基于同步相量的电力故障录波监测系统

鲁 文，刘明祥，孙国城

(国网电力科学研究院，江苏南京210003)

数据的数学模型，从而形成了Prony算法[7]。Prony算法是一种能够根据采样值直接估算出信号频率、衰减、幅值和初相位的分析方法。

方法所采用的数学模型为一组P个具有任意幅值、相位、频率与衰减因子的指数函数，其离散时间的函数形式见式(1)：

fm(n)为第m个信号的第n+1个采样点。由于加入了更多的方程，此方程组变成超定方程组，求解方法同样采用最小二乘法。

定义：

我国将逐年实现全国联网，电力系统会越来越复杂。在紧密相连的互联电力系统中，一个局部故障能迅速向全系统传播，会导致大面积停电[1]。目前的故障录波装置仅记录的原始波形的快速动态数据量，不能全天候保存稳态数据，只能记录故障前后几秒的原始数据，有时无法捕捉电网的低频振荡，对于电网中许多系统类型的故障不足以进行分析，对于互联系统下的大范围、长过程的故障分析更是无能为力[2]。不同变电站的录波数据没有可比性和同步性，无法为故障后的稳定分析提供可靠的数据来源[3]。为此，基于同步相量测量平台，利用同步时钟信号、高速DSP数字信号处理技术和嵌入式实时操作系统，研制出DPR-2E型电力故障录波监测系统，在可靠性、算法实现、通信技术上实现新的飞跃。

1系统构成

1.1系统硬件平台

故障录波监测系统硬件总体构成如图1所示。系统采用全嵌入式设计方法。前置机硬件采用Motorola PowerPC，数据处理模块采用ADI Black-Fin DSP。两者之间采用大容量双口RAM实现高速数据缓冲交换，数据存储采用双SATA硬盘备份，极大提高了录波单元的可靠性。各智能模块之间采用总线式接口，强弱电完全分开，大大减少外部电磁干扰在弱电侧的耦合增强装置的抗干扰能力。一体化背插式结构设计，便于扩展，每故障录波监测单元最大可接入96路模拟量，256路开关量。高精确性、灵活接口的时钟信号，对时误差不超过±1μs。

1.2系统软件平台

图1系统硬件总体构成

故障录波监测系统的软件平台满足系统可靠性和实时性的要求，同时考虑软件的维护和扩展。前置机采用源码开放的Linux嵌入式实时操作系统，数据管理单元软件采用跨平台设计，用于数据的冗余存储管理和人机界面操作。Linux嵌入式实时操作系统的使用，一方面使数据管理的实时性和可靠性大大提高，另一方面可以有效防止病毒的袭击和网络攻击。数据管理单元跨平台设计满足用户多方面不同层次需求。

2系统的关键技术

2.1同步守时技术

目前的同步采样技术大多都基于全球卫星定位系统（GPS）或“北斗”系统（RDSS）。本文以常用的GPS为例，实验表明本系统在使用RDSS系统时同样满足所提性能指标。在收到同步信号时，模拟量经变换、调制后进行A／D模数转换，模数转换器转换触发信号是GPS提供、并经CPLD处理过的同步触发脉冲，频率为10 kHz，如图2。该触发脉冲作为所有装置的A／D转换触发脉冲，实现所有装置间的严格同步采样，同时利用GPS给故障数据贴上精确的时间标签，提供同步相角数据。数据处理模块采用ADI BlackFin DSP,对全部采样点逐点计算，大大提高了测量精度。经实际测试表明的测量精度可达到0.1%；开关量分辨率为0.1 ms；频率的测量分辨率达到0.001Hz，由于地理位置，GPS天线安装遮挡，天气等因素接收的对时卫星个数不够等原因造成GPS短时间失步，同步采样要求在GPS在失步情况下系统仍能够很好保证秒脉冲（1 PPS）信号的准确性。这就需要系统具有守时功能。为达到此要求，系统选用一款高精度的恒温晶振，作为时间跟踪源，频率值为20 MHz，频率精确度达到0.000 5 PPM的。在条件允许时，GPS模块通过天线接收GPS卫星对时信号，将GPS模块输出的秒脉冲和恒温晶振的输出20 MHz脉冲信号信号送给CPLD。当秒脉冲上升沿来临时，记下该秒脉冲的GPS时标信息，计数器对20 MHz晶振脉冲开始计数，直到下一个秒脉冲上升沿到来进行清零。当GPS失步后，秒脉冲通过恒温晶振控制，计数器每记到20 000 000个晶振脉冲，主动发一个脉冲作为系统的秒脉冲，并将GPS时标信息增加1 s，同时计数器清零，秒脉冲及采样脉冲时序如图2所示。

