总体结构示意图。
图2为本发明所涉一种用于区域直流配电***的微型故障定位设备中的注入电压电流产生模块示意图。
图3为本发明所涉一种用于区域直流配电***的微型故障定位设备中的电压电流数据采集模块示意图。
图4为本发明所涉一种用于区域直流配电***的微型故障定位设备中的DSP/FPGA互联结构示意图。
(五)具体实施方式：
实施例：一种用于区域直流配电***故障微型定位设备(见图1)，包括220V交流电源、自耦变压器和上位机，其特征在于它包括DSP/FPGA控制运算模块、注入电压电流信号产生模块、数据采集模块和离线数据存储模块；其中，所述注入电压电流信号产生模块的交流侧通过自耦变压器与220V交流电源相连接；所述数据采集模块的输入端与DSP/FPGA控制运算模块的输出端连接，其输出端与注入电压电流信号产生模块的输入端连接；所述DSP/FPGA控制运算模块分别与上位机和离线数据存储模块呈双相连接。
所述DSP/FPGA控制运算模块是由DSP芯片和FPGA模块构成；其中，所述DSP芯片选用TMS320C6713芯片(见图4)。
所述注入电压电流信号产生模块(见图1、图2)是由整流器、滤波稳压电容器、电压产生单元、接触器和耦合电感构成；其中所述整流器由220V交流电源供电；经过变压器后通过由整流器产生直流电压信号，再经过滤波稳压电容器，由电压产生单元产生电压信号，再通过电感产生电流波信号。
所述整流器(见图1)是由二极管组成的不可控整流装置；所述电压产生单元是由IGBT组成的H桥电路单元；所述H桥电路单元产生矩形波电压波形信号；所述电感是耦合电感，产生三角波的电流波信号。
所述数据采集模块是电压电流采集模块(见图3)由信号放大器电路、A/D转换电路、数据缓存电路、时序逻辑控制电路和接口电路组成；其为常规连接。
一种用于区域直流配电***的微型故障定位方法，其特征在于它包括以下步骤：
步骤A、当***检测到故障时，此微型故障定位设备通过公共连接点往电缆注入三角波电流；
步骤B、采集响应电流电压，为消除采集数据始末噪声影响，对采集的电压电流值用长度为N的布莱克曼窗函数w(n)来截断电压电流x(n)，得到N点序列，即
xn(n)＝x(n)·w(n)
并对原始数据补零处理，增加数据长度，提高精确度；
步骤C、将电压电流数据通过傅里叶变换(FFT)转换到频域
Δt为采样的步长，L为采样数据长度。由电压电流比值得到估计阻抗值：
步骤D、由于***中存在稳态畸变和测量噪音，估计阻抗波形在频域会有震荡，通过最小二乘曲线拟合以提高精确度；
步骤E、将需要定位的区域按照距离长度平均分成n段，再由测量得到的电压电流比值得到估计阻抗，将测量计算得到的阻抗值与预先校订的阻抗值粗略估计故障区域在nj与nj+1之间(0＜nj,nj+1＜n)；
步骤F、***通过以上步骤，在不同地点和不同频率下，得到阻抗值和波形。形成数据库离线存储保存；通过不断的重复学习，丰富数据库，定位精确度也随着数据库丰富提高；
步骤G、故障情况下，通过步骤A—F，可以得到响应的阻抗，与离线数据库中的阻抗值、波形等特征比较，得到故障位置。
步骤H、利用步骤A—G即可得到故障位置。如果为追求精度，可以把故障区域按距离平均分成n段，如果经过步骤A—G得出故障区域落在ni(0<ni<n)段，此时可以把测量点移到ni段起始位置，再次测量得到阻抗值；此时的阻抗值与预先标定的更精确的阻抗值对照得到精确位置。

Claims (6)

1.一种用于区域直流配电***故障微型定位设备，包括220V交流电源、自耦变压器和上位机，其特征在于它包括DSP/FPGA控制运算模块、注入电压电流信号产生模块、数据采集模块和离线数据存储模块；其中，所述注入电压电流信号产生模块的交流侧通过自耦变压器与220V交流电源相连接；所述数据采集模块的输入端与DSP/FPGA控制运算模块的输出端连接，其输出端与注入电压电流信号产生模块的输入端连接；所述DSP/FPGA控制运算模块分别与上位机和离线数据存储模块呈双相连接。
2.根据权利要求1所述一种用于区域直流配电***故障微型定位设备，其特征在于所述DSP/FPGA控制运算模块是由DSP芯片和FPGA模块构成；其中，所述DSP芯片选用TMS320C6713芯片。
3.根据权利要求1所述一种用于区域直流配电***故障微型定位设备，其特征在于所述注入电压电流信号产生模块是由整流器、滤波稳压电容器、电压产生单元、接触器和耦合电感构成；其中所述整流器由220V交流电源供电；经过变压器后通过由整流器产生直流电压信号，再经过滤波稳压电容器，由电压产生单元产生电压信号，再通过电感产生电流波信号。
4.根据权利要求3所述一种用于区域直流配电***故障微型定位设备，其特征在于所述整流器是由二极管组成的不可控整流装置；所述电压产生单元是由IGBT组成的H桥电路单元；所述H桥电路单元产生矩形波电压波形信号；所述电感是耦合电感，产生三角波的电流波信号。
5.根据权利要求1所述一种用于区域直流配电***故障微型定位设备，其特征在于所述数据采集模块是电压电流采集模块由信号放大器电路、A/D转换电路、数据缓存电路、时序逻辑控制电路和接口电路组成；其为常规连接。
6.一种用于区域直流配电***的微型故障定位方法，其特征在于它包括以下步骤：
步骤A、当***检测到故障时，此微型故障定位设备通过公共连接点往电缆注入三角波电流；
步骤B、采集响应电流电压，为消除采集数据始末噪声影响，对采集的电压电流值用长度为N的布莱克曼窗函数w(n)来截断电压电流x(n)，得到N点序列，即
xn(n)＝x(n)·w(n)
并对原始数据补零处理，增加数据长度，提高精确度；
步骤C、将电压电流数据通过傅里叶变换(FFT)转换到频域
Δt为采样的步长，L为采样数据长度。由电压电流比值得到估计阻抗值：
步骤D、由于***中存在稳态畸变和测量噪音，估计阻抗波形在频域会有震荡，通过最小二乘曲线拟合以提高精确度；
步骤E、将需要定位的区域按照距离长度平均分成n段，再由测量得到的电压电流比值得到估计阻抗，将测量计算得到的阻抗值与预先校订的阻抗值粗略估计故障区域在nj与nj+1之间(0＜nj,nj+1＜n)；
步骤F、***通过以上步骤，在不同地点和不同频率下，得到阻抗值和波形。形成数据库离线存储保存；通过不断的重复学习，丰富数据库，定位精确度也随着数据库丰富提高；
步骤G、故障情况下，通过步骤A—F，可以得到响应的阻抗，与离线数据库中的阻抗值、波形等特征比较，得到故障位置。
步骤H、利用步骤A—G即可得到故障位置。如果为追求精度，可以把故障区域按距离平均分成n段，如果经过步骤A—G得出故障区域落在ni(0<ni<n)段，此时可以把测量点移到ni段起始位置，再次测量得到阻抗值；此时的阻抗值与预先标定的更精确的阻抗值对照得到精确位置。
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