张运周（广东电网公司珠海供电局，广东珠海 519000）

基于高速数据采集卡的输电线路故障定位系统设计*

张运周
（广东电网公司珠海供电局，广东珠海 519000）

为了使输电线路在短时间内以最小的人力、物力排除故障，设计了一套基于高速数据采集卡的输电线路单端行波在线故障定位系统。系统由高速数据采集装置和系统分析软件构成，可消除输电线路隐患、缩小停电范围、减少停电时间，提高供电可靠性。

输电线路；数据采集卡；故障测距

0 引言

由于输电线路环境恶劣，输电线路出现故障不可避免。当输电线路发生故障时，需要迅速查明故障并及时排除，因为故障排除时间的长短直接影响到送电保障和系统的安全运行。排除时间越长，停电所造成的损失越大，对整个系统稳定运行的冲击也越大。尽快排除或处理输电线路故障，不仅对及时修复线路和保证可靠供电至关重要，而且对电力系统的安全稳定和经济运行都有十分重要的意义。排除或处理故障的前提是找到故障点的确切位置，很多人为或瞬时故障的事故痕迹往往在故障后消失，无法重现故障情况，因此，依靠常规巡视的方法是很难查明事故原因的，而输电线路故障定位装置正是电力系统自动化需求下的产物，通过它精确的定位能力，可以克服上述种种困难，实现简易、快速的发现故障，排除故障。

行波故障测距分为时域法和频域法，从测量端数量划分，又可分为双端法和单端法[1-2]。双端行波故障测距原理简单，投资成本大；相对于双端法，单端行波故障测距只需要在线路一端装设故障检测装置，具有较好的经济性[3]。输电线路单端行波在线故障定位系统，可在线准确检测到接地、短路、断路器等各种故障。本文设计了一套基于PCI数据采集卡的输电线路单端行波在线故障定位系统，系统主要由高速数据采集装置和系统分析软件两部分构成。

1 高速数据采集卡

输电线路单端行波在线故障定位需要同时监视母线上的多回线路上的单端行波。行波信号通过各回线路电流互感器的二次电流信号以模拟量形式输入，监视线路断路器和母线断路器状态信号及启动信号作为故障定位装置的开关量输入，上述两种信号通过PCI高速数据采集卡输入到工控机中。

1.1 数据采集装置要求

（1）CT(电流互感器)可以将上兆级甚至数十兆级的高频瞬态电流耦合到二次侧；

（2）系统采用一种基于PCI总线的高速数据采集卡；

（3）每套故障定位装置可以在线监视多回输电线路，每块高速采集卡监视一回线路（三相四线）；

（4）高速数据采集卡可将其直接插在计算机内的任一PCI插槽中；

（5）可在线检测线路负荷电流；

（6）能够检测线路雷电流；

（7）可在线准确检测线路单相接地故障、相间短路故障、断路故障、瞬间故障的发生；

（8）故障检测装置检测方法新颖，动作可靠、性能稳定；

（9）安装简单方便。

1.2 高速数据采集卡设计

为了保证行波法具有较高的定位精度并减小近区故障的“死区”，采用了基于PCI总线的高速数据采集系统。鉴于PCI总线带宽的限制和仅需记录故障前后数据，高速采集卡需要具备足够大的板载缓存。在高速数据采集电路捕捉到暂态数据后，工控机读取记录下的故障数据，并进一步地分析处理以实现高精度故障定位。

高速采集卡有数据采集和数据传输两种工作模式。高速采集卡工作在数据采集模式下，高速采集卡上的FPGA接到触发信号后，根据设定时延继续采集一段时间后再转入数据传输模式。在数据传输模式下，FPGA根据触发信号到来时刻和设定时间计算出触发信号到达前一段时间采样数据存放在板载RAM中的地址，并由此地址开始将数据从板载RAM通过PCI总线传送到工控机的内存中。数据传输完成后，FPGA又由数据传输模式重新转入数据采集模式，可以接受新的触发信号。

单个数据采集采用边沿正向中间触发方式，即触发事件位于整个采样数据的中间某个位置，触发事件之前M段采样长度M_Length和触发事件之后N段采样长度N_Length均可通过上层应用程序调节，且满足M_Length与N_Length之和等于整个样本长度Sample_Length。

当用户启动采集时，模数转换器ADC即刻进入实际的采样过程，采集数据从板载RAM的物理位置开始一次写入，写入到Sample_Length指定的长度位置时，则返回到该位置继续写入，直到触发事件发生时继续采集N_Length长度后自动停止。

每块高速采集卡监视一回线路，为了同时监视多回线路，需要多卡同步采样。本方案中多卡同步采集采用共同的外触发方式。采用共同的外触发方式时，设置所有的参数保持一致。首先设置每块卡的硬件参数，并且都使用外触发（ATR或者DTR信号），连接好要采集的信号，通过ATR（需要设置触发电平）或DTR管脚接入触发信号，当每块采集卡都进入等待外部触发信号的状态下，使用同一个外部触发信号同时启动A/