图2 秒脉冲及采样脉冲时序

实验表明系统在GPS同步锁定情况下，1 PPS信号200 ns精度。失去GPS同步时钟信号60 min以内相角测量误差不大于0.2°，在GPS失步2 h内角度误差不超过0.3°。

2.2在线低频振荡辨识

传统故障录波器通过判断线路同一相电流在0.5 s内的变化可以部分捕捉电网的低频振荡。这对现代电网是远远不够的，如果能够估算出电网模拟量包含的频率、衰减、幅值和初相位，就可以很容易判断系统是否有明显低频振荡。1795年，Prony提出了用复指数函数的一种线性组合来描述等间距采样

数据的数学模型，从而形成了Prony算法[7]。Prony算法是一种能够根据采样值直接估算出信号频率、衰减、幅值和初相位的分析方法。

方法所采用的数学模型为一组P个具有任意幅值、相位、频率与衰减因子的指数函数，其离散时间的函数形式见式(1)：

式中：f(n)由等时间间距△t的N点组成，ci=Aiexp(jθi)，其中 Ai为信号幅值；θi为初相；Zi=exp[(αi+j2πfi)·△t]；αi为衰减因子；fi表示振荡频率；△t代表采样间隔。通过一系列的数学变换，可推出：

在这里N≥2n，如果N=2n，则方程数和未知数相等，可以直接求解，如果N＞2n，则使用最小二乘法求解。多信号的Prony算法的推导过程与单信号的相同，m个信号的Prony算法的方程式变为：

fm(n)为第m个信号的第n+1个采样点。由于加入了更多的方程，此方程组变成超定方程组，求解方法同样采用最小二乘法。

定义：

m=1，2，…，M；i，k=0，1，…，p；由此可得 Prony 算法的法方程：

解此法方程，即可得到系数a1，a2，…，ap的估计值，进一步可求解出如下特征方程的根Z：

利用式（6）求：

求解方程并利用式(7)可算出幅值、相位、频率和衰减因子。

2.3高精确度测距技术

2.3.1单端测距

测距是故障录波监测系统的一个主要功能。在无法获得对端数据的情况下，单端测距仍是故障定位的主要手段。但其精度受非周期衰减直流分量、故障点过渡电阻和对端系统阻抗以及线路分布电容等因素影响。系统中的单端测距算法采用滤除非周期衰减直流分量，考虑过渡电阻的影响，同时采用补偿技术消除分布电容的影响[3]，较大地提高了单端测距的精确度。

2.3.2双端测距

双端测距可以根据对端数据彻底消除过渡电阻的影响。在短路故障时,下面微分方程成立：

式中：R1，L1为线路单位长度正序电阻和电感，Rg为短路的过渡电阻，if为流经过渡电阻的电流，u，i为装置安装处的测量电压和电流。在单端测距的情况下，因为故障处的故障电流，if无法测知,在单端测距计算中采用积分化简，使用故障处零序电流，假设故障处零序电流和装置安装处零序电流同相位，即if0=K×i0(9)

事实上它们之间存在着一定的相位差，过度电阻较大时测距精度影响较大。双端测距把Rg×if作为一个未知量处理，利用对测数据同样列类似式（8）的方程，消去该项。从而消除过渡电阻带来的影响。

2.4集暂态故障录波、稳态连续记录和实时监测为一体

2.4.1暂态故障录波

故障录波监测系统可记录系统发生大扰动前后电流、电压、高频、开关状态等各输入量的变化过程，全程采用10 kHz采样数据记录。双SATA硬盘设计可以冗余备份数据，暂态故障在每个硬盘上各存储一份，以防止某一硬盘损坏，丢失全部重要数据。

2.4.2稳态连续记录

故障录波监测系统稳态连续记录支持1 kHz的采样值24 h不间断的连续纪录，这使得监测系统需要记录的数据容量猛增，硬盘存取的次数大大增多。为解决上述问题，系统采用双SATA硬盘设计，Motorola PowerPC收集的稳态数据并不急于保存到硬盘上，而是经过约10 s时间的缓存，然后将10 s时间的稳态数据根据硬盘状态批量写入硬盘。正常运行情况下，数据交替写入硬盘，时间设置在30 min。批量写入较之随时写入大大提高了存储效率，交替写盘不至于使硬盘始终处于高速读写状态，提高了硬盘使用寿命；其次，增加压缩机制，写入硬盘之前将数据进行有效压缩，可大大缩短写盘时间，同时也相对地增加了硬盘存取数据的能力。

2.5故障分析与诊断

电力故障监测系统记录大量原始数据，把所有这些数据不加选择地上送调度端、故障信息管理系统或SCADA系统等主站系统是对调度人员是毫无意义的，还会对系统造成沉重地负担。从这些海量数据中提取有用信息在线上送上级调度端尤为必要。新型电力故障监测是多功能的智能化系统，不但能记录短路故障、暂态故障，还能进行故障定位、谐波分析和电能质量分析。

以某条线路单相接地为例，接有该条线路的故障监测终端装置会启动录波并发网络命令启动全站故障监测终端装置，但我们没有必要把所有的录波数据全部上送主站系统。故障监测终端管理机收集到所有故障数据后分析出故障线路，分析出故障类型和故障位置，形成故障简报上送，并把该线路的电压电流量重新形成故障文件上送，该次故障的其它以备调用。新型电力故障监测系统具有强大的计算能力和通信能力，以上分析与诊断功能均可以在线实现。

2.6人机界面跨平台技术

管理机使用跨平台图形界面，具备详尽的故障分析功能如下：

(1)电压、电流的幅值、峰值、有效值、频率计算。

(2)有功、无功功率计算。

(3)相量、序量和谐波分析。

(4)波形叠加，差值等公式计算。

提供符合ANSI/IEEE C37.111—1999（COMTR ADE）标准格式的文件。支持远程维护，可远方配置，系统采用多级加密措施保证系统安全。

3低频振荡辨识算法验证

3.1理想单信号分析

理想单信号为：

首先，取时间间隔为0.1 s，时间长度为20 s，共200个数据点。利用前面2.2介绍的算法辨识，表1列出了主要模式。表中最后一项是直流分量，是拟合过程中出现的，对结果影响不大。图3是原始数据曲线和拟合数据曲线比较图：黑色实线为原始数据曲线，红色虚线为拟合数据曲线，两者相差很小。

表1理想单信号的prony分析结果

图3原始数据和拟合数据比较

3.2现场低频振荡分析

2006年7月1日21时，华北电网发生局部低频振荡，装设在河北万全的同步相量测量装置捕捉到这一过程。

图4和图5分别是丰万1，2回线功率振荡曲线，装设在河北万全的同步相量测量装置以10kHZ采样频率在0～20 s区间进行采样，同时记录下丰万线的电压电流的幅值和相角，根据装置启动原因记录，这里来反向分析该过程。

图4丰万1功率振荡曲线

根据记录的数据首先去掉高频分量，每0.01 s抽取一个数据点，时间长度为20 s，阶数选为200，下表为装置记录的主导模式，主要有0.573 Hz,0.578 Hz,0.133 Hz,0.132 Hz,1.654 Hz,1.535 Hz,0.798 Hz,0.674 Hz 8种振荡模式，显然模式9和10为消除直流后在拟合过程中出现的。多信号的prony分析结果见表2。当系统功率振荡超过稳态功率5%时，装置启动录波前6种振荡模式的振幅均超过稳态功率5%。系统启动记录。

图5丰万2功率振荡曲线

表2多信号的prony分析结果

4结束语

（1）双核CPU全嵌入式设计。系统采用全嵌入式设计方法，装置采用源码开放的Linux嵌入式实时操作系统，硬件采用Motorola PowerPC和ADI BlackFin DSP组成双CPU系统，极大提高了录波单元的可靠性。

（2）高精确性、灵活接口的时钟信号。外置共享型GPS单元可以接受站内多种对时信号（如脉冲方式，接受IRIG-B同步信号等），灵活可靠。对时精度达到同步相量测量要求。

（3）集故障录波、测距、实时监测和连续记录为一体。暂态录波和故障测距，金属性短路的测距精度优于2%；记录系统发生大扰动前后各输入量(电流、电压、高频、开关状态等)的变化过程，全程采用采样数据记录；稳态连续记录支持24 h不间断的连续纪录，以1 kHz的采样值记录；电力系统实时监测，可实时显示电压、电流波形及系统的有功/无功功率、相角；数据存储采用双SATA硬盘备份。

(4）高可靠的集成化装置设计。一体化背插式机箱结构设计，便于扩展。强弱电完全分开，大大减少外部电磁干扰在弱电侧的耦合增强装置的抗干扰能力，提高可靠性和安全性。抗干扰能力达到GB/T14598规定的严酷等级为Ⅳ级标准；特别设计的PCB，满足16位分辨率的噪声要求。

（5）支持多种通信方式。提供RS232/422/485串行通信口；提供10M/100M自适应以太网接口；支持TCP/IP协议，支持IEC 870-5-103规约；可以通过MODEM和以太网与中心站联网，支持与综自和监控系统联网。

（6）失电保持功能。电源带有储能功能，可在失去电源下持续供电数秒，以保证全面得到暂态数据。

（7）极高的同步性。系统借鉴同步相量采样技术，具有极高的同步性；兼容测量CT，可实现高精度相量测量；高同步性可为双端测距提供可靠数据。

（8）改进的prony算法可准确迅速判定电力系统低频振荡。

（9）在线故障分析与诊断降低的网络通讯负担，并提供迅速快捷简明信息。

（10）数据管理单元跨平台设计满足用户多方面不同层次需求。

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