D转换，达到同步采集。外触发同步采集的连接方法如图1所示。

图1 外触发同步采集的连接方法

2 系统分析软件的要求及功能

2.1 故障数据的分析

数据分析是通过工控机的上层应用程序实现的，启动故障定位模块进行数据分析有两种情况：

（1）当数据采集模块新收到高速数据采集卡的数据时，自动将采集数据以文件形式存盘，然后启动故障定位模块进行数据分析；

（2）由人工操作根据数据文件索引库将历史数据文件导入应用程序变量中，启动故障定位模块进行数据分析。

通过数据分析，判定该采集数据是由干扰引起的数据上传，还是由短路故障引起的数据上传；再通过提取的故障信息判断故障类型，并区分是否是被监视线路故障；确定故障线路后，还要判断是否是区内故障，若判断为区内故障，则选择故障定位所需信息分量实现单端行波故障定位；最后输出故障信号指示及报警，并将输出定位结果统计到数据库中，以供故障历史查询。

2.2 数据存储的要求

高速数据采集卡采集的故障数据上传到工控机的内存中后，需要从内存中取出故障数据以数据文件的形式保存到工控机的硬盘中。所有高速采集卡采集的故障数据和开关量输入均存放到同一个数据文件中，作为该次故障的完整信息。保存数据文件时，首先保存所有回路的采集数据，然后保存开关量输入。采集数据保存顺序为：首先保存第一回线路的高速数据，然后保存第二回线路的高速数据，以此类推地保存所有回线路的高速数据。

图2 数据文件保存顺序

2.3 系统分析软件实现的功能

（1）具有自动故障识别、输出报警和数据文件存储功能；

（2）具有故障自动录波功能；

（3）可记录线路雷电流、进行雷击点定位和雷击次数的统计；

（4）可实现各种故障类型分析、故障定位显示、故障距离计算及显示、故障行波分析；

（5）采用双RAM记录技术，消除暂态信号“记录死区”，防止雷电流干扰造成漏记故障数据；

（6）测距精度不受故障电阻、线路参数不对称、互感器误差、线路分布电容等因素的影响；

（7）自动化程度高，自动完成故障行波数据的传输、存储、分析、处理等；

（8）后台分析软件用于完成系统设置、统计查询、信息显示、数据采集和分析、系统帮助等；

（9）数据保存可以区别到秒，能够满足系统要求；

（10）不同时刻故障数据文件的命名具有唯一性，采用日期时间（精确到秒）的方式；

（11）通过导入数据文件可以自动给出定位结果并导入统计数据库，以供历史查询；

（12）查询可以按照日期及时间先后顺序查询所有线路，也可以按照线路顺序查询故障日期及时间；

（13）可在当地或通过通信网对系统进行配置、管理及维护；

（14）具有不依赖线路对端信息、无需两端通信、便于变电站集中管理、使用方便的优点。

3 系统总体结构和实施情况

3.1 系统总体结构

对多个回线路进行故障监测的系统采取了如图3的结构形式，其中GPS为故障定位装置提供高精度统一授时。

图3 故障定位系统总体结构

3.2 故障定位系统在输电线路中的安装注意事项

（1）对于任意一回输电线路，至少有一端安装故障定位装置以定位该回输电线路上的故障；

（2）尽量在进出线较多的变电站安装故障定位装置；

（3）对于进出线回数较少的情况，可以考虑分配给对端的故障定位装置；

（4）对于“T”节点线路，把“T”节点视为母线，将线路拓扑结构转化为没有“T”节点的情况，在与“T”节点相连的三个支路母线处分别安装故障定位装置，如图4所示。

图4 “T”节点线路上单端故障定位装置的安装

3.3 系统达到的技术指标

（1）使用范围：10 kV及以上输电线路；

（2）测量线路长度：300 km；

（3）测量线路数：1～8条（可扩展至16条）；

（4）故障定位误差：＜25 m；

（5）一个故障定位时间：0.01 s；

（6）4通道单端模拟输入方式（各通道完全独立同步采样）；

（7）模拟量输入量程：±5 V；

（8）A/D转换精度：12位；

（9）采样率：最高40MSPS（同步可调）；

（10）每通道512K字（点）RAM存储器；

（11）数据读取方式：DMA方式；

（12）保存文件的类型：txt类型。

4 结论

设计了一套基于工控机PCI数据采集卡的输电线路单端行波在线故障定位系统。运用此装置，可以在短时间内以最小的人力、物力，排除故障，消除隐患、缩小停电范围、减少停电时间，提高供电可靠性。同时大大减少故障巡线人员，提高工作效率。对于确保整个电网的安全稳定运行，减少因输电线路故障带来的经济损失，有显著的社会效益和经济效益。

［1］季涛.中性点非有效接地系统行波故障测距技术［M］.北京：北京理工大学出版社，2008.

［2］邬林勇，何正友，钱清泉.单端行波故障测距的频域方法［J］.中国电机工程学报，2008，28（25）：99-104.

［3］葛耀中.新型继电保护与故障测距原理与技术［M］.西安：西安交通大学出版社，1996.

Design of Transmission Line Fault Location System Based on High Speed Data Acquisition Card

ZHANG Yun-zhou
（Zhuhai Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Corporation，Zhuhai 519000，China）

In order to make the transmission line in a short time with minimal manpower，troubleshooting，design a set of transmission lines fault location system based on high speed data acquisition card with single terminal traveling wave.The system is composed of high speed data acquisition device and system analysis software.The system can eliminate the hidden trouble，reduce the power outage，reduce outage time，improve the reliability of power supply.

transmission line；data acquisition card；fault location

TP277

A

1009－9492(2014)05－0140－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.035

张运周，男，1973年生，广东河源人，大学专科，工程师。研究领域：高压输电线路运行维护，输电工程，输电线路防雷、防污等。已发表论文6篇。

(编辑：向 飞)

*广东省电网公司科研项目（编号：K-GD2012-128）

2013－11－28